新能源汽车直流充电桩工作原理及常见故障分析

新能源汽车直流充电桩工作原 理及常见故障分析 一、充电桩的分类 交流充电桩通过与车辆进行信息交互把电网的交流电配送给车辆的充 电模块，由车辆上的充电模块控制功率进行交流转直流给动力电池充 电； 交流充电桩用的交流充电枪上有 7 个端子孔位，7 个孔位都有金属端 子的是支持三相交流充电桩（380V），7 个孔位只有 5 个孔位有金属 端子的是单相交流充电桩（220V），交流充电枪对比直流充电枪枪头 较小。 直流充电桩通过与车辆进行信息交互把电网的交流电转成直流电给车 辆的动力电池进行充电，根据车辆上的电池管理器控制充电桩的输出 功率； 直流充电桩用的直流充电枪上有 9 个端子孔位，直流充电枪对比交流 充电枪枪头较大。 二、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： . 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; . 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; . 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; . 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； . 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； . 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; . 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; . 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; . 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。 三、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： 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。 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.家用型壁挂式充电桩进家用电器 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。 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。 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。 四、直流充电桩工作原理及常见故障分析 直流充电桩内部一般由计费控制单元、读卡器、LCD、无线模块、电 源模块、电表和非车载充电机组成。非车载充电机提供交直流变换功 能，其他设备提供计费、通信、人机交互等功能。即直流充电模型： ▲ 图 1 直流充电模型 左边是非车载充电机（即直流充电桩），右边是电动汽车，二者通过 车辆插头、插座相连。我们可以很清楚的看到，充电模型主要由“非 车载充电机”、“车辆接口”、“电动汽车”这三部分构成，所以充 电异常中止基本也由这三部分引发，那么接下来我们将对这三部分进 行“体检”分析。第一类病症：非车载充电机部分引起的充电异常中 止情况。 ▲ 图 2 非车载充电机异常 在充电过程中，如果非车载充电机出现不能继续充电的故障（如充电 桩意外进水或异物进入、环境温度骤变等），则向车辆周期发送“充 电机中止充电报文”并控制充电机停止充电，在 100ms 内断开 K1、K2、K3 和 K4； ▲ 图 3 非车载充电机故障 在充电过程中，非车载充电机控制装置如发生通讯超时（如通讯线路 故障等），则非车载充电机停止充电，并在 10s 内断开 K1、K2、K5、K6，非车载充电机控制装置发生 3 次通讯超时即确认 通讯中断，则非车载充电机停止充电，并在 10s 内断开 K1、K2、K3、K4、K5、K6 ； ▲ 图 4 非车载充电机通讯异常 在充电过程中，非车载充电机输出电压若大于车辆最高允许充电总电 压（如充电桩输出限压功能失效等），则非车载充电机应该在 1s 内停 止充电，并断开 K1、K2、K3 、K4； ▲ 图 5 非车载充电机输出电压 车辆最高允许充电电压 第二类病症：车辆插头、车辆插座引起的充电异常中止情况。 ▲ 图 6 车辆插头| 车辆插座异常 在充电过程中，非车载充电机控制装置通过对检测点 1 的电压进行检 测，如果判断开关 S 由闭合变为断开（如充电枪上按键失灵或误触发 等），应在 50ms 内将输出电流降至 5A 或以下； ▲ 图 7 车辆插头内部常闭开关 S 断开 在充电过程中，非车载充电机控制装置通过对检测点 1 的电压进行检 测，如果判断车辆接口由完全连接变为断开（如车辆意外移动、充电 枪线缆被意外扰动等），则控制非车载充电机停止充电，应在 100ms 内断开 K1、K2、K3、 K4。 ▲ 图 8 车辆接口断开 第三类病症：电动汽车引起的充电异常中止情况。 ▲ 图 9 电动汽车异常 在充电过程中，如果车辆出现不能继续充电的故障（如 BMS 系统误报 电池实时状态、车辆控制装置误关断充电回路接触器等），则向非车 载充电机发送“车辆中止充电报文”，并在 300ms（由车辆根据故障 严重程度决定）内断开 K5 和 K6。 ▲ 图 10 车辆出现不能继续充电的故障