充電樁原理圖-直流充電樁工作原理及常見故障分析和趨勢-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-05-28
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置的“車載充電機”將電網(wǎng)的交流電轉換為直流電后對電池充電。車載充電機（OBC：On Board Charger）目前國內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，所以被稱為“快充”。
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行分類。其中，按結構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。
在國家能源局發(fā)布的直流充電樁相關的行業(yè)標準《NB/T 33001-2010：電動汽車非車載傳導式充電機技術條件》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(tǒng)集成產(chǎn)品，除了 “直流充電模塊”和“充電樁控制器”這兩個組件構成了技術核心之外，結構設計也是整樁可靠性設計的關鍵點之一。 “充電樁控制器”屬于嵌入式硬件和軟件技術范疇，“直流充電模塊”則代表了電力電子技術在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。
關于直流充電樁的電氣原理，總結如下：
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（學名是“塑殼斷路器”），防雷開關甚至漏電開關;
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鍵。風道設計除了結構上的學問，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。
關于直流充電樁的技術發(fā)展趨勢，有5個方向值得關注：
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。
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。
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。隨著電力電子技術的進步，充電模塊功率密度越來高，這個趨勢將成為可能。
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)。
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。
直流充電樁內部一般由計費控制單元、讀卡器、LCD、無線模塊、電源模塊、電表和非車載充電機組成。非車載充電機提供交直流變換功能，其他設備提供計費、通信、人機交互等功能。即直流充電模型：
圖1直流充電模型
左邊是非車載充電機（即直流充電樁），右邊是電動汽車，二者通過車輛插頭、插座相連。我們可以很清楚的看到，充電模型主要由“非車載充電機”、“車輛接口”、“電動汽車”這三部分構成，所以充電異常中止基本也由這三部分引發(fā)，那么接下來我們將對這三部分進行“體檢”分析。 第一類病癥：非車載充電機部分引起的充電異常中止情況。
圖2非車載充電機異常
在充電過程中，如果非車載充電機出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的故障（如充電樁意外進水或異物進入、環(huán)境溫度驟變等），則向車輛周期發(fā)送“充電機中止充電報文”并控制充電機停止充電，在100ms內斷開K1、K2、K3和K4；
圖3非車載充電機故障
在充電過程中，非車載充電機控制裝置如發(fā)生通訊超時（如通訊線路故障等），則非車載充電機停止充電，并在10s內斷開K1、K2、K5、K6，非車載充電機控制裝置發(fā)生3次通訊超時即確認通訊中斷，則非車載充電機停止充電，并在10s內斷開K1、K2、K3、K4、K5、K6；
圖4非車載充電機通訊異常
在充電過程中，非車載充電機輸出電壓若大于車輛最高允許充電總電壓（如充電樁輸出限壓功能失效等），則非車載充電機應該在1s內停止充電，并斷開K1、K2、K3、K4；
圖5非車載充電機輸出電壓>車輛最高允許充電電壓
第二類病癥：車輛插頭、車輛插座引起的充電異常中止情況。
圖6車輛插頭|車輛插座異常
在充電過程中，非車載充電機控制裝置通過對檢測點1的電壓進行檢測，如果判斷開關S由閉合變?yōu)閿嚅_（如充電槍上按鍵失靈或誤觸發(fā)等），應在50ms內將輸出電流降至5A或以下；
圖7車輛插頭內部常閉開關S斷開
在充電過程中，非車載充電機控制裝置通過對檢測點1的電壓進行檢測，如果判斷車輛接口由完全連接變?yōu)閿嚅_（如車輛意外移動、充電槍線纜被意外擾動等），則控制非車載充電機停止充電，應在100ms內斷開K1、K2、K3、K4。
圖8車輛接口斷開
第三類病癥：電動汽車引起的充電異常中止情況。
圖9電動汽車異常
在充電過程中，如果車輛出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的故障（如BMS系統(tǒng)誤報電池實時狀態(tài)、車輛控制裝置誤關斷充電回路接觸器等），則向非車載充電機發(fā)送“車輛中止充電報文”，并在300ms（由車輛根據(jù)故障嚴重程度決定）內斷開K5和K6。
圖10車輛出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的故障
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