直流非车载充电系统拓扑及重点分析

刘文锋，郭数理

(深圳市英可瑞科技股份有限公司，广东 深圳 518052)

0 引言

国家鼓励新能源汽车的发展，作为电动汽车产业链中的重要环节，电动汽车能源供给设施[1]也将会随着电动汽车产业的发展而讯速地发展。电动汽车充电主要分整车交流充电、整车快速充电、换电3种模式[2]。而作为整车快速充电的主要设备直流非车载充电机，也将得到广泛的应用。

由于应用场景的多样性，直流非车载充电系统也相应地出现多种拓扑结构，以满足不同场景的应用需求。以下侧重分析当前主要的非车载直流充电系统的特点及系统设计的一些重要事项。

1 拓扑分析

直流非充电载系统采用充电模式4连接方式C的电动汽车供电设备，其充电过程中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[3]。根据应用场景需求，可以有多种系统拓扑方案，各种方案尽管架构有所变化，但总的参数要求及技术指标不应超出标准要求，并需满足电动汽车传导充电的互操作性测试要求[4]。

1.1 单机单枪充电系统

单机单枪充电系统是一个充电机带一把充电枪，对一辆电动车充电的系统，其是目前最经典的直流充电机拓扑结构，是一种常见的产品结构，如图1所示。由于系统拓扑简单，相对于其他架构，由于相关的器件会减少，故系统的可靠性也会有明显的提升。

图1 单机单枪充电系统Fig.1 One charger for one gun charging system

在设备使用效率高的场所或个人用户，用此结构的设备，从设备成本与设备产出来比较，会有明显的性价比优势。故此类的产品是非常合适上述应用场景的需求。

1.2 单机双枪轮充系统

单机双枪充电系统是一个充电机，采用高压切换开关，配置两把充电枪，可以轮流分时对两辆电动车充电的系统，如图2所示。

图2 单机双枪轮充系统Fig.2 One charger for tow guns charging system

从本质上讲，其还是一个单机单枪的系统，其应用主要是在部分公交场合，满足夜间对更多车辆的充电，减少夜间挪车的次数。

1.3 双枪均充系统

双枪均充系统是将2个单机单枪的系统集成到一个系统，并在充电机部分通过高压切换开关，通过逻辑控制可以将两个充电机并联，如图3所示。其实现双枪可以最高50%的系统功率同时对两辆电动车进行充电，也可以单枪以 100%的系统功率对一辆车进行快充。

图3 双枪均充系统Fig.3 Tow chargers for tow guns charging system

从系统应用角度看，可以提高设备的利用率。从实际的应用经验看，由于各车型的 BMS管理及保护策略的差异[5-6]，部分车辆在充电SOC达到85%或95%以后，由于BMS的电压均衡或保护控制策略的需求，在充电后期阶段充电电流需求会明显下降，导致后期这一部分电量需要比大电流充电需要更长的时间，从而会出现同等系统容量的双枪均充系统同时完成充2个车的充电，比同等功率的单机单枪充电系统或单枪双枪轮充系统完成2个相同条件充电过程，总的充电时间更短，并在整个充电过程中由于充电电流小，更有利于保障电池的使用寿命。

1.4 充电堆充电系统

充电堆充电系统是指一个充电机系统，采用一定数量的模块，通过功率分配单元，可以带2把及以上数量的充电枪，可以实现每把充电枪同时充电，并根据电动车的充电需求，动态地调整每把枪的充电功率，最大限度地将设备的利用率提高[7]。此方案可以尽可能地同时满足不同规格电动车的充电需求。与上述几种系统最大的区别在于系统的功率模块的投切控制，通过投切控制转换矩阵，将功率模块进行输出母线位置的切换，如图4所示。

充电堆充电系统可以很好地解决一些实际的需求，如在公共充电站，充电车辆的多样性，会导致充电需求功率的不同，多枪动态投切系统可以根据不同的需求来满足不同车辆的充电需求。而在公交充电专用站，由于公交运营的特点，要求白天快速补电，需求大功率充电；而在夜间，需要同时对多台车同时进行小功率补电，而多枪动态投切系统都可以很好地解决此类需求，总的充电设备的成本也会更好地控制在较合理的水平。

图4 充电堆投切系统Fig.4 Recharged-heap cutting system

2 关键器件

2.1 功率整流模块

功率整流模块作为系统中成本占比最高也是最重要的部件之一，其性能指标及可靠性很大程度上决定了系统的相关指标，如稳压稳流、响应速度、功率密度、安规、EMC性能、可靠性等[8]，都是评估一个整流模块性能的重要维度。特别是稳压稳流、安规、EMC这些关键性的整流模块符合标准要求，系统才有可能达到标准要求。为了实现模块的高效率及高可靠性，采用如LLC谐振、三电平DC/DC转换等技术[9]。

2.2 系统控制器

如果说整流模块是直流充电系统的心脏，则系统控制器是直流充电系统的大脑及延伸。系统控制器完成系统的采集、绝缘检测、控制、人机交互、与电动汽车信息交互、支撑系统与运营管理平台的对接。

采集功能不仅要求采集的精度及误差满足标准要求[3]，并且采集的响应速度也需要达到保护要求，如直流充电电压及电流的采集，与标准要求中的过压保护与电流调整响应直接相关。

在启动充电阶段，要求充电系统完成绝缘检测功能[3]，绝缘检测时采用的电压幅值及测量误差要满足标准要求。绝缘检测目前主要采用电桥法与交流信号注入法[10]，此两种方法各有侧重点。采用电桥法的抗干扰能力强，系统分布对大地电容不敏感；而交流注入法则表现为系统对大地电容敏感。

与电动汽车信息交互需要检测连接状态，给BMS供电，同时采用CAN完成与BMS通信[11]。

2.3 高压直流接触器

在系统设计中，需要用到高压直流接触器，高压直流接触器在一些特定的条件下，如急停、不按要求操作充电机，可能会有带大电流切断的操作，而带载操作高压直流接触器，对接触器的要求就会很高，否则可能出现直流接触器寿命没有保障，或是出现粘联而功能散失的异常。为了达到使用要求，需要选择接触器触头室填充惰性气体的直流接触器，保障在高压大电流的情况下，有良好的灭弧能力。

2.4 直流充电枪

直流充电枪作为一个直流充电设备专用的重要部件[12]，其应用还有待于市场检验。其主要出现的一些问题如枪状态开关接触不良、接触点损坏、枪头线缆松动等异常。

3 系统关键要求

除系统一些硬指标，如稳压稳流精度，安规、EMC要求等之外，对直流充电机的互操作性及协议一致性也是特别关键的要求，其直接影响到用户体验，严重时出现充电中断、不能充电、设备损坏的情况。

3.1 充电时序要求

充电时序要求满足标准GB/T 18487.1-2015中附录B直流充电控制导引的要求[3]，这个标准时序实际上是对系统软件的控制逻辑、控制策略、响应速度提出了明确的要求。

3.2 协议一致性要求

与BMS通信采用GB/T27930协议，实现这个协议的主要侧重点在于多包的处理、报文发送的时间间隔控制、报文的发送启动及终止控制[11]。

3.3 运营平台要求

为电动汽车充电服务运营及管理提供信息化坚强支撑，保障充电服务安全、可靠、高效运行，为电动汽车用户提供智能、方便快捷的充电服务是运营平台关注的重点[13]。并运营平台还需考虑不同运营平台的对接，以达到不同平台都可以为同一客户提供充电服务。

3.4 系统的IP防护及防盐雾

充电桩作为一个户外使用的设备，其工作环境是多样的，如高温、高湿、高盐雾，这对系统的结构设计、工艺、材料提出了很高的要求，既要满足散热的要求，又要满足IP防护的要求。特别是高盐雾环境，对设备会有更高更重要的要求。

4 结论

通过对直流非车载充电系统的拓扑及重点分析，提出了针对不同的应用场景，选择适合的产品方案。对于产品调计及选型，明确了设计过程中需要关注的重点，对于提升产品质量，进一步推广非车载充电设备具有重大意义。

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[2] 郭春林, 肖湘宁, 等. 电动汽车充电基础设施规划方法与模型[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(13): 70-75.GUO Chunlin XIAO Xiangning, et al. Planning method and model of electric vehicle charging infrastructure[J].Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(13):70-75.

[3] GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统第一部分：通用要求.

[4] GB/T 34657.1-2017电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1部分：供电设备.

[5] QC/T 897-2011电动汽车用电池管理系统技术条件.

[6] 连湛伟, 石欣, 克潇, 等. 电动汽车充换电站动力电池全寿命周期在线检测管理系统[J]. 电力系统保护与控制, 2014, V42(12): 137-142.LIAN Zhanwei, SHI Xin, KE Xiao, et al. The whole life cycle on-line detection and management system of power battery in the electric vehicle charging and exchanging station[J]. Power System Protection and Control, 2014,V42(12): 137-142.

[7] 深圳地标：电动汽车柔性充电堆.

[8] 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.

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[11] GB/T 27930-2015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.

[12] GB/T 20234.3-2015电动汽车传导充电用连接装置第3部分：直流充电接口.

[13] 朱意霞, 李红霞, 史文强, 等. 电动汽车充电服务柔性管理系统设计与实现[J]. 电力系统保护与控制, 2016,V44(10): 91-97.ZHU Yixia, LI Hongxia, SHI Wenqiang, et al. Design and implementation of electric vehicle charging service flexible management system[J]. Power System Protection and Control, 2016, V44(10): 91-97.

[14] T/CEC 102.1-2016 电动汽车充换电服务信息交换 第1部分: 总则.