关于群控小功率直流充电系统的研究与设计

摘 要：【目的】随着电动汽车行业的迅猛发展，电动汽车的充电需求也日益增长，人们迫切需要一种成本更低、适用性更强、速度更快的充电方式。为了解决当前充电机设备利用率低、充电速度慢、建设成本高的问题，设计了一种新型的群控小功率直流充电系统。【方法】通过对比现有产品的优缺点，分析了群控小功率充电机的功能和优势，归纳总结了产品的技术难点和要点。【结果】群控小功率充电技术同时结合了传统直流桩和交流桩的技术优势，具有充电速度快、设备利用率高、环境适应性强及成本低的特点。【结论】目前，小功率直流充电机主要存在功率分配策略的制定、散热结构设计等难题。随着相关技术的不断发展和关键问题的攻克，在不久的将来，群控小功率直流充电系统将在市场中占据重要地位。

关键词：电动汽车；群控小功率直流充电技术；功率互济；快速充电

中图分类号：TM910" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）13-0018-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.004

Research and Design of Group Control Low-Power DC Charging System

YIN Jiahao JIA Tian HU Mingyang FAN Xianbojun

（ Xuji Power" Supply Co.， Ltd.， Xuchang 461000，China）

Abstract： [Purposes] With the rapid development of the electric vehicle industry， the charging demand of electric vehicles is also increasing. Residents urgently need a charging method with lower cost， stronger applicability and faster speed. In order to solve the problems of low utilization rate， slow charging speed and high construction cost of current charger equipment， a new group control low-power DC charging system is designed. [Methods] By comparing and analyzing the advantages and disadvantages of existing products ， the functions and advantages of group control low-power chargers are pointed out， and the technical difficulties and key points of the product are summarized. [Findings] The group control low-power charging technology combines the advantages of traditional DC piles and AC piles， and has the characteristics of fast charging， high equipment utilization， strong environmental adaptability and low cost. [Conclusions] Currently， there are still issues with the formulation of power allocation strategies and the design of heat dissipation structures for low-power DC chargers. With the continuous development of research and development technology and the tackling of key issues， group control low-power DC charging systems will rapidly rise and occupy an important position in the market in the near future.

Keywords： electric vehicle; group control small DC technology; power mutual aid; fast charging

0 引言

随着科学技术的不断发展和我国能源架构的持续转型，电动汽车数量呈现出爆发式增长，而作为电动汽车的主要补能设备，充电桩的发展也变得至关重要。而传统的直流充电桩体积大、现场施工要求高、内部充电模块利用率①低；交流充电桩功率小、充电时间长。因此，小功率直流充电技术作为一种前沿充电技术被开发出来并持续推广，其结合了交流充电桩体积小、噪声低、成本低、施工便利的特点，同时也具备传统直流充电桩快速充电的能力，在电动汽车充电领域具有显著优势。而在小功率直流充电机的基础上，通过母线互联的方式可以使其形成一个拥有功率互济功能的群控小功率直流充电系统，从而进一步提高充电体验。本研究重点对群控小功率直流充电系统的功能特性、技术难点、要点及未来应用的前景进行探讨。

1 小功率直流充电技术研究现状

随着对小功率直流充电技术研究的不断深入，各种不同形态的小功率直流充电产品被不断推出。从2019年发布小功率充电机行业标准《20 kW及以下非车载充电机技术条件及安装要求》至今，市面上已经出现了7 kW、20 kW、30 kW等不同规格的充电机，同时出现了防护等级高达IP67且静音模式低至45 dB噪声的高性能产品，小功率充电技术的优越性已被行业广泛接受。但目前小功率充电机的功率一般集中在20 kW，少数产品可以达到40 kW，充满一辆40 kWh的电动汽车大约需要1～2 h，与部分大功率直流充电机30 min完成电池80%的充电速度相比仍然相形见绌。若能使小功率充电机之间相互进行功率互济，则可以在保留小功率充电机自身优势的基础上大幅缩减充电时间。截至目前，行业内还未出现功率互济型的小功率直流充电机。若能实现小功率充电机之间的功率互济，则可以形成一个一体式群控小功率直流充电系统，从理论上来讲，单桩充电功率最高可达数百千瓦［1］。届时，小功率充电产品的充电速度将得到大幅提升，甚至超过传统直流充电桩。

2 群控小功率直流充电机系统定义及功能特性

2.1 系统定义

群控小功率直流充电机系统是由2台或2台以上小功率直流充电机通过直流母线互联组成的。每个小功率充电机既能当作独立的终端对车辆进行充电，又能使空闲桩的充电模块通过互联母线分配到正在充电的桩上，从而实现充电功率互济，使小功率充电机也具备快速充电的优势，同时具备较强的灵活性。群控小功率直流充电系统如图1所示。

2.2 功能特性

2.2.1 快速充电能力。通过小功率充电机群组的功率互济，获得快速充电能力。根据电动汽车的充电需求及各个充电机的状态进行实时功率分配调整，在满足各个车辆需求的前提下使充电方式获得最优解［2］，从而使电动汽车迅速获取电能。

2.2.2 可靠安全防护。提供全方位的安全保障措施，包括电压互串防护、接触器粘连检测、过温保护、输出过流保护、输出过压保护等，确保充电过程的安全可靠。同时，拥有后台实时监控，可第一时间避免危险发生。

2.2.3 极高的模块利用率。由于空闲桩的充电模块会被需求大的终端桩②借用，而每个桩又是独立的充电终端。当其他车辆来充电时，被借用的空闲桩会退出功率互济，再次成为独立终端为车辆提供电能。这样可以充分利用系统内的各个充电模块，不存在传统桩内充电模块浪费的情况。

2.2.4 施工方便。系统继承了小功率充电机自身体积小的优势，现场施工方便，无须变压器扩容。同时，支持立柱式和壁挂式安装，只需预留一根直流母线，可快速部署于停车场、商业区、家属院等。

2.2.5 环保节能。设备为电动汽车提供电能补给，输出清洁能源，全过程低噪声、无污染。同时，内部采用环保材料设计，可降低能耗、减少浪费，符合可持续发展理念。

以上功能将使群控小功率直流充电机产品在充电场景中的应用更加广泛，为电动汽车提供更便捷、安全、高效的充电服务。随着这种充电设备在商业和公共领域的推广，将有效推动电动汽车的普及和充电基础设施的完善，进一步推进可持续交通和能源的发展。

3 面临的技术难点

3.1 一体式群控功率分配技术

一体式群控小功率直流充电控制系统不同于传统群控充电桩的集中式控制，是一种新型控制系统。由一根直流母线使每个充电机相互并联，且相互之间保持通信，并都能当作独立的终端对车辆进行充电。正在充电的终端桩能通过母线借用空闲桩的功率实现扩容，而被借用的空闲桩在插枪后可重新变为终端桩给车辆充电。由于系统共用一条直流母线，所以要对等待借用功率的充电桩进行优先级处理，使其对母线轮流占用，以免造成电压互串，损害汽车电池。同时，系统还应根据各枪口车辆的充电需求，实时进行功率变换。这就使得充电系统必须有一套强大的逻辑处理策略，在满足各终端车辆需求实时变化的同时还要保证功率分配的有序进行。

3.2 小尺寸大功率下的散热技术

小功率充电机内部空间相较于现有传统式直流充电机大幅减小，长时间充电后，机壳内部容易出现热量堆积。同时，由于功率互济功能，终端桩输出功率将成倍增加，充电过程产生的热量也将远超单桩。

根据电流发热公式，进行终端桩发热量计算见式（1）。

[Q=I2RT]" " " " " （1）

式中：I为单位时间内通过导体的输出电流，A；R为导体阻值，Ω；T为电流流经导体的时间，s；Q为单位时间内导体的发热量，J。

对于终端桩来说，I 为所有参与功率互济的充电桩的输出电流之和，R为终端桩自身充电回路电阻，近似看为定值。以一个6台20 kW小功率直流充电机构成的群控小功率直流充电系统为例，假设每台桩输出500 V电压、40 A电流，回路输出电阻取50 ℃下的定值1 Ω，得出的相同条件下参与功率互济的桩数量与终端桩发热量的关系如图2所示。

由图2可知，终端桩的热量根据所参与功率互济桩的数量呈指数级增长，庞大的热量会使壳体内的温度迅速升高，长时间的高温环境会使内部器件加速老化［3］。

利用仿真工具模拟50 ℃高温，当小功率直流充电机内部充电模块的出风口距离充电机壳体80 mm时，桩体底部温度的分布如图3所示。

通过仿真结果可知，此时充电机底部温度最高点达到78.99 ℃，随后继续仿真90 mm、100 mm、110 mm、120 mm等多组数据，结果见表1。

由表1可知，当充电模块出风口距离壳体越远，充电机底部的温度越低，热量越不容易聚集。当小功率充电机内部空间小，各部位相距较近，充电模块散发出的热量容易被阻挡造成回流。因此，需要找到既可兼顾散热又可以保持较小体积的合适尺寸，同时，采取更为有效的风道布局设计和散热措施，以防止过高的充电温度对桩体和车辆造成损害。

4 群控小功率直流充电技术要点

4.1 采用宽电压输出范围设计

目前，市面上常见的电动汽车的电池最高允许充电电压为380～750 V，也有部分车辆如蔚来、理想等支持900 V以上的高电压充电。因此，群控小功率直流充电机的内部建议选用支持从200～1 000 V的宽电压输出模块，恒功率电压范围300～1 000 V，峰值效率最好大于或等于96%，实现整机的高效输出［4］。

4.2 IP防护与降噪性能

在考虑散热性能的同时，需要保持小功率充电机自身的低噪声优势。因此，桩体应采用隔音材质，使产品能够满足居民小区等对噪声敏感的环境中使用，提高用户充电体验。在追求散热性的同时，充电机应至少达到户外IP54的标准。因此，需要综合考虑，合理设计进、出风口面积和风道结构，并在进出风口加装防尘棉、防护网等。

4.3 集成化设计

小功率充电机往往体积较小、内部空间有限，增加功率互济功能后，元器件的数量和大小势必要比之前有所增加，如增设母线接触器、更换大容量熔断器等。因此，建议使用集成化设计，尽量节省内部空间，以免造成内部空间拥挤，存在短路、干涉等风险，同时降低群控系统的成本。

4.4" 风险防范技术

系统内充电机共用直流母线，若控制不当，存在短路和电压互串风险。因此，需要在充电回路上添加控制桩体与母线通断的桥连接触器、保护充电桩输出过流的熔断器、防止车辆电压倒灌的防反二极管等防护措施，并时刻监测各器件状态和输出电压值。而且在大功率输出情况下，需要时刻监控枪头和桩内温度。因此，在程序上应设计枪口输出电压、母线电压、接触器状态、枪头温度、桩内温度等关键信息的高频周期检测。

4.5 智能运维技术

通过移动网络，使充电系统与后台建立通信，实现在远程检测充电机的实时状态信息，以便及时发现异常情况并采取远程停机、远程禁用、远程重启、远程升级等措施，第一时间保障系统和车辆的安全，从而实现快速、智能运维。因此，需要开发出配套的维护后台。

5 应用前景

群控小功率直流充电机产品满足工作地、目的地充电的需求和当前电动汽车市场中去除车载充电机（OBC）的趋势［5］，解决了目前充电模块利用率低、成本高等问题，其目标客户明确，市场容量和应用前景乐观。

电动汽车制造商。随着越来越多的汽车制造商考虑取消OBC并不断发展更快的车辆充电速度，他们将寻找支持大功率快充且成本较低的充电桩，以和自家产品进行配套［5］。

充电设施经销商。私桩共享模式的推广使交流充电桩越来越无法满足网约车等快速补电的需求，个人车主对充电桩功率的需求也增大，他们可能会寻找充电速度快、施工便利且日常维护简单的群控小功率充电机来满足相应的用户需求。

政府和能源企业公司。工作地、目的地的充电需求量增长迅猛，投资收益率低，市场需要更高性价比的充电系统解决方案。全国公共交流桩占比19.9%，群控小功率直流桩可替代现有的交流桩，提高充电服务能力。

在国内，随着政府对电动汽车产业的大力支持和电动汽车销量的不断增加，群控小功率直流充电机作为一种能够满足用户多方面充电需求的产品，将具有广阔的市场前景。

在海外市场，电动汽车的普及程度和政策支持程度因国家而异。一些先进的国家和地区，如欧洲、北美和一些亚洲国家，对电动汽车的发展给予了积极的支持，电动汽车的销量逐渐增加。尤其是在住宅区域和城市停车场等地方，对群控小功率直流充电机的需求潜力较大。无论是较早开始推广电动汽车的国家，如欧洲和北美，还是新兴的电动汽车市场，如印度和东南亚地区，群控小功率直流充电机的市场前景都未来可期［6］。

6 结语

随着电动汽车目的地充电市场的不断增长和对去除OBC的趋势，小功率直流充电机将成为未来充电产业生态中的重要组成部分。 该群控小功率直流充电机系统在继承了小功率直流充电机体积小、噪声低、成本低、施工便利的同时，还拥有传统直流桩的大功率输出能力和极高的设备使用率，应用前景广阔。因此，对群控小功率直流充电机各项关键技术开展深入研究就显得尤为迫切，随着社会发展和技术的进步，在不久的将来，群控小功率直流充电机会凭借着种种优势在充电市场中取得显赫成绩。

注释：

①充电模块利用率是指同一时刻，一台充电桩内正在被使用的充电模块数量与桩内总共的充电模块数量的比值。一台充电桩内有多个充电模块，如果插枪充电的车辆功率需求较小则仅会启动少量模块，剩余大量模块处于空闲状态，但由于充电车位已经被占，其他车辆同样无法使用这些模块，因此过低的设备利用率会造成设备资源浪费，群控小功率直流充电机可以有效解决这一问题。

②终端桩是指插枪后与车辆直接连接提供电能的充电桩。

参考文献：

［1］孔建飞，马存华.基于群控群充技术公交充电场站电气设计要点［J］.智能建筑电气技术，2022，16（3）：82-83，88.

［2］张臻，王聪慧，单栋梁，等.基于动态功率调节的恒功率电动汽车充电机的研究［J］.电器与能效管理技术，2019（4）：52-57.

［3］刘岿，潘景辉，吕国伟，等.不同散热方式对大功率汽车充电设备的影响分析［J］.环境技术，2023，41（11）：171-176.

［4］吴汉辉，张宗浩.浅析直流充电系统新技术发展及社会应用问题［J］.时代汽车，2022（17）：115-117.

［5］张世达.新能源汽车车载充电机（OBC）技术设计探究［J］.汽车维修技师，2024（4）：99-101.

［6］王凌锋，黄张弛.新能源汽车充电桩发展现状及可行性改良分析［J］.内燃机与配件，2023（17）：121-123.