【干貨】淺談直流充電樁原理及未來
隨著科技的進步，未來的汽車行業(yè)新能源的自動駕駛汽車肯定會是主流。既然是主角，那么作為它的動力提供者充電樁就是必不可少的一部分，充電樁作為電動汽車產(chǎn)業(yè)的基礎設施建設越來越受到中央和地方政府的重視。今
2016年11月7日，國家發(fā)改委、國家能源局召開新聞發(fā)布會，對外正式發(fā)布《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出加快充電設施建設，促進電動汽車發(fā)展：到2020年，新增集中式換電站超過1.2萬座，分布式充電樁超過480萬個，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎設施體系，滿足全國超過500萬輛電動汽車的充電需求。有專家預測，到2030年，新能源汽車的推廣量將達到5000萬輛。由此推算，到2020年需要2萬座充電站、507萬個充電樁;2030年建14萬座充電站、5000萬個充電樁。一線城市北京、上海、深圳都積極響應電動汽車的國家戰(zhàn)略政策，紛紛出臺政策規(guī)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網(wǎng)絡，可保障60萬輛電動汽車的充電需求，重點區(qū)域的充電服務半徑小于0.9公里。根據(jù)“十三五”規(guī)劃，上海將全面建成651座公共充電站、39座公交車充電站、225座出租車充電站及3495臺環(huán)衛(wèi)物流專用充電樁。
2017年8月9日，安徽省發(fā)展和改革委員會、安徽省能源局、安徽省經(jīng)濟和信息化委員會、安徽省財政廳、安徽省住房和城鄉(xiāng)建設廳、安徽省交通運輸廳、安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、安徽省物價局聯(lián)合印發(fā)《安徽省電動汽車充電基礎設施建設規(guī)劃（2017-2020年）的通知》，通知中指出，至2020年，建成公交車專用充換電站200座，環(huán)衛(wèi)、物流等專用車充電站100座，城市公共充電站130座，分散式公共充電樁3萬個，公務車與私家車分散式自用充電樁15萬個，城際快充站170座，為滿足20萬輛以上電動汽車充電需求。
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(shù)普通消費者，充電樁還是一個新生事物，相關(guān)的專業(yè)文章也還很少。本文將介紹充電樁的分類及直流充電樁的基本工作原理。
1 充電樁的分類
充電樁分為交流充電樁和直流充電樁。前者俗稱“慢充”，后者俗稱“快充”。
充電交流充電樁通過電動汽車內(nèi)置的“車載充電機”將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對電池充電。車載充電機（OBC：OnBoardCharger）目前國內(nèi)市場主要有兩種功率大小：3.3kW（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，所以被稱為“慢充”。交流充電樁根據(jù)其匹配車載充電機功率不同相應有3.3kW和6.6kW之分。直流充電樁內(nèi)置大功率直流充電模塊，充電樁本身將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸出電流可以高達100A以上，所以被稱為“快充”。交流充電樁和直流充電樁對電動汽車的充電方式如圖1所示。
直流充電樁可以從功率大小、充電槍的多少、結(jié)構(gòu)形式、安裝方式等不同維度進行分類。其中，按結(jié)構(gòu)形式比較主流的分類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/T33001-2010：電動汽車非車載傳導式充電機技術(shù)條件》中指出，直流充電樁基本構(gòu)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(tǒng)集成產(chǎn)品，除了“直流充電模塊”和“充電樁控制器”這兩個組件構(gòu)成了技術(shù)核心之外，結(jié)構(gòu)設計也是整樁可靠性設計的關(guān)鍵點之一。“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AC/DC領域的最高成就。
充電的基本過程是：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，電池電壓達到標稱值，SoC達到95%（針對不同電池，不一樣）以上，繼續(xù)以恒壓小電流對電池充電。“電壓上去了，但電量沒有充滿，就是沒有充實，如果有時間，可以改用小電流充實”。為了實現(xiàn)這個充電過程，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，通過控制器將“開機、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充電樁只要有充電模塊，控制板和觸摸屏就可以了;如果開機、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鍵盤，那么一個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(zhuǎn)換為電池可以接受的直流電，再連接熔斷器和充電槍，給電動汽車充電。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“啟停”控制與“急停”操作;信號燈提供“待機”、“充電”與“充滿”狀態(tài)指示;顯示屏作為人機交互設備則提供刷卡、充電方式設置與啟停控制操作。
關(guān)于直流充電樁的電氣原理，總結(jié)如下：
1.單個的充電模塊目前只有15kW，不能滿足功率要求，需要多個充電模塊并聯(lián)在一起工作，需要有CAN總線來實現(xiàn)多個模塊的均流;
2.充電模塊的輸入來自電網(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關(guān)（學名是“塑殼斷路器”），防雷開關(guān)甚至漏電開關(guān);
3.充電樁的輸出是高壓、大電流，電池是電化學品，容易爆炸，要防止誤操作的安全問題，輸出要有熔斷器;
4.安全問題是最高優(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，需要有實現(xiàn)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(jiān)控管理，控制器需要通過WiFi或3G/4G等網(wǎng)絡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，需要讀卡器實現(xiàn)計費功能;
8.充電樁殼體上需要有一目了然的指示燈，通常是三個指示燈，分別表示充電、故障和電源;
9.直流充電樁的風道設計是關(guān)鍵。風道設計除了結(jié)構(gòu)上的學問，需要在充電樁里面安裝有風扇，雖然每個充電模塊里面都有風扇。
考慮到上述細節(jié)，直流充電樁作為一個系統(tǒng)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個方向值得關(guān)注：
3.1超大功率充電堆-功率動態(tài)分配-柔性充電
純電動公交充電站集中停放、運營路線充電的特點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。純電動出租車和物流車甚至也可能朝這個方向演進。30KW充電模塊需求變得急迫，其主要推動力就是充電堆的需求正變得急迫。
功率動態(tài)分配最先是某公司提出來的，每兩個模塊后面用一個功率繼電器，可以把這兩個模塊投在左槍也可以投在右槍使用;后來另外一家公司提出新的名詞柔性充電，需要大功率充，電流很大的時候，將其它模塊投過來使用，小車來的時候可以分開使用，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的過去。不同叫法，實際上是同一意思。
對于180kW及以下的直流充電樁，談功率動態(tài)分配和柔性充電是個偽需求，甚至分體式的意義都不大，但是雙槍輪充和均充也許有點實際意義。
充電堆的應用場景是，可以根據(jù)當前待充電車輛數(shù)量來自動分配給每個車多大功率。這樣確保將充電模塊的功率用到極致，在車輛不多的時候，每輛車被分配的功率很大，可以更快速地充滿。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行升級。
3.2社區(qū)停車場環(huán)行智能充電
所謂環(huán)行智能充電，這是個很時髦的概念。具體應用場景是：在一個社區(qū)停車場停放了很多電動汽車，中央處理單元主動地巡回檢測每臺車的電池電量，在夜間自動地輪流將每臺車充滿。這其實也是一種柔性充電，也需要在社區(qū)停車場安裝超級充電堆。這種做法的好處是：比交流充電的效率更高，比安裝若干個直流充電樁，車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家用電器賣場，進家庭
也許我們可以更加樂觀，在解決了電力配送之后，就是將來有能力將中國過量的電力供應輸送到每個居民小區(qū)的時候，消費者為了追求更快速的充電體驗，個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)品的銷售模式就像賣電熱器這類商品一樣，在商場里面賣，在JD，TMALL上面賣。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充電模塊大小的外殼里面，但模具會做得很精致。隨著電力電子技術(shù)的進步，充電模塊功率密度越來高，這個趨勢將成為可能。
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PowerWall進一步發(fā)展，構(gòu)成新型充電站形態(tài)，電能在光伏電池板、電動汽車、電網(wǎng)、儲能電池四者之間自由地流動。直流充電樁既可以由電網(wǎng)提供電能給電動汽車充電，也可由光伏電池板提供，還可以由儲能電池提供。儲能電池，電池汽車電池和光伏電池板的電能也可以賣給電網(wǎng)。
3.5共享充電、免費充電
如果以互聯(lián)網(wǎng)的共享思維來思考未來，任何個人安裝的充電樁可以提供給任何其他車主充電，也就是說所有的充電樁都是可以隨時開放的。通過互聯(lián)網(wǎng)工具，車主很容易找到閑置的個人充電樁。
將來充電站可能在互聯(lián)網(wǎng)的思維下做成了O2O的Off-Line的重要連接節(jié)點，只要有車主來充電，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地資源，這是不難想象的。
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