非車載充電機充電異常分析與研究

衷莉蘭，范亞軍，鄧禮敏，楊愛超，熊 茹

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西 南昌330096；2.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌330096）

0 引言

2015年10月，國務院發布的《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》明確指出：到2020年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎設施體系，新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480 萬個，滿足超過500 萬輛電動汽車的充電需求；建立較完善的標準規范和市場監管體系，形成統一開放、競爭有序的充電服務市場；形成可持續發展的“互聯網+充電基礎設施”產業生態體系，在科技和商業創新上取得突破，培育一批具有國際競爭力的充電服務企業。

1 非車載充電機的應用現狀

電動汽車充電優質服務是客戶最為關心的需求之一，充電設施的建設發展實現安全有序充電仍然是目前急需解決的重大問題及技術瓶頸，存在的問題主要有：

1）電動汽車充電過程存在著火等嚴重安全隱患；

2）充電設施與電動汽車不匹配容易引起充電故障；

3）充電設施檢測技術及標準體系有待完善；

4）充電設施運維檢測工作不到位。

截止2017 年12 月，我國新能源汽車保有量約172.9 萬輛，其中電動汽車保有量接近150 萬輛，到2020 年新能源汽車年產銷達到200 萬輛。江西省電動汽車保有量已超過2萬輛，已配套充電樁2000臺左右。隨著電動汽車產業的快速發展，充電設施規模的不斷壯大，如何確保充電設施的安全性、可靠性、可用性以保障充電服務質量，對地方政府、充電設施運維企業提出了挑戰。

充電設施的現場檢測，分析充電故障原因是確保電動汽車充電服務過程的安全、可靠，保障電動汽車及人員、財產安全的關鍵環節，也為計費準確提供技術支撐。

2 非車載充電機的電氣原理

非車載充電機的電氣部分由主回路和二次回路組成。主回路的輸入是三相交流電，經過輸入斷路器、交流智能電能表之后由充電模塊（整流模塊）將三相交流電轉換為電池可以接受的直流電，再連接熔斷器和充電槍，給電動汽車充電。二次回路由充電樁控制器、讀卡器、顯示屏、直流電表等組成。二次回路還提供“啟停”控制與“急停”操作；信號燈提供“待機”、“充電”與“充滿”狀態指示；顯示屏作為人機交互設備則提供刷卡、充電方式設置與啟停控制操作。見圖1。

圖1 非車載充電機電氣原理框圖

3 直流充電模型

非車載充電機輸出由9 根線組成，分別是：直流電源線路：DC+、DC-；設備地線：PE；充電通信線路：S+、S-；充電連接確認線路：CC1、CC2；低壓輔助電源線路：A+、A-[1]。直流充電樁就是通過這9 根線給電動汽車進行充電，其具體的充電模型如圖2。

圖2 直流充電模型

左邊是非車載充電機（即直流充電樁），右邊是電動汽車，二者通過車輛插頭、插座相連。

車輛模型主要由“非車載充電機”、“車輛接口”、“電動汽車”這三部分構成[2]，所以充電異常中止基本也由這三部分引發。

4 充電異常分析

4.1 非車載充電機部分引起的充電異常中止情況

非車載充電機部分引起的充電異常中止情況如圖3所示。

圖3 非車載充電機異常

1）在充電過程中，如果非車載充電機出現不能繼續充電的故障（如充電樁意外進水或異物進入、環境溫度驟變等），則向車輛周期發送“充電機中止充電報文”并控制充電機停止充電，在100 ms 內斷開K1、K2、K3、K4。

2）在充電過程中，非車載充電機控制裝置如發生通訊超時（如通訊線路故障時），則非車載充電機停止充電，并在10 s內斷開K1、K2、K5、K6；非車載充電機控制裝置發生3 次通訊超時即確認通訊中斷，則非車載充電機停止充電，并在10 s 內斷開K1、K2、K3、K4、K5、K6。

3）在充電過程中，非車載充電機輸出電壓若大于車輛最高允許充電總電壓（如充電樁輸出限壓功能失效等），則非車載充電機應該在1 s 內停止充電，并斷開K1、K2、K3、K4。

4.2 車輛插頭、車輛插座引起的充電異常中止情況

車輛插頭、車輛插座引起的充電異常中止情況如圖4所示。

圖4 車輛插頭、車輛插座異常

1）在充電過程中，非車載充電機控制裝置通過對檢測點1 的電壓進行檢測，如果判斷開關S 由閉合變為斷開（如充電槍上按鍵失靈或誤觸發等），應在50 ms內將輸出電流降至5 A以下。

2）在充電過程中，非車載充電機控制裝置通過對檢測點1的電壓進行檢測，如果判斷車輛接口由閉合變為斷開（如車輛意外移動、充電槍線纜被意外擾動等），則控制非車載充電機停止充電，應在100 ms內斷開K1、K2、K3、K4。

4.3 電動汽車引起的充電異常中止情況

電動汽車引起的充電異常中止情況如圖5所示。

圖5 電動汽車異常

在充電過程中，如果車輛出現不能斷續充電的故障（如BMS系統誤報電池實時狀態，車輛控制裝置誤關斷充電回路接觸器等），則向非車載充電機發送“車輛中止充電報文”，并在300 ms（由車輛根據嚴重程度決定）內斷開K5、K6。

5 應用效果

通過對構成車輛模型“非車載充電機”、“車輛接口”、“電動汽車”這三部分進行“體檢”，分析了非車載充電機充電時有那些異常中止的情況，總結了非車載充電機充電異常中止的原因，方便日后給充電樁測試系統“把脈”。

目前江西省內已建設充電設施2000臺左右，大部分充電設施未開展投運前及周期性檢驗檢測工作。在電動汽車充電過程中，存在電動汽車與充電樁無法正常通信等充電故障，以及電池過充、充電電壓過壓、電流過流、充電設施絕緣電阻不合格、充電站接地不合格[3]等一系列安全問題，為電動汽車充電設施運營與使用帶來了極大的安全風險，因此非常有必要加強電動汽車充電設施檢測新技術的研究與應用，提升電動汽車與充電設施質量，分析充電故障原因，培育良好的市場服務和應用環境。同時由于電動汽車充電過程中涉及電費計量問題，為確保充電計費的公平、公正，應對充電設施內部計量器具依法進行檢定或校準。

6 結語

綜上所述，針對江西省電動汽車充電設施建設與充電服務存在的各類問題，非常有必要建設充電設施性能及計量檢測能力、電動汽車BMS 系統及電池檢測能力、電動汽車充電故障檢測分析能力，為開展全省范圍內的充電設施全性能檢測提供條件，保障電動汽車充電服務安全，有效提升電動汽車充電服務質量，促進電動汽車產業的發展與推廣。