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直流充电桩的基本工作原理及技术发展趋势

日期:2017-10-11 16:50:01 人气:

 “汽车的电动化是大势所趋,体制优势是推动发展的根本。”充电桩作为电动汽车产业的基础设施建设越来越受到中央和地方政府的重视。2016年11月7日,国家发改委、国家能源局召开新闻发布会,对外正式发布《电力发展 “十三五”规划》,提出加快充电设施建设,促进电动汽车发展:到2020年,新增集中式换电站超过1.2万座,分布式充电桩超过480万个,基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系,满足全国超过500万辆电动汽车的充电需求。有专家预测,到2030年,新能源汽车的推广量将达到5000万辆。由此推算,到2020年需要2万座充电站、507万个充电桩;2030年建14万座充电站、5000万个充电桩。一线城市北京、上海、深圳都积极响应电动汽车的国家战略政策,纷纷出台政策规划。到 2020 年,北京将基本建成互联互通、智能高效的充电设施服务网络,可保障60万辆电动汽车的充电需求,重点区域的充电服务半径小于0.9公里。根据“十三五”规划,上海将全面建成 651座公共充电站、39座公交车充电站、225座出租车充电站及3495台环卫物流专用充电桩。

  2017年8月9日,安徽省发展和改革委员会、安徽省能源局、安徽省经济和信息化委员会、安徽省财政厅、安徽省住房和城乡建设厅、安徽省交通运输厅、安徽省质量技术监督局、安徽省物价局联合印发《安徽省电动汽车充电基础设施建设规划(2017-2020年)的通知》,通知中指出,至2020年,建成公交车专用充换电站200座,环卫、物流等专用车充电站100座,城市公共充电站130座, 分散式公共充电桩3万个,公务车与私家车分散式自用充电桩15万个,城际快充站170座,为满足20万辆以上电动汽车充电需求。

  这样的政策浪潮下,充电桩行业发展迅猛,但对于绝大多数普通消费者,充电桩还是一个新生事物,相关的专业文章也还很少。本文将介绍充电桩的分类及直流充电桩的基本工作原理。

1 充电桩的分类

  充电桩分为交流充电桩和直流充电桩。前者俗称“慢充”,后者俗称“快充”。

  充电交流充电桩通过电动汽车内置的“车载充电机”将电网的交流电转换为直流电后对电池充电。车载充电机(OBC:On Board Charger)目前国内市场主要有两种功率大小:3.3kW(输入:220VAC/16A,输出:200V-420VDC / 10A)和6.6kW(输入:220VAC/32A,输出:200-420V/20A )。输出电流小,充电速度慢,所以被称为“慢充”。交流充电桩根据其匹配车载充电机功率不同相应有3.3kW和6.6kW之分。直流充电桩内置大功率直流充电模块,充电桩本身将电网的交流电转换为直流电,输出电流可以高达100A以上,所以被称为“快充”。交流充电桩和直流充电桩对电动汽车的充电方式如图1所示。

  直流充电桩可以从功率大小、充电枪的多少、结构形式、安装方式等不同维度进行分类。其中,按结构形式比较主流的分类是将直流充电桩分为两种:一体式直流充电桩和分体式直流充电桩。

2 直流充电桩的基本工作原理

  在国家能源局发布的直流充电桩相关的行业标准《NB/T 33001-2010:电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中指出,直流充电桩基本构成包括:功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。功率单元是指直流充电模块,控制单元是指充电桩控制器。直流充电桩本身作为一种系统集成产品,除了 “直流充电模块”和“充电桩控制器”这两个组件构成了技术核心之外,结构设计也是整桩可靠性设计的关键点之一。 “充电桩控制器”属于嵌入式硬件和软件技术范畴,“直流充电模块”则代表了电力电子技术在AC/DC领域的最高成就。

  充电的基本过程是: 在电池两端加载直流电压,以恒定大电流对电池充电,电池的电压渐渐地缓慢地上升,上升到一定程度,电池电压达到标称值,SoC达到95%(针对不同电池,不一样)以上,继续以恒压小电流对电池充电。“电压上去了,但电量没有充满,就是没有充实,如果有时间,可以改用小电流充实”。 为了实现这个充电过程,充电桩在功能上就需要有“直流充电模块”提供直流电源;需要有“充电桩控制器”控制充电模块的“开机、关机、输出电压、输出电流”;需要有“触摸屏”作为人机界面下发指令,通过控制器将“开机、关机、输出电压、输出电流”等指令下发给充电模块。从电气层面理解的最简充电桩只要有充电模块,控制板和触摸屏就可以了; 如果开机、关机和输出电压]输出电流等指令在充电模块上做成几个键盘,那么一个充电模块就可以对电池充电了。



  直流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成。主回路的输入是三相交流电,经过输入断路器、交流智能电能表之后由充电模块(整流模块)将三相交流电转换为电池可以接受的直流电,再连接熔断器和充电枪,给电动汽车充电。 二次回路由充电桩控制器、读卡器、显示屏、直流电表等组成。二次回路还提供“启停”控制与“急停”操作;信号灯提供“待机”、“充电”与“充满”状态指示;显示屏作为人机交互设备则提供刷卡、充电方式设置与启停控制操作。

  关于直流充电桩的电气原理,总结如下:

  1.单个的充电模块目前只有15kW,不能满足功率要求,需要多个充电模块并联在一起工作,需要有CAN总线来实现多个模块的均流;

  2.充电模块的输入来自电网,是大功率供电,涉及到电网和人身安全,特别是人身安全,需要在输入端安装空气开关(学名是“塑壳断路器”),防雷开关甚至漏电开关;

  3.充电桩的输出是高压、大电流,电池是电化学品,容易爆炸,要防止误操作的安全问题,输出要有熔断器;

  4.安全问题是最高优先级的,除了有输入端的措施之外,机械锁和电子锁是一定要有的,绝缘检测是一定要有的,泄放电阻是一定要有的;

  5.电池是否接受充电,这不是由充电桩决定的,是由电池的大脑、BMS决定的。BMS下发“是否允许充电,是否终止充电,可以接受多大电压,多大电流充电”的指令给控制器,控制器再下发给充电模块。因此,需要有实现控制器和BMS之间的CAN通信,控制器和充电模块之间的CAN通信;



  6.充电桩还要接受监控管理,控制器需要通过WiFi或3G/4G等网络通讯模块和后台连接;

  7.充电的电费不是免费的,需要安装电表,需要读卡器实现计费功能;

  8.充电桩壳体上需要有一目了然的指示灯,通常是三个指示灯,分别表示充电、故障和电源;

  9.直流充电桩的风道设计是关键。风道设计除了结构上的学问,需要在充电桩里面安装有风扇,虽然每个充电模块里面都有风扇。

  考虑到上述细节,直流充电桩作为一个系统是比较复杂的。图3给出某单枪直流充电桩更详细的电气原理框图的主回路电气原理图作为设计参考。

3 直流充电桩的技术发展趋势

  关于直流充电桩的技术发展趋势,有5个方向值得关注:

3.1 超大功率充电堆-功率动态分配-柔性充电

  纯电动公交充电站集中停放、运营路线充电的特点决定了其充电解决方案可能朝超大功率充电堆的方向演进。纯电动出租车和物流车甚至也可能朝这个方向演进。30KW充电模块需求变得急迫,其主要推动力就是充电堆的需求正变得急迫。

  功率动态分配最先是某公司提出来的,每两个模块后面用一个功率继电器,可以把这两个模块投在左枪也可以投在右枪使用;后来另外一家公司提出新的名词柔性充电,需要大功率充,电流很大的时候,将其它模块投过来使用,小车来的时候可以分开使用,这样做是有一定的道理;柔性在电网中有加大功率这样一层意思在里面,所以提出柔性充电概念也说的过去。不同叫法,实际上是同一意思。

  对于180kW及以下的直流充电桩,谈功率动态分配和柔性充电是个伪需求,甚至分体式的意义都不大,但是双枪轮充和均充也许有点实际意义。

  充电堆的应用场景是,可以根据当前待充电车辆数量来自动分配给每个车多大功率。这样确保将充电模块的功率用到极致,在车辆不多的时候,每辆车被分配的功率很大,可以更快速地充满。这种应用就需要更多的继电器切换充电模块的功率流向,这会增加一些硬件成本,可靠性难度也增加了一些,当然,也需要对充电控制器的软件进行升级。



3.2 社区停车场环行智能充电

  所谓环行智能充电,这是个很时髦的概念。具体应用场景是:在一个社区停车场停放了很多电动汽车,中央处理单元主动地巡回检测每台车的电池电量,在夜间自动地轮流将每台车充满。这其实也是一种柔性充电,也需要在社区停车场安装超级充电堆。这种做法的好处是:比交流充电的效率更高,比安装若干个直流充电桩,车主排队等待直流充电的灵活性大,成本也低很多。

3.3 家用型壁挂式充电桩进家用电器卖场,进家庭

  也许我们可以更加乐观,在解决了电力配送之后,就是将来有能力将中国过量的电力供应输送到每个居民小区的时候,消费者为了追求更快速的充电体验,个人可以自主决定是安装直流充电桩还是交流充电桩,直流充电桩将做得像家电产品一样小巧、漂亮。壁挂式直流充电桩将是一种刚需。这种产品的销售模式就像卖电热器这类商品一样,在商场里面卖,在JD,TMALL上面卖。这种像家电一样的产品将去掉直流充电桩组成中一些不太紧要的部件,将充电控制器和触摸屏功能做到一个充电模块大小的外壳里面,但模具会做得很精致。随着电力电子技术的进步,充电模块功率密度越来高,这个趋势将成为可能。

3.4 “光充储”充放电一体化

  光伏、充电、储能三者组合在一起的概念已经有了具体的产品,就是PowerWall,将来PowerWall进一步发展,构成新型充电站形态,电能在光伏电池板、电动汽车、电网、储能电池四者之间自由地流动。直流充电桩既可以由电网提供电能给电动汽车充电,也可由光伏电池板提供,还可以由储能电池提供。储能电池,电池汽车电池和光伏电池板的电能也可以卖给电网。

3.5 共享充电、免费充电

  如果以互联网的共享思维来思考未来,任何个人安装的充电桩可以提供给任何其他车主充电,也就是说所有的充电桩都是可以随时开放的。通过互联网工具,车主很容易找到闲置的个人充电桩。

  将来充电站可能在互联网的思维下做成了O2O的Off-Line的重要连接节点,只要有车主来充电,可能就要在充电站等待15分钟。充电站将作为重要的广告场地资源,这是不难想象的。(来源:电子产品世界)

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