直流充电桩的基本工作原理及技术发展趋势

作者/ 张奇志 黄山市万邦电子科技有限公司(安徽 黄山 245000)

摘要：充电桩作为电动汽车产业的基础设施逐渐得到普及。本文介绍了直流充电桩的工作原理，给出了直流充电桩的电气原理图，阐述了直流充电桩的技术发展趋势。

引言

“汽车的电动化是大势所趋，体制优势是推动发展的根本。”充电桩作为电动汽车产业的基础设施建设越来越受到中央和地方政府的重视。2016年11月7日，国家发改委、国家能源局召开新闻发布会，对外正式发布《电力发展 “十三五”规划》，提出加快充电设施建设，促进电动汽车发展：到2020年，新增集中式换电站超过1.2万座，分布式充电桩超过480万个，基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系,满足全国超过500万辆电动汽车的充电需求。有专家预测，到2030年，新能源汽车的推广量将达到5000万辆。由此推算，到2020年需要2万座充电站、507万个充电桩;2030年建14万座充电站、5000万个充电桩。一线城市北京、上海、深圳都积极响应电动汽车的国家战略政策，纷纷出台政策规划。到 2020 年，北京将基本建成互联互通、智能高效的充电设施服务网络，可保障60万辆电动汽车的充电需求，重点区域的充电服务半径小于0.9公里。根据“十三五”规划，上海将全面建成 651座公共充电站、39座公交车充电站、225座出租车充电站及3495台环卫物流专用充电桩。

2017年8月9日，安徽省发展和改革委员会、安徽省能源局、安徽省经济和信息化委员会、安徽省财政厅、安徽省住房和城乡建设厅、安徽省交通运输厅、安徽省质量技术监督局、安徽省物价局联合印发《安徽省电动汽车充电基础设施建设规划(2017-2020年)的通知》，通知中指出，至2020年，建成公交车专用充换电站200座，环卫、物流等专用车充电站100座，城市公共充电站130座， 分散式公共充电桩3万个，公务车与私家车分散式自用充电桩15万个，城际快充站170座，为满足20万辆以上电动汽车充电需求。

这样的政策浪潮下，充电桩行业发展迅猛，但对于绝大多数普通消费者，充电桩还是一个新生事物，相关的专业文章也还很少。本文将介绍充电桩的分类及直流充电桩的基本工作原理。

1 充电桩的分类

充电桩分为交流充电桩和直流充电桩。前者俗称“慢充”，后者俗称“快充”。

充电交流充电桩通过电动汽车内置的“车载充电机”将电网的交流电转换为直流电后对电池充电。车载充电机(OBC：On Board Charger)目前国内市场主要有两种功率大小：3.3kW(输入：220VAC/16A，输出：200V-420VDC / 10A)和6.6kW(输入：220VAC/32A，输出：200-420V/20A )。输出电流小，充电速度慢，所以被称为“慢充”。交流充电桩根据其匹配车载充电机功率不同相应有3.3kW和6.6kW之分。直流充电桩内置大功率直流充电模块，充电桩本身将电网的交流电转换为直流电，输出电流可以高达100A以上，所以被称为“快充”。交流充电桩和直流充电桩对电动汽车的充电方式如图1所示。

直流充电桩可以从功率大小、充电枪的多少、结构形式、安装方式等不同维度进行分类。其中，按结构形式比较主流的分类是将直流充电桩分为两种：一体式直流充电桩和分体式直流充电桩。

2 直流充电桩的基本工作原理

在国家能源局发布的直流充电桩相关的行业标准《NB/T 33001-2010：电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中指出，直流充电桩基本构成包括：功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。功率单元是指直流充电模块，控制单元是指充电桩控制器。直流充电桩本身作为一种系统集成产品，除了 “直流充电模块”和“充电桩控制器”这两个组件构成了技术核心之外，结构设计也是整桩可靠性设计的关键点之一。 “充电桩控制器”属于嵌入式硬件和软件技术范畴，“直流充电模块”则代表了电力电子技术在AC/DC领域的最高成就。

充电的基本过程是： 在电池两端加载直流电压，以恒定大电流对电池充电，电池的电压渐渐地缓慢地上升，上升到一定程度，电池电压达到标称值，SoC达到95%(针对不同电池，不一样)以上，继续以恒压小电流对电池充电。“电压上去了，但电量没有充满，就是没有充实，如果有时间，可以改用小电流充实”。 为了实现这个充电过程，充电桩在功能上就需要有“直流充电模块”提供直流电源;需要有“充电桩控制器”控制充电模块的“开机、关机、输出电压、输出电流”;需要有“触摸屏”作为人机界面下发指令，通过控制器将“开机、关机、输出电压、输出电流”等指令下发给充电模块。从电气层面理解的最简充电桩只要有充电模块，控制板和触摸屏就可以了;