关于直流充电桩充电异常停电的分析

邓礼敏，刘博文，范亚军，王 毅，杨爱超

（国网江西省电力有限公司供电服务管理中心， 江西 南昌 330001）

0 引言

随着全球能源危机的不断加剧和环境问题的日益突出，电动汽车相比于传统汽车更有助于“双碳”目标的实现，因此受到各国政府和汽车企业的高度重视[1-3]。电动汽车产业的迅猛发展带动了电动汽车充电基础设施的建设，世界各国实施了一系列激励措施支持电动汽车充电基础设施的建设来满足电动汽车的充电需求[4-5]。

电动汽车充电设备的大规模建设及应用，其充电可靠性和安全性逐渐成为关注的重点，充电故障及安全问题日益凸显。电动汽车充电设备的运行状态不仅会影响其自身可靠性，而且影响充电车辆的安全。2016年至2021年，发生的电动汽车起火事件原因进行统计的结果显示，在正常充电过程中发生的车辆起火占事故总量的14%，有5%的起火事件是因为充电设备故障[6]。

因此，明确每次充电异常、故障原因，排查充电设备安全隐患，对降低充电故障率及起火率，保证充电安全、可靠有着重要意义。

1 故障情况

1.1 故障简述

近期，某品牌电动汽车在某高速服务区充电站进行充电（如图1所示），因充电模块交流进线侧短路，导致变压器低压侧断路器跳闸，充电桩断电引起充电枪闭锁，客户无法结束充电（拔枪）。当地运维人员至现场检查，并在尝试送电后完成拔枪，但客户车辆故障报警无法正常启动，最终由拖车公司将故障车运至车厂维修。

图1 充电故障现场

1.2 故障过程

根据充电用户描述及充电情况，还原故障过程如下：

该电动汽车在充电至99%时，充电桩突然断电引起充电枪闭锁，客户联系当地运维人员至现场查看，运维人员操作过程如下：

1）对充电所用的分体桩进行了重启，重启无效后确认无电源供电；

2）对变压器低压侧断路器进行合闸，未恢复供电；

3）对整流柜交流侧断路器进行合闸，充电桩的指示灯和操作屏闪烁一次，送电的同时客户完成拔枪操作，变压器内有“砰”的响声，充电设施并未恢复供电。

此后，客户车辆无法启动，车辆显示“动力电池故障”。

随后，充电桩厂家派维修人员赶至现场排查故障，排查发现整流柜的交流接触器故障，一个整流模块烧坏。维修人员将故障整流模块移除并更换交流接触器后尝试送电失败，核查发现变压器低压侧B相断路器故障，在更换B相断路器后，恢复了充电设施正常供电。

2 故障原因分析

该服务区充电站现场设备情况如下：一个10 kV专用变压器（容量630 kVA）、2个整流柜，4个直流分体桩（额定输出功率120 kW，额定输出电压500 V，最大输出电流240 A）。

电动汽车充电过程为：由10 kV专用变压器提供380 V三相交流电，交流电进入整流柜，经过断路器和交流接触器后进入整流模块，由整流模块将交流电转化为直流电，最后由分体桩通过充电枪（车辆接口）连接电动汽车进行充电，充电系统示意图如图2所示。

图2 电动汽车充电系统示意图

充电系统每个环节都会影响充电，此次停电故障及车辆故障应从供电设备侧、充电桩侧、电动汽车侧进行分析。

2.1 供电设备侧

根据已有信息，此次充电设施断电分为供电线路异常停电、变压器自身故障断电、充电设施故障引起的断路器跳闸断电、车辆故障导致设备断电。

首先，当时高速服务区充电站附近商铺用电正常，所在线路无异常报警，排除因所在线路异常停电导致充电桩停电的可能性。

其次，第一次故障后，通过变压器低压侧侧断路器合闸复电成功，充电桩屏幕闪烁、充电枪成功解锁，排除变压器高压侧故障及低压侧断路器故障导致首次停电的原因。

因此，此次断电故障可能为充电设施自身故障或车辆故障导致。

2.2 充电桩及车端

车厂以商业机密为由不提供车辆充电故障时的报文，无法确认车端具体信息，只能根据已有信息分析车辆故障原因。根据《GB/T 18487.1-2015》及《GB/T 27930-2015》[7-8]等标准及规范，“在充电过程中，如果非车载充电机出现不能继续充电的故障，则向车辆周期发送‘充电机中止充电报文’，并控制充电机停止充电，应在100 ms内断开K1、K2、K3和K4”，“收到CST报文后，在确认输出电流值小于5 A后，断开K5、K6”。结合相关规范、标准要求及当前信息，分析故障原因可能为：

1）充电设施故障，输出较大电流，故障充电桩内未安装熔断器或已安装但未保护，车端熔断器动作保护，导致车辆故障；

2）故障断电后，充电桩未按规定发出“充电机中止充电报文”或者已发出，充电桩侧开关K1、K2及车端开关K5、K6未动作，二次上电时冲击电流过大，导致车辆故障；

3）故障断电后，充电桩未按规定发出“充电机中止充电报文”或者已发出，充电桩侧开关K1、K2及车端开关K5、K6未动作，充电桩输出前端电路存在回路，电动汽车电池反向放电，导致车辆故障及充电设施二次故障。

2.3 现场核查及测试

2.3.1 现场情况

为明确故障原因及故障点，现场核查故障情况如下：

1）整流柜有一充电模块烧毁，整流柜内整流模块安装处，存在明显烧焦痕迹，如图3所示。

图3 烧坏的整流模块

2）变压器内已更换下来的故障断路器，在开关闭合情况下仍处于断路状态，说明该断路器已烧毁，如图4所示。

图4 损坏断路器进出侧电压

3）断路器出线处存在明显烧焦痕迹，断路器状态正常、新更换的交流接触器状态正常，如图5所示。

图5 整流柜故障器件

4）整流柜内，在整流模块输出与分体桩的K1、K2间装有熔断器，未有熔断迹象，处于正常工作状态，如图6所示。

图6 整流柜内的熔断器

2.3.2 现场测试

为确认故障充电桩的K1、K2开关在突然断电情况下的动作情况，以及突然断电故障情况下充电桩的报文报文响应情况。现场测试中，采用便携式电动汽车模拟装置，模拟充电电压500 V、电流10 A情况下，整流柜交流侧断路器突然断开的情况。

如图7所示，充电过程K1、K2处于闭合导通状态，突然断电后K1、K2处于断开未导通状态，恢复供电而未启动充电时K1、K2依然保持断开未导通状态。

图7 K1、K2导通状态

通过截取充电报文，在整流柜交流侧断路器突然断电后，充电桩已发出多条“充电机中止充电”报文，并控制充电机停止充电，符合标准规范要求，充电报文内容如图8所示。

图8 急停断电充电桩输出报文

2.4 故障确认

2.4.1 故障分析

结合理论分析、现场勘查及测试结果，分析如下：

1）断电后充电桩发送停电报文，并且桩端K1、K2会及时断开，排除二次上电的冲击电流对车端的影响。

2）多方确认得知，车端熔断器熔断导致车辆故障，并且整流模块输出侧装有单向二极管，排除了电动汽车反向充电的可能性。

3）本次故障应为整流模块故障导致供电设备断电。

2.4.2 故障确认

为明确整流模块故障原因，对故障整流模块进行分析及测试，并与整流模块供应厂家交流，确认故障原因。

整流模块设计时考虑不周，交流进线需插针垂直插入，而现场安装后因安装施工原因，进线侧导线极易被弯曲，如图9（b）所示。导线插针与接线端子接触面积减少（面接触变为点接触），在大电流充电时导线插针过热烧坏绝缘层，引起模块交流进线短路。

图9 故障整流模块及现场接线图

综上所述，该次故障结论为：因充电桩整流模块设计考虑不周，导致整流模块交流输入侧短路，充电桩侧熔断器未动作，车内部熔断器熔断、专用变压器低压侧断路器跳闸，二次送电时因整流短路故障烧坏专变的低压侧B相断路器及整流柜的交流接触器。

3 结语

文中针对充电异常停电及充电后车辆故障进行了理论分析及现场测试、分析，并得出故障结论，为保证用户充电安全、可靠，提出整改建议及分析如下：

1）对于充电设施而言，因改进熔断器动作速度，避免因此类故障导致车端熔断器熔断，影响客户正常用车；整流模块因改进模块进线接线方式，以降低短路故障风险率；因增加充电设施的事件记录及充电状态监测功能，有利于对充电状态把控及充电故障分析。

2）对于电动汽车而言，多数车厂在车辆故障后以商业机密为由，不提供车辆充电故障时的报文，极大地增加了此次故障分析难度及此类故障二次发生的风险，模糊了故障责任划分，不利于保证车主充电安全。

3）对于充电桩运维，在未检查设备情况下，直接闭合变压器侧断路器，存在较大的安全隐患及操作危害，因增加充电设施相关专业知识及用电安全意识培训；节假日出现充电高峰，因增加充电桩的巡检力度，排查充电桩设备隐患。