摘要：發(fā)展充電樁技術(shù)能夠支撐電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力實現(xiàn)雙碳目標(biāo)。直流與交流充電作為兩種主要補能方式，對充電技術(shù)行業(yè)的發(fā)展起著重要作用。文章基于電動汽車充電樁的特點，對直流充電樁與交流充電樁的電氣原理進(jìn)行分析，介紹了充電樁充電過程及各結(jié)構(gòu)功能，并研究了其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：直流充電；交流充電；充電樁；電動汽車

0引言

2023年6月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步構(gòu)建高質(zhì)量充電基礎(chǔ)設(shè)施體系的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2023〕19號）。意見指出，應(yīng)大力推廣應(yīng)用智能充電基礎(chǔ)設(shè)施，推動既有充電基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造，鼓勵新技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，持續(xù)優(yōu)化電動汽車電池技術(shù)性能并提升車網(wǎng)雙向互動能力，充分發(fā)揮電動汽車在電化學(xué)儲能體系中的重要作用。文章從電動汽車充電樁的充電技術(shù)角度出發(fā)，簡述直流充電與交流充電的特點及二者充電樁電氣原理，預(yù)測了充電技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對直流與交流充電技術(shù)的兼容性、適應(yīng)性、安全性做出進(jìn)一步研究。

1 電動汽車的直流、交流充電

1.1 直流充電

直流充電是指將電能以直流形式傳輸?shù)诫妱悠嚨碾姵刂羞M(jìn)行充電的技術(shù)。這是一種需要充電設(shè)備將電網(wǎng)的交流電整流后再輸入電動汽車的充電行為，直流充電的充電功率包括 20 kW、40 kW、60 kW、200 kW、250 kW。常見的直流充電樁功率主要為60 kW。在直流充電中，電能從電源經(jīng)過變壓器和整流器轉(zhuǎn)換為直流電流，然后通過充電插頭連接到汽車的電池系統(tǒng)。直流充電具有高充電效率和充電速度快的優(yōu)勢，適用于長途旅行和緊急充電等場景。直流充電的核心設(shè)備是充電樁，其通常包括變壓器、整流器、充電控制器、充電插座等部分。變壓器用于將交流電源的電壓調(diào)整到適合電池充電的電壓，整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，充電控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制充電過程，充電插座則用于與車輛的充電接口連接。

1.2 交流充電

交流充電是指將單相或三相交流電通過標(biāo)準(zhǔn)充電插頭、插座等交流電源輸送到電動汽車車載充電機，經(jīng)過車載充電器整流后將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，并輸送到動力電池，實現(xiàn)電動汽車的充電技術(shù)。充電設(shè)施通過脈沖寬度調(diào)制限制電動汽車允許的最大可用電流，可以是220 V AC 單相電或380 V AC 三相電，該電流不應(yīng)超過其額定電流、連接點額定電流及電源額定電流中的最小值。這種方式可以使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。實現(xiàn)交流充電的主要部件包括交流充電插座、車輛控制器、車載充電機、交流電源及交流充電樁。其中交流充電樁是固定不動在電動汽車外界，與溝通交流電力網(wǎng)相接，為電動汽車車載充電器提供交流電的供電系統(tǒng)設(shè)備。

2直流、交流充電樁技術(shù)分析

2.1 直流充電樁電氣原理

直流充電樁的交流輸入端由斷路器、防雷保護器 及漏電開關(guān)組成，輸出是高壓、大電流，應(yīng)設(shè)置熔斷 器。直流充電樁的主回路由塑殼斷路器、交流接觸器、 充電模塊、直流接觸器、直流充電槍構(gòu)成。主回路的輸入是三相交流電，交流電流經(jīng)斷路器與智能電表后， 被充電模塊轉(zhuǎn)化為直流電，然后連接充電槍和熔斷器， 給新能源汽車充電。直流充電樁主回路中的電表是三 相四線制電表，起著監(jiān)控整個充電機工作時實際充電 電量的作用。由于單個充電模塊的功率過小，所以充 電樁內(nèi)部并聯(lián)著多個充電模塊，采用 CAN 控制器局 域網(wǎng)總線來實現(xiàn)多個模塊的均流。

直流充電樁的充電過程如圖1所示。首先，檢測點1檢測到4 V電壓后，認(rèn)定充電接口連接成功，鎖定充電槍中的充電鎖，進(jìn)入自檢階段，在確認(rèn)車輛接 口接通后，通過閉合開關(guān) K3 、K4，使輔助電源給控 制系統(tǒng)供電，電流經(jīng)過檢測點，若該電流電壓為 6 V， 車樁通過 CAN 控制器局域網(wǎng)總線周期性開始報文交 互， 內(nèi)容為通信握手報文，直流接觸器 K1、K2 閉合， 進(jìn)行絕緣檢測。檢測結(jié)束后，則停止電壓輸出，導(dǎo) 通泄放回路，泄放直流回路中殘余的電壓，斷開 K1、 K2，若電壓小于 60 V，則進(jìn)入充電準(zhǔn)備就緒階段， 閉合 K5 、K6，動力電池電壓反送至 K1 、K2，導(dǎo)通 充電回路，進(jìn)行預(yù)充嘗試，檢驗車輛端動力電池電壓 是否正常，閉合 K1 、K2，主回路導(dǎo)通，進(jìn)入充電階 段。在該階段，充電樁的電壓電流會根據(jù)動力電池管理系統(tǒng)（BMS）的充電需求變化而調(diào)整，相互交換充電狀態(tài)，判斷達(dá)到結(jié)束條件后進(jìn)入充電結(jié)束階段。在 該階段車輛會根據(jù) BMS 是否達(dá)到充滿狀態(tài)或收到充 電樁發(fā)來的“充電樁中止充電報文”來判斷是否結(jié)束充電，滿足以上充電結(jié)束條件，車輛控制裝置會發(fā)送 “車輛中止充電報文”，在確認(rèn)充電電流達(dá)到 5A 以下 后斷開 K5 、K6，發(fā)送“充電樁中止充電報文”，并 控制充電樁停止充電，在確認(rèn)充電電流小于 5A 后斷 開 K1 、K2，進(jìn)行泄放，再斷開輔助電源繼電器 K3、 K4，解鎖充電槍中的電子鎖，用戶按下機械鎖將槍 拔出并歸位，充電完成。

2.2 交流充電樁電氣原理

交流充電樁主回路的輸入可以為單相電或三相電，由空氣開關(guān)、交流電表、交流控制接觸器及充電樁槍頭組成。在主回路中，電流通過空氣開關(guān)QF給主控板通電，隨后流經(jīng)交流電表和交流控制接觸器， 最終到達(dá)充電槍頭。充電槍頭連接新能源汽車車載充 電機，獲取充電參數(shù)，完成充電槍的上電。在二次回路部分，由充電樁智能控制器來調(diào)整整個充電流程， 車主刷卡結(jié)算選擇結(jié)束充電后，交流控制接觸器斷開，充電完成。首先，交流充電樁開始初始化并自檢，車主刷卡后，充電樁會判斷該卡是否有效，若有效就進(jìn) 入用戶確認(rèn)環(huán)節(jié)，接上插頭后定時識別，確認(rèn)是否連接，若連接，則設(shè)置充電模式，確認(rèn)加電，扣除預(yù)售 金額，將未結(jié)算標(biāo)志置位，若沒有充電加電超時或充 電電纜斷升，則充電完成后將充電完成標(biāo)志置位，結(jié)束充電階段，顯示充電結(jié)束界面，結(jié)算金額后將結(jié)算標(biāo)志清零。

2.2.1 交流充電樁充電過程

交流充電樁充電過程如圖2 所示 ：①連接確認(rèn)。 車輛控制器通過檢測離其最近檢測點與地線之間的電阻判斷插座與插頭是否接上。②充電樁控制器通過 分析離其最近的檢測點電壓值判斷插座與插頭是否接 上。③判定已完全連接后，開始充電。先用小電流激活電池活性，使蓄電池內(nèi)部充分建立化學(xué)反應(yīng)，使其滿足后面持續(xù)大電流充電。在該過程中，確保連接裝 置的連接和車輛處于可充電狀態(tài)，檢測周期不大于50 ms 。充電樁的最大充電電流可通過檢測 PWM波占空比來實現(xiàn)。車輛判斷充滿電后，斷開并聯(lián)電阻旁的開關(guān)，提升電壓，充電結(jié)束。此時，車主可通過按下機械鎖，拔出充電槍。

2.2.2 交流充電樁各結(jié)構(gòu)功能

交流充電樁一般由漏電保護開關(guān)、防雷器、智能 控制器、人機交互界面等部件組成。智能控制器具備實時監(jiān)控車輛狀態(tài)的能力，能夠敏銳感知電壓、電流變化，確保插頭、插座保持連接， 保護各元件的安全。 常見的人機交互界面是 LCD 顯示屏，供車主選擇不同的模式，如時間、電量、金額及充電啟動方式（如 立即充電和預(yù)約充電）。顯示屏上會顯示充電過程的實時狀態(tài)。交流充電樁的防雷器位于交流輸入側(cè)端， 通常以并聯(lián)的形式接入電路，可將過量電流導(dǎo)入大地，防止系統(tǒng)發(fā)生故障。

3電動汽車充電技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展方向

未來將繼續(xù)研究和開發(fā)更高效能的能量轉(zhuǎn)換器和電源管理系統(tǒng)，以減少能量損耗并提高充電效率。例如，采用高效能的半導(dǎo)體器件和磁性材料，減少能量 轉(zhuǎn)換過程中的熱損耗。高效能轉(zhuǎn)換技術(shù)還可以通過改進(jìn)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，提高能量轉(zhuǎn)換的效率和穩(wěn)定性。如采用多級轉(zhuǎn)換器或諧振轉(zhuǎn)換器等新型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低開關(guān)損耗和提高功率因數(shù)。最后，在充電過程中，可以通過能量回收技術(shù)將部分能量轉(zhuǎn)化為可再利用的形式回饋到電網(wǎng)或供應(yīng)其他設(shè)備使用，這有助于提高能源利用效率和降低能源消耗。

4安科瑞充電樁收費運營云平臺

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語

充電基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)迎來新機遇，高效且安全的充 電技術(shù)發(fā)展具有重要意義。直流充電與交流充電技術(shù) 都是電動汽車能源供給的重要模式，著重分析其優(yōu)勢與劣勢，深入研究其充電原理、各結(jié)構(gòu)功能，把握高效能轉(zhuǎn)換技術(shù)、智能充電管理系統(tǒng)、V2G 技術(shù)等充 電技術(shù)發(fā)展方向，能夠為充電技術(shù)智能化、數(shù)字化注入新動力，推動充電運營產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級。

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審核編輯 黃宇