新型直流充电桩应用研究

邬晓韬

（湖北省电力装备有限公司，湖北 武汉430060）

我国环境污染的主要一个原因是汽车的尾气排放。目前，中国许多城市，如石家庄、太原、上海、北京等地，已成为世界上污染最为严重的城市。到2016年为止，中国的汽车已经达到了将近2亿多辆。我国的石油储备量仅仅占全球的3%，但是石油的消耗率却占到了世界的10%左右，出现了供不应求现象。由于我国经济的不断发展，石油问题已经成为被广泛关注的问题。虽然目前所生产的燃油汽车给我们的日常生活提供了便利，但由此带来的环境污染和能源短缺问题却不容小觑。所以，针对目前我国的环境现状，发展新能源汽车刻不容缓。

目前，电动汽车动力系统主要是大量的电池组构成的整体。相比于之前一直使用的燃料汽车，电动汽车的能量转换效率更好，而且对环境所造成的污染是最低的。只有电动汽车行业迅速得到拓展，我国的能源安全以及环境问题才能够得到有效保障，使得经济得到进一步发展。大量应用电动汽车减少了对原本就供不应求的石油的依赖，并且对我国的环境治理也起到了一定的作用，电动汽车的发展对于新兴产业的发展有着重大意义。截至2016年底，我国的电动汽车被大量应用，是我国电动汽车的上涨期，相比于上一年增长60%左右。相对而言，电动汽车的充电设备发展比较缓慢，这一现象对于电动汽车的发展而言是极大的绊脚石，因此，发展电动汽车充电基础设施刻不容缓。目前，我国电动汽车的充电方式有两种：

第一种充电方式是直流充电，被称为“快充”。一般直流充电桩是对电动汽车进行直接充电，充电速度快，但是电动汽车的电池使用时长会受到限制，一般我国将直流充电桩建立在大型的充电站之中；第二种充电方式是交流充电，交流充电的模式一般被称为“慢充”。交流充电桩采用这种方式给电动汽车充电器充电，它不提供任何电源输出，只是作为一个控制开关。这种充电方式速度慢，而且对于特殊情况下想要充电的模式有一定的阻碍，但是电池组的使用时长受到了一定的保护，一般交流充电桩被应用于超市或者商城等大众领域，更换电池比较方便，使用起来比较便利。该种方法尽管所花费的成本比较低，比较方便，但是更换电池比较麻烦，需要在指定的地方才能够更换，并且只能更换特定型号车的电池，因此对于人们而言，不是特别的方便。目前，在国内充电桩行业，绝大多数充电桩产品依靠国家电网供电网作为充电电源，属于单电源型。针对这种汽车充电的产品，还缺少不同电源之间能够自动切换的新型光伏充电桩。所以，在对于上述问题的解决基础之上，本项目将开发一种通用充电桩，可以跟上光伏能源产业的发展步伐，使其得到更广泛的应用。因此，我们需要设计一种充电速度比较快，并且方便人们使用的新型直流充电桩，方便人类出行，减少环境污染，使其具有较大的科学实用性。

1 国内外发展现状

1.1 国外研究发展情况

2009年至2013年，美国政府相继颁布相关政策，提出了需要对电动汽车的充电设备进行迅速的发展与应用。政策颁布之后，五六年间，美国的充电桩数量已经达到31674个。为了方便用户查询周边充电桩的编号、位置等详细信息，美国的企业以及充电设备的运营商为用户提供了以智能终端以及网络为基础的多种应用；日本特别注重对于新能源这一产业的发展与应用。2015年，日本的公共充电桩已经高达2万多个，其中以交流充电桩为主，以直流充电桩为辅。日本将直流的充电桩大多放置在商城等公共场合，将交流的充电桩大多放置于停车场或者汽车零销店内；为了使电动汽车迅速进入市场，德国也出台了一项政策，宣布到2050年电动汽车将会在各个领域中应用。德国鼓励电动汽车的充电装置广泛应用，并且为了推动电动汽车的应用与发展，德国政府投资3亿欧元用于建造基础的充电设施。

1.2 国内研究发展情况

在“十五”以及“十一五”这段时间里，中国曾经推出了很多种计划推动新能源汽车的发展，大约投入了近20亿元。2008年，第一台电动汽车问世。同年，中国在北京奥运会建成了第一个充电桩。第二年，深圳已经将充电桩及充电站投入使用当中。一年后，南湖地区一个巨大的充电站被正式投入使用。到了2012年，我国也对相关电动汽车的标准规范进行了政策方面的支持、对其中涉及的系列问题出台了相关政策。这为我国电动汽车巨大规模的应用提供了重要支持。2014年，国家电网在全国建设了5000多个充电桩以及200多个大型的充电桩。数据表明，到2015年底，我国的充电站已经将近4000个，公共的充电桩约5万个。2016年初，我国“十三五”政策提出，在后面4年中，我国财政部门将会对于充电的基础设施以及管理应用等方面进行资金的奖励和补助，短短几个月时间，我国的充电桩数目就高达近20万个。

截至目前，交流的充电桩在已经建成的充电设备之中占领着主要的地位。但是到2016年，中国国际迅速充电站点在高速公路上服务的公里数还不到2公里，而且地区的分布极度不平衡，并不能满足所有司机的要求。关于对直流交流方面的构建不仅仅与我国的政策有关，可能与我国制定的相关政策比较晚也有相关的原因。因此，我国建设能够迅速充电的直流充电桩有巨大的意义。

2 充电桩充电的原理

交流充电，即“慢充”，在对电动汽车进行充电时，其充电桩仅仅只作为其控制的开关，并不对电源的输出与输入提供任何功能。直流充电，即“快充”，可以直接对电动汽车的充电组进行充电，是一种非车载的充电方式，其输出的电流是可以调节的电流。而且电动汽车的直流充电桩需要满足国标。一般而言，车载的充电机功率比较小，并且直流充电桩可以对外部输出比较大的电流和电压。所以，直流充电桩对电动汽车可以进行迅速的充电。

3 直流充电桩建设的现状

3.1 建设的充电桩不够现代化

由于需要对我国大概500万辆的电动汽车进行维护并提供便利，因此根据各部门共同发布的《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020）》要求，截至2020年需要建成500多万个分布式充电桩。据统计，到2018年底，我国的充电桩数量达70多万个，由于充电桩数目比较少，因此对于电动汽车的发展带来了一定的限制作用。而且大众的充电需求没有办法得到满足，这在很大程度上束缚了大众使用新能源电动汽车的需求，从而在电动车领域我国的经济发展也受到了限制。

3.2 充电设备利用率不高

由于其充电时间比较长，会引起不便利的情况。加之其位置不太明确，因此充电不太方便，还有些情况是燃油车辆占据了电动汽车的位置，导致其资源的耗费，并且在车位上充电还会给用户增加费用成本。还有些比较偏僻的村庄其高速路服务区充电设施的利用率并没有得到改善。尽管有些地区出现了充电桩数量增加的情况，但却忽视了充电桩的高效利用。

3.3 商业模式需要创新

新能源汽车的收费服务市场商业模式正逐步从传统模式向多元化模式转变。充电设施建成后的安全保护是一笔昂贵的费用。所以，我国非常有必要提高充电桩的服务水平以及管理水平，并对其进行应有的保护，减少设备之中投资者与运营商之间的投资回报时间，减少投资风险。

4 直流充电桩的技术分析

4.1 均衡充电技术

一般电动汽车的电池组均是由几个单体的电池所构成。直流的充电系统在充电过程中，电池不会充满电。实际研究表明，单体电池使用后的容量变化曲线可以得出如下结论：随着使用年限的增加，电池组所剩余的体积容量更小，使用的性能也会降低，因此为了预防不平衡的现象发生，需要在使用电池组充电时注意均衡性，从而使得电池的使用时间更长。一般的均衡系统结构有三种：集中均衡、独立均衡和分布均衡。分布式双向均衡系统，集中与独立相结合，会改进传统变频器的均衡方式，提高自动化程度，使均衡的应用更加高效、灵活、方便，并且系统可以根据单个电池的数量来确定均衡执行单元的个数，具有很强的可扩展性。其中很多技术对于充电桩的使用具有保护作用，比如无线充电技术以及对于电池进行更换的技术等。其可以对电池的充电进行保护，并且实现了一定的便利作用，使得其应用前景更加广泛。

4.2 双向充电技术

一般情况下，双向的充电技术对于汽车的蓄电池或者电网间互相传输有一定的作用。使用双向的变换器就可以在短时间之内将瞬时功率较快地吸收到比较大的容器之中，而且能够在负载需要的瞬时功率之中，将瞬时功率提供给负载，从而降低对于电网的影响。截至目前，双向变换器的主要研究有两个重点：拓扑结构的改进、控制策略的研究。

4.3 无线充电技术

无线充电技术主要是采用电磁场作为中间媒介从而达到电能之间互相传输的，提高汽车对于电池的充电效率。相比于电动汽车的有线充电，无线充电比较方便，而且操作简单，危险系数低，但是其存在的缺点是成本比较高，并且无线充电对于环境会造成一定的污染。

东南大学开发的电磁耦合共振技术可以缩短无线传输距离，这也是国内唯一能实现0.5m以上千瓦级无线电功率传输的研究成果。

4.4 电池性能

电池的使用时长是我们一直关注的重点问题。其中电池分为能量互相转换的电池和储存的电池。为了在电池的技术及材料方面取得一定的突破，提升电池的密度以及进行迅速充电是极为重要的手段之一。

4.5 5G技术

由于社会以及通信领域的快速发展，5G时代已经到来，提供充电服务的服务区利用大量先进技术如5G技术，使该行业得到极大的发展。

5 相关政策及采取措施

相关部门对于新能源汽车的财政方面进行了进一步的改变，将在一定的条件下，减少对其投资与补贴。到2020年，购买补贴将全部收回，用于支持充电设施的建设和运营。补贴将从购车端转移到用户端，加强对消费者使用的政策支持。一是为了使充电设备有秩序安放，并且有一定的管理规范。对于商场、停车场等地方需要按照相关的人流量及车流量建设充电桩，并且积极发动物业公司在小区安装充电设备，对于充电设备的购置安装提供一定的补助。桩基施工完成后，经有关部门验收合格，对符合条件的给予补助。二是鼓励新能源汽车充电设施服务经营者积极投入使用充电桩。财政根据其年度经营能力，根据实际收费情况给予适当的奖励和补贴，降低服务经营者的实际经营成本。三是出台收费价格政策，有针对性地调整服务收费标准，按照政府提供的价格收取费用，禁止乱收费的现象发生，并且对收费设置最高上限，制定严格的收费标准。坚持保护环境的理念，培养建设充电桩的思想，并积极投身到该事业中去。依靠智能化电网，可以对电动汽车以及电网之间实行双向的用电转换，降低电动汽车充电给电网带来的压力和波动。电动汽车作为储能设备，按照分时电价向电网供电，获取相关成本。

6 结束语

随着社会的发展与进步，国家政策的进一步出台，为了形成环境保护、绿色环保的安全意识，需要在城市建设电动汽车充电桩。绿色环保的充电桩建设节省了人工的成本问题，还大大减轻了资源压力。本文分析介绍了直流、交流充电桩的原理，并且对于其总体方案的设计进行了介绍，并将直流充电桩嵌入式控制系统分为三个系统，将各系统的具体功能进行了展开分析与讨论。目前，没有针对城市的专用电源，对于汽车的充电问题，还缺少对于不同电源之间如何进行自由切换的研究。所以，在上述问题的基础之上，本文将通过对于充电桩的原理应用，将其广泛地进行推广。在未来，充电桩将与智能化的各个设备相互联系，息息相关，智能化的电动汽车充电站将会迎来高清洁、低成本、低耗费的信息网络时代。基于此，将会吸引一大批消费者投资者前来使用，从而提高充电桩的使用率以及促进其迅速发展，并且使得新能源电动汽车得到广泛的应用。