直流充电桩------电动汽车的“高效加油站”

第一部分：直流充电桩的构造

 

直流充电桩又称“非车载充电机”，对应于电动汽车内车载充电机的充电设施，其功能类似于加油站里面的加油机。根据对电动汽车的充电方式，充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两大类。交流充电桩主要安装在停车场，造价低廉，适合家用，给普通纯电动轿车充满电需要4~5个小时，俗称“慢充”。直流充电桩具备直接给电池充电的能力，以三相四线制的方式连接电网，能够提供充足的电力，输出的电压和电流调整范围大，俗称“快充”。本文将重点介绍直流充电桩。

 

直流充电系统是一个整体，是把交流功率系统转化成直流的装置。从构成开看，分变压器、配电柜、直流充电机和充电桩。其特点是：

充电桩只负责与车辆对接和传输能量，损耗较小

配电系统的设计主要是配线、计量和熔丝保护，可以在一个设计单元中扩展和检查

直流充电机与充电桩一一配置，远离客户，走线通过地下传输

 

充电电源模块：完成AC=>DC的电压和能量转换

智能控制模块：包含电源供给和控制部分，基本的功能是完成与电动汽车通信，根据电动汽车的需要来实现充电控制的功能

远程监控：需要接收远程监控主机的指令，传送相关数据信息，执行控制指令

温度控制：现有功率比较大时，充电电源模块需要散热功能温度控制

直流负载接触器

漏电保护器：保证交流端和直流端的绝缘检测

计费模块：按照国标要求，完成对电能的计量。按照现有的实际情况，一般计费模块包含两部分，与电能表通信，获取充电电量信息，与智能模块进行通信，供给刷卡、二维码计费等信息

HMI&显示屏：为直流充电桩对外交互的接口，给用户输入信息和显示状态的接口，由于现在普遍支持多种支付的接口（银行卡、IC卡、二维码等内容），也作为HMI的一部分，读取卡内信息，识别用户身份及相关信息，这也是重要的组成部分

 

从充电电源模块而言，分为整流、PFC、DC/DC变压几个部分，有1~2独立的控制器整流和变压部分，针对充电机系统，罗姆可提供以下解决方案及元器件：

 

SiC-SBD：罗姆不断改善元器件工艺，随着产品的更新换代，实现了低VF。开发出使用SiC的SBD（肖特基势垒二极管），最适合PFC（Power Factor Correction）电路及逆变器用途。实现了Si-FRD（Fast Recovery Diodes）难以实现的极短的反向恢复时间（trr），使得高速开关成为可能。由于反向恢复电荷量（Qrr）小，为降低开关损耗和设备小型化做出贡献。

 

GateDriver：内置绝缘元器件的栅极驱动器，可实现与SiC相应的高速工作，输入输出延迟时间为Max.150ns的高速工作，使用无铁芯变压器，内置2,500Vrms绝缘元器件，利用独创的噪声消除技术实现了共模抑制，支持高VGS、负电源※BM6101FV-C，BM6104FV-C

 

第二部分：充电桩的实际工作过程

 

车辆与充电桩的交互 · 准备阶段主要分三步

 

第一步，车辆接口连接确认阶段：当我们按下枪头按键，插入车辆插座，再放开枪头按键。直流充电桩将检测到直流充电枪插入的过程（12V-6V-4V）的电平变化。充电桩检测到充电枪插入成功，判定车辆接口完全连接，充电枪中的电子锁会进行锁止，防止枪头脱落。

 

第二步，直流充电桩自检阶段：在车辆接口完全连接后，充电桩将闭合K3、K4，使低压辅助供电回路导通（车辆将根据监测点2的电压判断车辆接口是否连接，若电压值为6V，则车辆装置开始周期发送通信握手报文），接着闭合K1、K2，进行绝缘检测（即检测DC线路的绝缘电阻），保证后续充电过程的安全性。绝缘检测结束后，将投入泄放回路泄放能量，并断开K1、K2，同时开始周期发送通信握手报文。

 

第三步，充电准备就绪阶段：电动汽车与直流充电桩相互配置的阶段，车辆控制K5、K6闭合，使充电回路导通，充电桩检测到车辆端电池电压正常（电压与通信报文描述的电池电压误差≤±5%，且在充电桩输出最大、最小电压的范围内）后闭合K1、K2，那么直流充电线路导通，电动汽车就准备开始充电了。

 

充电阶段：车辆向充电桩实时发送电池充电需求的参数，充电桩会根据该参数实时调整充电电压和电流，并相互发送各自的状态信息（充电桩输出电压电流、车辆电池电压电流、SOC等）。这里是由车辆根据自身的情况向充电机索取电流。

 

充电结束阶段：车辆会根据电池管理系统计算得到的电池状态来判断是否结束充电。

车辆会发送“车辆中止充电报文”，在确认充电电流小于5A后断开K5、K6。

充电桩在达到充电桩设定的充电结束条件，或车辆发来的“车辆中止充电报文”后，控制充电桩停止充电，在确认充电电流小于5A后断开K1、K2，并再次投入泄放电路，然后再断开K3、K4。

 

第三部分：直流充电桩的分布和未来发展

 

从全球来看， 2015年充电供电设施（包含四种充电模式，1&2为线缆，3&4分别为交流和直流充电桩）总数达145万个,公共充电站19万个,慢充交流桩超过161802个,快充桩超过27707个,私人充电设施126万个.备注：这里的数据是EVI提供，IEA分析的，估计分析值全球电动汽车保有量为126万辆完全一致，存在一些考虑。特别是评估2015年底，中国有25%的自有桩，31.5万充电桩，这里明显有些高估了。

 

从整个城市来看，我们可以分两类，

1）目的地充电：购物场所、名胜观光区、游乐场、医院、公园、美术馆、高尔夫球场、旅馆、酒店、饭馆。

2）应急充电：加油站、高速公路、高架道路、铁路、空港。

 

从性质上分，运营实体都在尝试，车主在哪里，车主会在哪些地方大量使用充电桩，如果这个利用率提不上去，也就完全没有安装充电桩的商业可能性。

 

应急的充电站，其实是一个双刃剑。要车主等在边上不能久离的。有个很有趣的概念是，车主在快速充电的时候干嘛，说到底，应急充电也要给车主一个目的性他才会常去，否则这些应急的利用率就可想而知。

 

未来很长一段时间，车企都在解决两个和充电桩密切相关的问题，第一个是通过不断提高电池的容量来不断加大车辆的续航里程；第二个是尽可能缩短充电时间，目前一两个小时的快充，未来有可能要控制在十分钟之内。对于未来的充电桩提出了更高的挑战，未来直流充电桩的最高充电功率是设计成350kW

 

今日小结：经过品牌电动汽车的长期市场教育，中国消费者已经了解并接受电动汽车，多地政府也最大限度地赋予电动汽车在上牌指标、购置补贴、城市道路不限行等政策性优惠和倾斜，也使得电动车市场愈见火热。同时，新能源汽车的“充电难”也日益突显，为缓解城市范围内电动汽车车主的“缺电焦虑”，必将在城区主要路段升级覆盖直流充电桩，这必然孕育着直流充电桩的广阔发展前景，在未来的电动汽车的发展中非常重要，有着广阔的发展前景。