電動汽車直流充電模塊內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖

從目前的技術(shù)路線來看，直流充電是解決快速充電的主要途徑，運(yùn)營類車輛對快速充電依賴很大，因?yàn)樗麄兊臅r間機(jī)會成本較高。

由于直流非車載充電樁（簡稱直流充電樁）是通過內(nèi)部 AC-DC 模塊，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，給電動汽車的動力電池進(jìn)行充電，所以內(nèi)部的AC-DC 模塊性能，是決定直流充電樁性能的關(guān)鍵因素。

直流充電樁主要在大功率充電中應(yīng)用，采用三相輸入的直流充電樁產(chǎn)品功率從11kW到500kW以上。當(dāng)然隨著一些電動汽車取消OBC的配置，小功率220V單相輸入的直流充電樁產(chǎn)品也開始增多，比如7kW的壁掛直流家充樁等。直流充電樁截止目前已經(jīng)經(jīng)歷了幾次功率提升，從20kW到180kW、240kW、360kW、480kW、600kW及以上。

同時，新能源汽車的充電電壓平臺也在快速發(fā)生變化，像乘用車從300V 左右的充電電壓，已經(jīng)越過600V 電壓，許多主機(jī)廠已有800V平臺的產(chǎn)品面市。同時充電電流也在迅速提高，部分公司發(fā)布的600kW大功率充電平臺，已經(jīng)達(dá)到1000V 電壓和600A電流，甚至更高。

直流充電樁輸出的電壓電流，是由AC-DC 模塊性能決定的。以前乘用車的電壓范圍是200-450V，商用車的電壓范圍是300-750V，后來出來了通用型的200-750V，國內(nèi)充電市場的電壓范圍隨著輔助電壓12V 的統(tǒng)一，模塊輸出電壓200-1000V逐步成為主流。

一、 充電模塊

充電模塊在充電樁中起到對輸入交流電整流濾波、升壓穩(wěn)壓（控制、轉(zhuǎn)換）等作用，充電模塊的功率和數(shù)量，決定了充電樁的輸出功率。其核心技術(shù)在于電力電子功率變換電路、拓?fù)浼夹g(shù)創(chuàng)新能力、嵌入式軟件實(shí)時控制算法的可靠性、電氣系統(tǒng)設(shè)計的安全性及大功率散熱技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能力和高功率密度的集成化能力。

1、充電模塊工作原理??直流充電的關(guān)鍵核心部件是充電模塊，雖然不同模塊可能存在不同的工作方式，但是交直流的變化與控制原理，萬變不離其宗，充電模塊原理框圖如下圖示：

充電模塊由三相有源PFC、DC/DC變換、輔助電源、輸入/輸出檢測及保護(hù)電路組成。前級三相有源PFC電路和EMI輸入電路實(shí)現(xiàn)交流輸入的整流濾波和功率因素的校正，以滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)和得到小于5%的電流總諧波含量（THDi）；三相有源PFC由單獨(dú)的DSP進(jìn)行控制，根據(jù)交流輸入電壓，對輸入電流進(jìn)行校正，使其跟隨交流輸入電壓，并按照環(huán)路計算的結(jié)果產(chǎn)生PWM波進(jìn)行驅(qū)動主電路，并執(zhí)行相關(guān)的保護(hù)措施；后級的DC/DC變換器由DSP產(chǎn)生PWM波控制前級PFC輸出的直流電壓、經(jīng)過高頻變壓器輸出后再整流濾波輸出電流電壓，從而將前級整流電壓轉(zhuǎn)換成充電模塊要求的穩(wěn)定直流電壓。輔助電源利用三相有源PFC的直流輸出，產(chǎn)生控制電路所需的各路電源。輸入檢測電路實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓、電流等檢測功能，用于PFC的控制和保護(hù)。DC/DC的檢測保護(hù)電路包括輸出電壓電流的檢測，溫度的檢測等，這些信號用于DC/DC的控制和保護(hù)。CAN 總線實(shí)現(xiàn)整流模塊與控制模塊的通信以及多個整流模塊之間的均流作用。

設(shè)備接入380Vac 三相電（三相三線制），經(jīng)EMC 濾波，三電平有源PFC 對輸入電壓和電流進(jìn)行校正，其輸出供全橋三電平DC-DC 變換電路；當(dāng)輔助電源正常工作后，電源指示燈顯示，輔助電源給控制電路供電，控制電路控制模塊啟動。APFC 部分、DC-DC 部分工作均由DSP 控制。設(shè)備可以直接通過CAN 與BMS 通信，當(dāng)設(shè)備檢測到有CAN 通信時，設(shè)備轉(zhuǎn)由BMS 控制，充電電壓和電流由BMS 控制。

這里的控制板，一方面可以幫助我們理解輸出的電壓電流是如何變化的，另一方面可以幫助我們理解為什么不同的模塊在不同的充電樁上不容易互換，因?yàn)榭刂瓢逵熊浖嫒菪詥栴}。

2、充電模塊的功率曲線（30kW/200-1000V）

二、直流充電樁

主要組成部分：充電模塊、主控制器、絕緣檢測模塊、智能電表、刷卡模塊、通信模塊、空氣開關(guān)、主繼電器、輔助開關(guān)電源等。

1、主要性能參數(shù)（480kW液冷）：

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2、充電連接裝置

直流充電接口滿足 GB/T 20234.1 和 GB/T 20234.3 的規(guī)定，配備標(biāo)準(zhǔn) 9 芯插頭（如下圖），插頭的要求如下表所示，充電插頭支持電磁鎖鎖緊功能，充電線纜長度依據(jù)項目需求進(jìn)行配置。

插頭基本參數(shù)：

電氣接口觸頭說明：

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三、保護(hù)功能

3.1 輸入保護(hù)

具備輸入過欠壓、三相不平衡、缺相等保護(hù)功能。

3.2 輸出保護(hù)

具備輸出過欠壓、過流、過溫、過載、短路、絕緣檢測、電池反接、電流倒灌等保護(hù)功能。

3.3 遠(yuǎn)程控制

當(dāng)有異常發(fā)生，可通過后臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟?？刂?、遠(yuǎn)程升級。

3.4 系統(tǒng)異常保護(hù)

充電過程中,當(dāng)發(fā)生（啟動急停開關(guān)、與電池管理系統(tǒng)通信故障、控制導(dǎo)引、輸入失電故障等情形）緊急情況下，充電樁能在 100ms 內(nèi)斷開直流輸出接觸器，且輸出電壓在 1s 內(nèi)下降至 60V以下。

3.5 過溫保護(hù)

如過濾網(wǎng)堵塞、冷卻風(fēng)扇失效或其他情況，充電樁內(nèi)部溫度超過過溫保護(hù)閥值，充電樁降低輸出功率或切斷直流輸出，并發(fā)出告警提示；當(dāng)直流充電接口溫度超過過溫保護(hù)值（充電槍上的溫度傳感器），充電樁降低輸出功率或切斷直流輸出，并發(fā)出告警提示；當(dāng)電池溫度超過過溫保護(hù)值，BMS 需求會降低，充電樁會根據(jù)需求自動降低輸出功率，從而保護(hù)電池，延長電池使用壽命。

3.6 接觸器粘連

充電控制器會自動檢測接觸器的斷開與閉合狀態(tài)，任何一個接觸器主觸點(diǎn)為常閉狀態(tài)（無法斷開）或者常開狀態(tài)，啟動充電時充電樁停止絕緣檢測過程，并發(fā)出告警提示。

3.7 電池二重保護(hù)

在充電過程中，當(dāng)輸出電壓超出車輛最高允許充電總電壓，或輸出電流大于車輛當(dāng)前需求電流，充電樁在 1 s 內(nèi)斷開輸出接觸器，并發(fā)出告警提示。

3.8 門禁保護(hù)

在充電前，如打開充電樁前門，充電樁無法啟動充電；

在充電過程中，如樁門打開，充電樁立即切斷功率輸入和直流輸出；

3.9 充電槍鎖止功能

當(dāng)電子鎖未可靠鎖止時，充電樁不允許充電，在整個充電過程中（包括絕緣檢測過程），電子鎖應(yīng)可靠鎖止，不允許帶電解鎖；具備應(yīng)急解鎖功能，因故障不能繼續(xù)充電、充電完成時，解除電子鎖時車輛接口電壓降至60VDC以下。

3.10 絕緣檢測功能

充電樁設(shè)置有絕緣檢測電路，在車輛接口連接后到車輛充電回路接觸器閉合前，充電樁閉合直流輸出回路接觸器對內(nèi)部（含充電電纜）進(jìn)行絕緣檢測，如絕緣性能有異常，不會啟動充電。

四、大功率充電

大功率充電是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不單單是直流充電模塊的問題，它是整個線路的電流在各個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的散熱問題，包括電池本身的散熱。依據(jù) P=I*I*R，從 60A 的充電電流提升到 360A，電流變成 6 倍，發(fā)熱功率變成 36 倍。所以熱管理系統(tǒng)是整個大功率充電系統(tǒng)中最重要的部分。有些人認(rèn)為國家標(biāo)準(zhǔn)的滯后，制約著大功率充電的發(fā)展，這個觀點(diǎn)不太準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生，需要經(jīng)過大量的測試和數(shù)據(jù)積累，在系統(tǒng)沒有完成之前，去設(shè)想一個標(biāo)準(zhǔn)，本身就是錯誤的行為，所以標(biāo)準(zhǔn)的制定者，需要行業(yè)的領(lǐng)頭羊，需要依靠他們投入人力、財力和物力從事研發(fā)活動和測試活動獲得大量數(shù)據(jù)。例如，歐洲的基本方案是冷卻循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動端在充電樁內(nèi)，在纜上未必采用冷卻，冷卻液送達(dá)連接器端，形成循環(huán)。帶纜上冷卻的德國電纜制造商表示，他們可以做到 25 平方的線纜載流 350A，實(shí)際上他們已經(jīng)經(jīng)過了一系列的測試，來觀測電纜的溫升。充電接口的溫升同樣非常重要，DC+與 DC-兩個端子是熱量最大的地方，對每個端子進(jìn)行獨(dú)立的溫度監(jiān)控就非常有必要。為了區(qū)分是否帶纜上冷卻，IEC 傾向于設(shè)定 RC1 和 RC2 兩類充電等級，其中 RC2 是指帶有冷卻方式的電流等級。?

在端子的溫度控制方面，充電接口的插針鍍層厚度是關(guān)鍵因素。在IEC 的會議中，中國代表主張取消下公差，因?yàn)?-5只有3 微米的厚度，同時主張取消ELECTROPLATING 的描述，因?yàn)樵谥圃旃に囍?，LAYER 的形成不僅僅是電鍍法。參會人員在下公差的討論上發(fā)生了劇烈爭執(zhí)，反對方的理由是不想設(shè)定太嚴(yán)格的界限，但是背后有可能是在材料及制造技術(shù)上有差異，歐美不一定需要8 微米的鍍層厚度。

冷卻系統(tǒng)采用智能啟動，不可能全時段保持活躍，有企業(yè)選擇在200A啟動，使溫度控制在50度以內(nèi)，這其實(shí)也依賴于測試，比如180A持續(xù)工作多久會導(dǎo)致多少溫升，200A持續(xù)工作多久會導(dǎo)致多少溫升，多久能達(dá)到90度的臨界點(diǎn)等等。除此以外，關(guān)于冷卻液體的缺失或者泄漏風(fēng)險、可燃性、冷卻液與絕緣材料的兼容性，其他潛在威脅等等，也都是大功率充電需要研究的細(xì)節(jié)問題。

審核編輯：黃飛

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