<電氣自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)>全冊(cè)

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一、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”。

充電交流充電樁經(jīng)過(guò)電動(dòng)汽車內(nèi)置的“車載充電機(jī)”將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電后對(duì)電池充電。車載充電機(jī)（OBC：On Board Charger）目前國(guó)際市場(chǎng)主要有兩種功率大?。?.3kW（輸入：220VAC/16A，輸入：200V-420VDC / 10A）和6.6kW（輸入：220VAC/32A，輸入：200-420V/20A ）。輸入電流小，充電速度慢，所以被稱為“慢充”。交流充電樁依據(jù)其婚配車載充電機(jī)功率不同相應(yīng)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，充電樁自身將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸入電流可以高達(dá)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(jié)構(gòu)方式、裝置方式等不同維度停止分類。其中，按結(jié)構(gòu)方式比擬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。

二、直流充電樁的基本任務(wù)原理

在國(guó)度動(dòng)力局發(fā)布的直流充電樁相關(guān)的行業(yè)規(guī)范《NB/T 33001-2010：電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)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(jì)量單元、充電接口、供電接口及人機(jī)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。直流充電樁自身作為一種系統(tǒng)集成產(chǎn)品，除了 “直流充電模塊”和“充電樁控制器”這兩個(gè)組件構(gòu)成了技術(shù)中心之外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是整樁牢靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。 “充電樁控制器”屬于嵌入式硬件和軟件技術(shù)范圍，“直流充電模塊”則代表了電力電子技術(shù)在AC/DC范圍的*成就。

充電的基本進(jìn)程是： 在電池兩端加載直流電壓，以恒定大電流對(duì)電池充電，電池的電壓漸漸地緩慢地上升，上升到一定水平，電池電壓到達(dá)標(biāo)稱值，SoC到達(dá)95%（針對(duì)不同電池，不一樣）以上，繼續(xù)以恒壓小電流對(duì)電池充電。“電壓上去了，但電量沒(méi)有充溢，就是沒(méi)有空虛，假設(shè)有時(shí)間，可以改用小電流空虛”。 為了完成這個(gè)充電進(jìn)程，充電樁在功用上就需求有“直流充電模塊”提供直流電源;需求有“充電樁控制器”控制充電模塊的“開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、輸入電壓、輸入電流”;需求有“觸摸屏”作為人機(jī)界面下發(fā)指令，經(jīng)過(guò)控制器將“開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、輸入電壓、輸入電流”等指令下發(fā)給充電模塊。從電氣層面了解的*簡(jiǎn)充電樁只需有充電模塊，控制板和觸摸屏就可以了; 假設(shè)開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)和輸入電壓］輸入電流等指令在充電模塊上做成幾個(gè)鍵盤，那么一個(gè)充電模塊就可以對(duì)電池充電了。

直流充電樁的電氣局部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(guò)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，再銜接熔斷器和充電槍，給電動(dòng)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?！笨刂婆c“急停”操作;信號(hào)燈提供“待機(jī)”、“充電”與“充溢”形狀指示;顯示屏作為人機(jī)交互設(shè)備則提供刷卡、充電方式設(shè)置與啟?？刂撇僮?。

關(guān)于直流充電樁的電氣原理，總結(jié)如下：

1.單個(gè)的充電模塊目前只要15kW，不能滿足功率要求，需求多個(gè)充電模塊并聯(lián)在一同任務(wù)，需求有CAN總線來(lái)完成多個(gè)模塊的均流;

2.充電模塊的輸入來(lái)自電網(wǎng)，是大功率供電，觸及到電網(wǎng)和人身平安，特別是人身平安，需求在輸入端裝置空氣開(kāi)關(guān)（學(xué)名是“塑殼斷路器”），防雷開(kāi)關(guān)甚至漏電開(kāi)關(guān);

3.充電樁的輸入是高壓、大電流，電池是電化學(xué)品，容易爆炸，要防止誤操作的平安效果，輸入要有熔斷器;

4.平安效果是*優(yōu)先級(jí)的，除了有輸入端的措施之外，機(jī)械鎖和電子鎖是一定要有的，絕緣檢測(cè)是一定要有的，泄放電阻是一定要有的;

5.電池能否接受充電，這不是由充電樁決議的，是由電池的大腦、BMS決議的。BMS下發(fā)“能否允許充電，能否終止充電，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，需求有完成控制器和BMS之間的CAN通訊，控制器和充電模塊之間的CAN通訊;

6.充電樁還要接受監(jiān)控管理，控制器需求經(jīng)過(guò)WiFi或3G/4G等網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和后臺(tái)銜接;

7.充電的電費(fèi)不是收費(fèi)的，需求裝置電表，需求讀卡器完成計(jì)費(fèi)功用;

8.充電樁殼體上需求有了如指掌的指示燈，通常是三個(gè)指示燈，區(qū)分表示充電、缺點(diǎn)和電源;

9.直流充電樁的風(fēng)道設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。風(fēng)道設(shè)計(jì)除了卻構(gòu)上的學(xué)問(wèn)，需求在充電樁外面裝置有風(fēng)扇，雖然每個(gè)充電模塊外面都有風(fēng)扇。

思索到上述細(xì)節(jié)，直流充電樁作為一個(gè)系統(tǒng)是比擬復(fù)雜的。

圖3給出某單槍直流充電樁更詳細(xì)的電氣原理框圖的主回路電氣原理圖作為設(shè)計(jì)參考。

三、直流充電樁的技術(shù)開(kāi)展趨向

關(guān)于直流充電樁的技術(shù)開(kāi)展趨向，有5個(gè)方向值得關(guān)注：

1.超大功率充電堆-功率靜態(tài)分配-柔性充電

純電動(dòng)公交充電站集中停放、運(yùn)營(yíng)路途充電的特點(diǎn)決議了其充電處置方案能夠朝超大功率充電堆的方向演進(jìn)。純電動(dòng)出租車和物流車甚至也能夠朝這個(gè)方向演進(jìn)。30KW充電模塊需求變得急切，其主要推進(jìn)力就是充電堆的需求正變得急切。

功率靜態(tài)分配*先是某公司提出來(lái)的，每?jī)蓚€(gè)模塊前面用一個(gè)功率繼電器，可以把這兩個(gè)模塊投在左槍也可以投在右槍運(yùn)用;后來(lái)另外一家公司提出新的名詞柔性充電，需求大功率充，電流很大的時(shí)分，將其它模塊投過(guò)去運(yùn)用，小車來(lái)的時(shí)分可以分開(kāi)運(yùn)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外面，所以提出柔性充電概念也說(shuō)的過(guò)去。不同叫法，實(shí)踐上是同一意思。

關(guān)于180kW及以下的直流充電樁，談功率靜態(tài)分配和柔性充電是個(gè)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(diǎn)實(shí)踐意義。

充電堆的運(yùn)用場(chǎng)景是，可以依據(jù)以后待充電車輛數(shù)量來(lái)自動(dòng)分配給每個(gè)車多大功率。這樣確保將充電模塊的功率用到*，在車輛不多的時(shí)分，每輛車被分配的功率很大，可以更快速地充溢。這種運(yùn)用就需求更多的繼電器切換充電模塊的功率流向，這會(huì)添加一些硬件本錢，牢靠性難度也添加了一些，當(dāng)然，也需求對(duì)充電控制器的軟件停止晉級(jí)。

2.社區(qū)停車場(chǎng)環(huán)行智能充電

所謂環(huán)行智能充電，這是個(gè)很時(shí)興的概念。詳細(xì)運(yùn)用場(chǎng)景是：在一個(gè)社區(qū)停車場(chǎng)停放了很多電動(dòng)汽車，中央處置單元自動(dòng)地巡回檢測(cè)每臺(tái)車的電池電量，在夜間自動(dòng)地輪番將每臺(tái)車充溢。這其實(shí)也是一種柔性充電，也需求在社區(qū)停車場(chǎng)裝置超級(jí)充電堆。這種做法的益處是：比交流充電的效率更高，比裝置若干個(gè)直流充電樁，車主排隊(duì)等候直流充電的靈敏性大，本錢也低很多。

3.家用型壁掛式充電樁進(jìn)家用電器

也許我們可以愈加失望，在處置了電力配送之后，就是未來(lái)有才干將中國(guó)過(guò)量的電力供應(yīng)保送到每個(gè)居民小區(qū)的時(shí)分，消費(fèi)者為了追求更快速的充電體驗(yàn)，團(tuán)體可以自主決議是裝置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、美麗。壁掛式直流充電樁將是一種剛需。這種產(chǎn)品的銷售形式就像賣電熱器這類商品一樣，在商場(chǎng)外面賣，在JD，TMALL下面賣。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用做到一個(gè)充電模塊大小的外殼外面，但模具會(huì)做得很精致。隨著電力電子技術(shù)的提高，充電模塊功率密度越來(lái)高，這個(gè)趨向?qū)⒊蔀槟軌颉?/p>

4.“光充儲(chǔ)”充放電一體化

光伏、充電、儲(chǔ)能三者組合在一同的概念曾經(jīng)有了詳細(xì)的產(chǎn)品，就是PowerWall，未來(lái)PowerWall進(jìn)一步開(kāi)展，構(gòu)成新型充電站形狀，電能在光伏電池板、電動(dòng)汽車、電網(wǎng)、儲(chǔ)能電池四者之間自在地活動(dòng)。直流充電樁既可以由電網(wǎng)提供電能給電動(dòng)汽車充電，也可由光伏電池板提供，還可以由儲(chǔ)能電池提供。儲(chǔ)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)。

5.共享充電、收費(fèi)充電

假設(shè)以互聯(lián)網(wǎng)的共享思想來(lái)思索未來(lái)，任何團(tuán)體裝置的充電樁可以提供應(yīng)任何其他車主充電，也就是說(shuō)一切的充電樁都是可以隨時(shí)開(kāi)放的。經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)工具，車主很容易找到閑置的團(tuán)體充電樁。

未來(lái)充電站能夠在互聯(lián)網(wǎng)的思想下做成了O2O的Off-Line的重要銜接節(jié)點(diǎn)，只需有車主來(lái)充電，能夠就要在充電站等候15分鐘。充電站將作為重要的廣告場(chǎng)地資源，這是不難想象的。

四、直流充電樁任務(wù)原理及罕見(jiàn)缺點(diǎn)剖析

直流充電樁外部普通由計(jì)費(fèi)控制單元、讀卡器、LCD、無(wú)線模塊、電源模塊、電表和非車載充電機(jī)組成。非車載充電機(jī)提供交直流變換功用，其他設(shè)備提供計(jì)費(fèi)、通訊、人機(jī)交互等功用。即直流充電模型：

左邊是非車載充電機(jī)（即直流充電樁），左邊是電動(dòng)汽車，二者經(jīng)過(guò)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(jī)”、“車輛接口”、“電動(dòng)汽車”這三局部構(gòu)成，所以充電異常中止基本也由這三局部引發(fā)，那么接上去我們將對(duì)這三局部停止“體檢”剖析。 *類病癥：非車載充電機(jī)局部惹起的充電異常中止?fàn)顩r。

在充電進(jìn)程中，假設(shè)非車載充電機(jī)出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的缺點(diǎn)（如充電樁不測(cè)進(jìn)水或異物進(jìn)入、環(huán)境溫度驟變等），則向車輛周期發(fā)送“充電機(jī)中止充電報(bào)文”并控制充電機(jī)中止充電，在100ms內(nèi)斷開(kāi)K1、K2、K3和K4；

在充電進(jìn)程中，非車載充電機(jī)控制裝置如發(fā)作通訊超時(shí)（如通訊線路缺點(diǎn)等），則非車載充電機(jī)中止充電，并在10s內(nèi)斷開(kāi)K1、K2、K5、K6，非車載充電機(jī)控制裝置發(fā)作3次通訊超時(shí)即確認(rèn)通訊中綴，則非車載充電機(jī)中止充電，并在10s內(nèi)斷開(kāi)K1、K2、K3、K4、K5、K6；

在充電進(jìn)程中，非車載充電機(jī)輸入電壓若大于車輛*允許充電總電壓（如充電樁輸入限壓功用失效等），則非車載充電機(jī)應(yīng)該在1s內(nèi)中止充電，并斷開(kāi)K1、K2、K3、K4；

第二類病癥：車輛插頭、車輛插座惹起的充電異常中止?fàn)顩r。

在充電進(jìn)程中，非車載充電機(jī)控制裝置經(jīng)過(guò)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)1的電壓停止檢測(cè)，假設(shè)判別開(kāi)關(guān)S由閉合變?yōu)閿嚅_(kāi)（如充電槍上按鍵失靈或誤觸發(fā)等），應(yīng)在50ms內(nèi)將輸入電流降至5A或以下；

在充電進(jìn)程中，非車載充電機(jī)控制裝置經(jīng)過(guò)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)1的電壓停止檢測(cè)，假設(shè)判別車輛接口由完全銜接變?yōu)閿嚅_(kāi)（如車輛不測(cè)移動(dòng)、充電槍線纜被不測(cè)擾動(dòng)等），則控制非車載充電機(jī)中止充電，應(yīng)在100ms內(nèi)斷開(kāi)K1、K2、K3、K4。

第三類病癥：電動(dòng)汽車惹起的充電異常中止?fàn)顩r。

在充電進(jìn)程中，假設(shè)車輛出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的缺點(diǎn)（如BMS系統(tǒng)誤報(bào)電池實(shí)時(shí)形狀、車輛控制裝置誤關(guān)斷充電回路接觸器等），則向非車載充電機(jī)發(fā)送“車輛中止充電報(bào)文”，并在300ms（由車輛依據(jù)缺點(diǎn)嚴(yán)重水平?jīng)Q議）內(nèi)斷開(kāi)K5和K6。