直流充電樁的基本工作原理及技術(shù)發(fā)展趨勢

作者/ 張奇志 黃山市萬(wàn)邦電子科技有限公司(安徽 黃山 245000)

摘要：充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的基礎設施逐漸得到普及。本文介紹了直流充電樁的工作原理，給出了直流充電樁的電氣原理圖，闡述了直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢。

引言

　　“汽車(chē)的電動(dòng)化是大勢所趨，體制優(yōu)勢是推動(dòng)發(fā)展的根本?！背潆姌蹲鳛殡妱?dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的基礎設施建設越來(lái)越受到中央和地方政府的重視。2016年11月7日，國家發(fā)改委、國家能源局召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )，對外正式發(fā)布《電力發(fā)展 “十三五”規劃》，提出加快充電設施建設，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展：到2020年，新增集中式換電站超過(guò)1.2萬(wàn)座，分布式充電樁超過(guò)480萬(wàn)個(gè)，基本建成適度超前、車(chē)樁相隨、智能高效的充電基礎設施體系,滿(mǎn)足全國超過(guò)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求。有專(zhuān)家預測，到2030年，新能源汽車(chē)的推廣量將達到5000萬(wàn)輛。由此推算，到2020年需要2萬(wàn)座充電站、507萬(wàn)個(gè)充電樁;2030年建14萬(wàn)座充電站、5000萬(wàn)個(gè)充電樁。一線(xiàn)城市北京、上海、深圳都積極響應電動(dòng)汽車(chē)的國家戰略政策，紛紛出臺政策規劃。到 2020 年，北京將基本建成互聯(lián)互通、智能高效的充電設施服務(wù)網(wǎng)絡(luò )，可保障60萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)的充電需求，重點(diǎn)區域的充電服務(wù)半徑小于0.9公里。根據“十三五”規劃，上海將全面建成 651座公共充電站、39座公交車(chē)充電站、225座出租車(chē)充電站及3495臺環(huán)衛物流專(zhuān)用充電樁。

　　2017年8月9日，安徽省發(fā)展和改革委員會(huì )、安徽省能源局、安徽省經(jīng)濟和信息化委員會(huì )、安徽省財政廳、安徽省住房和城鄉建設廳、安徽省交通運輸廳、安徽省質(zhì)量技術(shù)監督局、安徽省物價(jià)局聯(lián)合印發(fā)《安徽省電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施建設規劃(2017-2020年)的通知》，通知中指出，至2020年，建成公交車(chē)專(zhuān)用充換電站200座，環(huán)衛、物流等專(zhuān)用車(chē)充電站100座，城市公共充電站130座， 分散式公共充電樁3萬(wàn)個(gè)，公務(wù)車(chē)與私家車(chē)分散式自用充電樁15萬(wàn)個(gè)，城際快充站170座，為滿(mǎn)足20萬(wàn)輛以上電動(dòng)汽車(chē)充電需求。

　　這樣的政策浪潮下，充電樁行業(yè)發(fā)展迅猛，但對于絕大多數普通消費者，充電樁還是一個(gè)新生事物，相關(guān)的專(zhuān)業(yè)文章也還很少。本文將介紹充電樁的分類(lèi)及直流充電樁的基本工作原理。

1 充電樁的分類(lèi)

　　充電樁分為交流充電樁和直流充電樁。前者俗稱(chēng)“慢充”，后者俗稱(chēng)“快充”。

　　充電交流充電樁通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)內置的“車(chē)載充電機”將電網(wǎng)的交流電轉換為直流電后對電池充電。車(chē)載充電機(OBC：On Board Charger)目前國內市場(chǎng)主要有兩種功率大?。?.3kW(輸入：220VAC/16A，輸出：200V-420VDC / 10A)和6.6kW(輸入：220VAC/32A，輸出：200-420V/20A )。輸出電流小，充電速度慢，所以被稱(chēng)為“慢充”。交流充電樁根據其匹配車(chē)載充電機功率不同相應有3.3kW和6.6kW之分。直流充電樁內置大功率直流充電模塊，充電樁本身將電網(wǎng)的交流電轉換為直流電，輸出電流可以高達100A以上，所以被稱(chēng)為“快充”。交流充電樁和直流充電樁對電動(dòng)汽車(chē)的充電方式如圖1所示。

　　直流充電樁可以從功率大小、充電槍的多少、結構形式、安裝方式等不同維度進(jìn)行分類(lèi)。其中，按結構形式比較主流的分類(lèi)是將直流充電樁分為兩種：一體式直流充電樁和分體式直流充電樁。

2 直流充電樁的基本工作原理

　　在國家能源局發(fā)布的直流充電樁相關(guān)的行業(yè)標準《NB/T 33001-2010：電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導式充電機技術(shù)條件》中指出，直流充電樁基本構成包括：功率單元、控制單元、計量單元、充電接口、供電接口及人機交互界面等。功率單元是指直流充電模塊，控制單元是指充電樁控制器。直流充電樁本身作為一種系統集成產(chǎn)品，除了 “直流充電模塊”和“充電樁控制器”這兩個(gè)組件構成了技術(shù)核心之外，結構設計也是整樁可靠性設計的關(guān)鍵點(diǎn)之一。 “充電樁控制器”屬于嵌入式硬件和軟件技術(shù)范疇，“直流充電模塊”則代表了電力電子技術(shù)在A(yíng)C/DC領(lǐng)域的最高成就。

　　充電的基本過(guò)程是： 在電池兩端加載直流電壓，以恒定大電流對電池充電，電池的電壓漸漸地緩慢地上升，上升到一定程度，電池電壓達到標稱(chēng)值，SoC達到95%(針對不同電池，不一樣)以上，繼續以恒壓小電流對電池充電?！半妷荷先チ?，但電量沒(méi)有充滿(mǎn)，就是沒(méi)有充實(shí)，如果有時(shí)間，可以改用小電流充實(shí)”。 為了實(shí)現這個(gè)充電過(guò)程，充電樁在功能上就需要有“直流充電模塊”提供直流電源;需要有“充電樁控制器”控制充電模塊的“開(kāi)機、關(guān)機、輸出電壓、輸出電流”;需要有“觸摸屏”作為人機界面下發(fā)指令，通過(guò)控制器將“開(kāi)機、關(guān)機、輸出電壓、輸出電流”等指令下發(fā)給充電模塊。從電氣層面理解的最簡(jiǎn)充電樁只要有充電模塊，控制板和觸摸屏就可以了; 如果開(kāi)機、關(guān)機和輸出電壓]輸出電流等指令在充電模塊上做成幾個(gè)鍵盤(pán)，那么一個(gè)充電模塊就可以對電池充電了。

　　直流充電樁的電氣部分由主回路和二次回路組成。主回路的輸入是三相交流電，經(jīng)過(guò)輸入斷路器、交流智能電能表之后由充電模塊(整流模塊)將三相交流電轉換為電池可以接受的直流電，再連接熔斷器和充電槍?zhuān)o電動(dòng)汽車(chē)充電。 二次回路由充電樁控制器、讀卡器、顯示屏、直流電表等組成。二次回路還提供“啟?！笨刂婆c“急?！辈僮?信號燈提供“待機”、“充電”與“充滿(mǎn)”狀態(tài)指示;顯示屏作為人機交互設備則提供刷卡、充電方式設置與啟?？刂撇僮?。

　　關(guān)于直流充電樁的電氣原理，總結如下：

　　1.單個(gè)的充電模塊目前只有15kW，不能滿(mǎn)足功率要求，需要多個(gè)充電模塊并聯(lián)在一起工作，需要有CAN總線(xiàn)來(lái)實(shí)現多個(gè)模塊的均流;

　　2.充電模塊的輸入來(lái)自電網(wǎng)，是大功率供電，涉及到電網(wǎng)和人身安全，特別是人身安全，需要在輸入端安裝空氣開(kāi)關(guān)(學(xué)名是“塑殼斷路器”)，防雷開(kāi)關(guān)甚至漏電開(kāi)關(guān);

　　3.充電樁的輸出是高壓、大電流，電池是電化學(xué)品，容易爆炸，要防止誤操作的安全問(wèn)題，輸出要有熔斷器;

　　4.安全問(wèn)題是最高優(yōu)先級的，除了有輸入端的措施之外，機械鎖和電子鎖是一定要有的，絕緣檢測是一定要有的，泄放電阻是一定要有的;

　　5.電池是否接受充電，這不是由充電樁決定的，是由電池的大腦、BMS決定的。BMS下發(fā)“是否允許充電，是否終止充電，可以接受多大電壓，多大電流充電”的指令給控制器，控制器再下發(fā)給充電模塊。因此，需要有實(shí)現控制器和BMS之間的CAN通信，控制器和充電模塊之間的CAN通信;

　　6.充電樁還要接受監控管理，控制器需要通過(guò)WiFi或3G/4G等網(wǎng)絡(luò )通訊模塊和后臺連接;

　　7.充電的電費不是免費的，需要安裝電表，需要讀卡器實(shí)現計費功能;

　　8.充電樁殼體上需要有一目了然的指示燈，通常是三個(gè)指示燈，分別表示充電、故障和電源;

　　9.直流充電樁的風(fēng)道設計是關(guān)鍵。風(fēng)道設計除了結構上的學(xué)問(wèn)，需要在充電樁里面安裝有風(fēng)扇，雖然每個(gè)充電模塊里面都有風(fēng)扇。

　　考慮到上述細節，直流充電樁作為一個(gè)系統是比較復雜的。圖3給出某單槍直流充電樁更詳細的電氣原理框圖的主回路電氣原理圖作為設計參考。

3 直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢

　　關(guān)于直流充電樁的技術(shù)發(fā)展趨勢，有5個(gè)方向值得關(guān)注：

3.1 超大功率充電堆-功率動(dòng)態(tài)分配-柔性充電

　　純電動(dòng)公交充電站集中停放、運營(yíng)路線(xiàn)充電的特點(diǎn)決定了其充電解決方案可能朝超大功率充電堆的方向演進(jìn)。純電動(dòng)出租車(chē)和物流車(chē)甚至也可能朝這個(gè)方向演進(jìn)。30KW充電模塊需求變得急迫，其主要推動(dòng)力就是充電堆的需求正變得急迫。

　　功率動(dòng)態(tài)分配最先是某公司提出來(lái)的，每?jì)蓚€(gè)模塊后面用一個(gè)功率繼電器，可以把這兩個(gè)模塊投在左槍也可以投在右槍使用;后來(lái)另外一家公司提出新的名詞柔性充電，需要大功率充，電流很大的時(shí)候，將其它模塊投過(guò)來(lái)使用，小車(chē)來(lái)的時(shí)候可以分開(kāi)使用，這樣做是有一定的道理;柔性在電網(wǎng)中有加大功率這樣一層意思在里面，所以提出柔性充電概念也說(shuō)的過(guò)去。不同叫法，實(shí)際上是同一意思。

　　對于180kW及以下的直流充電樁，談功率動(dòng)態(tài)分配和柔性充電是個(gè)偽需求，甚至分體式的意義都不大，但是雙槍輪充和均充也許有點(diǎn)實(shí)際意義。

　　充電堆的應用場(chǎng)景是，可以根據當前待充電車(chē)輛數量來(lái)自動(dòng)分配給每個(gè)車(chē)多大功率。這樣確保將充電模塊的功率用到極致，在車(chē)輛不多的時(shí)候，每輛車(chē)被分配的功率很大，可以更快速地充滿(mǎn)。這種應用就需要更多的繼電器切換充電模塊的功率流向，這會(huì )增加一些硬件成本，可靠性難度也增加了一些，當然，也需要對充電控制器的軟件進(jìn)行升級。

3.2 社區停車(chē)場(chǎng)環(huán)行智能充電

　　所謂環(huán)行智能充電，這是個(gè)很時(shí)髦的概念。具體應用場(chǎng)景是：在一個(gè)社區停車(chē)場(chǎng)停放了很多電動(dòng)汽車(chē)，中央處理單元主動(dòng)地巡回檢測每臺車(chē)的電池電量，在夜間自動(dòng)地輪流將每臺車(chē)充滿(mǎn)。這其實(shí)也是一種柔性充電，也需要在社區停車(chē)場(chǎng)安裝超級充電堆。這種做法的好處是：比交流充電的效率更高，比安裝若干個(gè)直流充電樁，車(chē)主排隊等待直流充電的靈活性大，成本也低很多。

3.3 家用型壁掛式充電樁進(jìn)家用電器賣(mài)場(chǎng)，進(jìn)家庭

　　也許我們可以更加樂(lè )觀(guān)，在解決了電力配送之后，就是將來(lái)有能力將中國過(guò)量的電力供應輸送到每個(gè)居民小區的時(shí)候，消費者為了追求更快速的充電體驗,個(gè)人可以自主決定是安裝直流充電樁還是交流充電樁，直流充電樁將做得像家電產(chǎn)品一樣小巧、漂亮。壁掛式直流充電樁將是一種剛需。這種產(chǎn)品的銷(xiāo)售模式就像賣(mài)電熱器這類(lèi)商品一樣，在商場(chǎng)里面賣(mài)，在JD，TMALL上面賣(mài)。這種像家電一樣的產(chǎn)品將去掉直流充電樁組成中一些不太緊要的部件，將充電控制器和觸摸屏功能做到一個(gè)充電模塊大小的外殼里面，但模具會(huì )做得很精致。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的進(jìn)步，充電模塊功率密度越來(lái)高，這個(gè)趨勢將成為可能。

3.4 “光充儲”充放電一體化

　　光伏、充電、儲能三者組合在一起的概念已經(jīng)有了具體的產(chǎn)品，就是PowerWall，將來(lái)PowerWall進(jìn)一步發(fā)展，構成新型充電站形態(tài)，電能在光伏電池板、電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)、儲能電池四者之間自由地流動(dòng)。直流充電樁既可以由電網(wǎng)提供電能給電動(dòng)汽車(chē)充電，也可由光伏電池板提供，還可以由儲能電池提供。儲能電池，電池汽車(chē)電池和光伏電池板的電能也可以賣(mài)給電網(wǎng)。

3.5 共享充電、免費充電

　　如果以互聯(lián)網(wǎng)的共享思維來(lái)思考未來(lái)，任何個(gè)人安裝的充電樁可以提供給任何其他車(chē)主充電，也就是說(shuō)所有的充電樁都是可以隨時(shí)開(kāi)放的。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)工具，車(chē)主很容易找到閑置的個(gè)人充電樁。

　　將來(lái)充電站可能在互聯(lián)網(wǎng)的思維下做成了O2O的Off-Line的重要連接節點(diǎn)，只要有車(chē)主來(lái)充電，可能就要在充電站等待15分鐘。充電站將作為重要的廣告場(chǎng)地資源，這是不難想象的。

　　參考文獻：

　　[1]李琳.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的充電方法的研究[D].華北電力大學(xué),2013.

　　[2]徐進(jìn).鋰電池充放電特性分析和測試[J].中國西部科技. 2011,10(33):3-4.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。