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直流充电桩概述

2019-6-5 13:21:35      点击:
  1.什么叫直流充电桩
  2.直流充电桩的分类
  3.直流充电桩的相关标准
  4.直流充电桩的基本构成及基本工作原理
  5.直流充电桩的发展趋势 
  (1)超大功率充电堆-功率动态分配-柔性充电
  (2)社区停车场环行智能充电
  (3)家用型壁挂式充电桩进家用电器卖场,进家庭
  (4)“光充储”充放电一体化
  (5)共享充电、免费充电
  文中抛出了11个关于充电桩设计的技术问题,充电桩同行技术从业者需要对此感兴趣:
  1.充电模块组的输出端是否可以只用一个熔断器? 是否可以只用一个直流接触器?
  2.直流接触器是否可以不通过继电器来控制,直接由控制器的I/O信号来控制?
  3.辅助电源的输入端加了漏电开关,这是否可以省去? 三相交流输入端却没有加漏电开关,这是否可以接受?
  4.风扇是否可以不用继电器控制?
  5.辅助电源是否可以由两个合并为一个? 
  6.是否可以只要一种12V的辅助电源?
  7.电子锁是否可以不用通过继电器切合?
  8.图中没有电压和电流检测单元,这是否可以接受? 
  9.电表在采集电压和电流信息,BMS也在采集电压和电流信息,每个充电模块本身也给充电控制器上报电压和电流信息,他们之间的差异是什么?
  10.充电模块组整体端接了一个120欧电阻,那么在充电模块内部是否需要在每个模块CAN输出接口端接120欧电阻匹配?
  11.图中总共用了几个CAN通讯口?几个RS485通讯口?如果是双枪,需要几个CAN通讯口?
    
  1.什么叫直流充电桩
  笔者没有考证出“直流充电桩”这个词最早是怎么出现的。在一些国家标准、行业标准中,相类似的名词术语是“非车载充电机”,“非车载传导式充电机”,“传导充电系统”,“电池汽车直流充电系统”等,“桩”这个字也许很难上大雅之堂?但是,在国内的行业语境中,人们已经习惯叫“直流充电桩”,而不是叫“直流充电机”或“非车载充电机”;“车载充电机”则成了一个固定的术语,而且和国际上的表述On-boardCharger是一致的。 
  在能源局颁发的行业标准《NB/T33001-2010:电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中,对于“非车载充电机”给出了这样的定义: 
  非车载充电机:固定安装在地面,将电网交流电能变换为直流电能,采用传导方式为电动汽车动力蓄电池充电的专用装置。 (用了“蓄电池“这个字样,让人不舒服,可能是因为这个标准比较老了。) 
  在业内人士逐字研读、最受关注的国家标准《GB/T18487.1-2015:电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》中,没有专门定义“非车载充电机”术语,但它对“充电”术语给了定义。这个定义很不接地气,很别扭,像是从英文“直译”过来的:
  充电:将交流或直流电网(电源)调整为校准的电压/电流,为电动汽车动力电池提供电能,也可额外地为车载电气设备供电。 
  直流充电桩,俗称“快充”,顾名思义,就是可以快速地对电动汽车充电。特斯拉取了个名字“SuperCharger”,翻译为中文是“超级充电桩”之意。国外是似乎已将超级充电桩作为直流充电桩的代名词了,笔者看到ABB发布的新产品新闻稿标题也就叫SuperCharger。 
   “快充”有多快?主要取决于充电桩的功率大小和电池的充电倍率。一个简单的算术题:假如以250A电流给287KWh的纯电动大巴充电,电池电压标称值为556.8V,多长时间可以充满,需要多大功率的充电桩?(“充满”不是一个严肃的学术概念。专业的表达应该是,充电80%SOC之类的。实际使用中,也不可能是电池的电被放光了再充电,往往是“补电”,每次补上60%SOC的电。) 
  充电的过程中电池电压其实是在变化的,我们就以556.8V这个固定的电压估算,250A*556.8V=139200W,因此,需要150KW的充电桩。有了150KW的充电桩,它能输出多大的电流呢? 高斯宝电气“充电桩之芯”的单个功率是15KW,是一种“恒功率充电模块”,对于750V模块,它可以在200V-600V范围之内恒定输出25A电流。150KW充电桩是10个“充电桩之芯”组成的,正好可以输出250A电流,粗略估算,它充满287KWh的大巴需要将近2小时(287KWh/150KW=1.913小时)。这并不够快!所以,对于纯电动大巴的充电方案,其技术路线还在演进中。
     
  2.直流充电桩的分类
  可以从功率大小、充电枪的多少、结构形式、安装方式等不同维度对直流充电桩进行分类:
  功率大小:
  现在主流的充电桩功率大小有30KW、60KW、120KW、150KW、180KW等。出租车、物流车、乘运车一般使用30KW、60KW的,公交大巴则使用120KW甚至更大功率的。因为充电模块主流的都是15KW了,所以充电桩的功率总是15KW的倍数。功率大小的不同也许不能算为一种分类方式,只是代表了充电桩的规格。 
  充电枪的多少:
  直流充电桩通常有单枪和双枪之分。从市场的需求和实用角度来看,将来应该是双枪为主,因为单枪的效益太低:安装了一个充电桩,占了那么大的空间,花费那么多费用,同时能给两辆车充电不是更好吗?当然,除了双枪还可以有更多的枪。
  双枪充电有轮充和均充之分。譬如180KW的充电桩,当只给一辆车充电时,一个枪上的功率是180KW,这是轮充;给两辆车充电时,两个枪上的功率分别是90KW,这是均充。
  结构形式:
  一直以来,比较主流的分类是将直流充电桩分为两种:一体式直流充电桩和分体式直流充电桩。
  所谓一体式,就是充电桩的所有构成单元是一体的。分体式则将控制单元、计费单元、充电接口、人机交互界面等部分单独做到一起,这部分除了充电枪之外都是弱电部分电路,将功率单元主要包括充电模块,强电的配电电路部分等集中在一起,对于超大功率的充电桩,采取这种方式的比较多。
  功率更大的充电桩甚至被定义为另外一种产品形态,被称为“充电堆”,总功率高达几百KW的充电模块集中在一起,看起来像一个集装箱一样,从这个超大的箱体中拉出2个或者更多的充电枪,形成多个充电终端。
  安装方式: 
  大多数直流充电桩是落地式的,不管是一体式还是分体式都是落地的,甚至在前述的行业标准中,对“非车载充电机”的定义就是“固定安装在地面”。但是,在其它的一些应用场合也需要便携式和移动式。
  便携式充电桩外形小巧,安装有滑轮及电源电线,可根据需要移动到充电的位置。适合于乘用型电动汽车充电。壁挂式充电桩安装在墙上,不占用车辆停车空间,适合于家庭和公共停车场、居民小区。 
  3.直流充电桩的相关标准
  和直流充电桩相关的标准有三类:国家标准、行业标准和企业标准。
  国家标准:
  由中国电力企业联合会提出并归口,以国家标准形式发布的直流充电桩相关的国家标准有四个:
  1.GB/T18487.1-2015:电动汽车传导充电系统 第1部分:通用要求
  2.GB/T20234.1-2015:电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求
  3.GB/T20234.3-2015:电动汽车传导充电用连接装置第3部分:直流充电接口
  4.GB/T27930-2015:电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议
  此外,还有一个和交流充电桩相关的标准:
  5.GB/T20234.2-2015:电动汽车传导充电用连接装置第2部分:交流充电接口
  行业标准:
  由中国电力企业联合会提出,由能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会归口,由国家能源局发布的直流充电直流充电桩相关的行业标准有二个:
  1.NB/T33001-2010:电动汽车非车载传导式充电机技术条件
  2.NB/T33008.1-2013电动汽车充电设备检验试验规范第1部分:非车载充电机
  企业标准:
  由国家电网公司营销部提出,由国家电网公司科技部归口,由国家电网公司发布的直流充电桩相关的企业标准有三个:
  1.Q/GDW1233-201:电动汽车非车载充电机通用要求
  2.Q/GDW1235-2014:电动汽车非车载充电机-通信协议
  3.Q/GDW1591-2014:电动汽车非车载充电机检验技术规范
  此外,国家电网还发布了针对计费控制单元与充电控制器通信协议标准。 
  由南方电网公司生产设备管理部归口,南方电网公司发布的直流充电桩企业标准有二个:
  1. Q/CSG1211013-2016:电动汽车非车载充电机技术规范
  2.电动汽车非车载充电机检验技术规范
  此外,南方电网公司还发布了和交流充电桩相关的技术规范《Q/CSG1211013-2016:电动汽车交流充电桩技术规范》 
  以上充电桩相关标准在网上容易搜索到。各位如果需要,可以来电来函向我索取,联系方式见上面署名栏。
  4. 直流充电桩的基本构成及基本工作原理
  在NB/T33001-2010标准中指出,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。
  根据各种标准设计出的直流充电桩,早期是五花八门的,主要差别在于强电的各种开关、继电器、接触器、漏电保护器、防雷等细节不太一样。随着直流充电桩的普及,直流充电桩的具体设计细节逐渐雷同。网络上可以找到直流充电桩的结构图和原理框图。将来这类信息更加变得没有任何保密价值。 
  直流充电桩本身作为一种系统集成产品,除了“充电桩之核”和“充电桩之芯”这两个技术核心之外,主要的设计难点在于结构设计,风道设计是整桩可靠性设计的关键点之一,此外,还包括“防尘、防水”和“防潮湿、防霉变、防盐雾、防腐蚀”设计。 
  “充电桩之核”是比较基础的嵌入式硬件和软件技术,“充电桩之芯”则代表了电力电子技术在AC/DC领域的最高成就。充电桩的产业链包括五个部分,详情请看笔者的《充电桩之芯系列之四:云-核-芯-桩-站:充电桩产业链,专注还是整合?-怎么玩?》
  “充电桩之芯”对于整个直流充电桩的意义,就如DSP芯片之于DSP控制产品的意义。如果将“充电桩之芯”比作一颗关键“芯片”,高斯宝电气有义务提供基于芯片的参考设计,包括提供源于长期市场检验的充电桩系统原理图,结构图和BOM清单,提供市场上久经考验的直流充电桩控制器方案,提供充电站运营管理云平台方案。 
  充电的过程似乎本不该这么复杂:在电池两端加载电压,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。” 因此,充电桩里面需要有充电模块提供直流电能,需要有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。  
  下图为直流充电桩工作原理框图。
  总结几点有助于大家理解这个原理框图:
  1.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。
  2.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。
  3.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。
  4.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。
  5.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。
  6.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。
  7.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。
  8.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,电源。 
  9.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。 
  这样一来,直流充电桩作为一个系统,就显得比较复杂了。下面给出某单枪直流充电桩更详细的电气原理框图: 
  笔者认为这个原理图有一些值得商榷的地方。笔者抛出以下几个问题,从事充电桩研发的朋友对这些问题一定会很感兴趣:
  1.充电模块组的输出端是否可以只用一个熔断器? 是否可以只用一个直流接触器?
  2.直流接触器是否可以不通过继电器来控制,直接由控制器的I/O信号来控制?
  3.辅助电源的输入端加了漏电开关,这是否可以省去? 三相交流输入端却没有加漏电开关,这是否可以接受?
  4.风扇是否可以不用继电器控制?
  5.辅助电源是否可以由两个合并为一个? 
  6.是否可以只要一种12V的辅助电源?
  7.电子锁是否可以不用通过继电器切合?
  8.图中没有电压和电流检测单元,这是否可以接受? 
  9.电表在采集电压和电流信息,BMS也在采集电压和电流信息,每个充电模块本身也给充电控制器上报电压和电流信息,它们之间的差异是什么?
  10.充电模块组整体端接了一个120欧电阻,那么在充电模块内部是否需要在每个模块CAN输出接口端接120欧电阻匹配?
  11.图中总共用了几个CAN通讯口?几个RS485通讯口?如果是双枪,需要几个CAN通讯口? 
  将这些的电气原理图设计成一个桩体,结构设计上的一些问题显然更值得讨论。欢迎交流!诸位看客,欢迎来电来函和我讨论。
  5.直流充电桩的发展趋势
  关于直流充电桩的发展趋势,也许有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
  2.社区停车场环行智能充电
  3. 家用型壁挂式充电桩进家用电器卖场,进家庭
  4.“光充储”充放电一体化
  5. 共享充电、免费充电
  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。
  笔者认为对于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。将来甚至每台电动汽车不再需要配置“车载充电机”了? 
  3家用型壁挂式充电桩进家用电器卖场,进家庭
  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。充电站将是非常美妙的地方,美妙得你不得不流连忘返,消费一把。当然,充电站是重要的广告场地资源,这是不难想象的。

  充电基础设施作为国家战略下的新能源汽车产业的重要组成部分,在不久的未来一定会出现我们现在还没有想到的商业模式。新生事物出现时,我们往往拍着大腿说,“我靠,我之前怎么没有想到呢?!”总会有人想到。若论中国人的创造力,不要妄自尊大,也不可妄自菲薄。 

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