大功率直流充電樁多路輸出模式研究

摘 要：文章介紹了直流充電樁的組成，提出了直流充電樁多路輸出的設(shè)計(jì)思路和控制策略，并對(duì)多路切換存在的安全隱患和可靠性提出了應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：直流充電樁；多路輸出；無(wú)載切換；通斷反饋

1 直流充電樁介紹

直流充電樁主要由人機(jī)交互單元、功率單元、控制單元及充電接口組成。人機(jī)交互單元由觸摸屏和電源開(kāi)關(guān)組成，用于設(shè)置充電方式和充電參數(shù)。功率單元是指交直流變換模塊。控制單元由主控板、控制保護(hù)單元、通信單元組成，完成充電過(guò)程的啟動(dòng)、運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及關(guān)閉。充電接口由充電插座和充電插頭（充電槍?zhuān)┙M成。直流充電樁輸入電壓是三相四線(xiàn)AC380V，頻率為50Hz，輸出是可調(diào)的直流電，直接為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池充電。因直流充電樁供電采用三相四線(xiàn)制，能提供足夠大的功率且輸出的電壓及電流調(diào)整范圍大，可以實(shí)現(xiàn)快充的要求。

圖1 直流充電樁電氣原理圖

直流充電樁的功率模塊有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是采用大功率交直流轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行交直流變換，另一種是采用多組功率較小的充電模塊進(jìn)行并聯(lián)輸出。前者集成度高，維護(hù)成本高，不易擴(kuò)展，不適合大規(guī)模生產(chǎn)；后者由單個(gè)模塊并聯(lián)組成，便于擴(kuò)展，適合大規(guī)模生產(chǎn)。以目前我司生產(chǎn)的單臺(tái)充電模塊15kW為例，如果用戶(hù)需要60kW直流充電樁，采用4臺(tái)充電模塊進(jìn)行并聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)，該模塊互換性強(qiáng)，維護(hù)成本較低。

2 直流充電樁多路輸出設(shè)計(jì)

2.1 多路輪流輸出充電模式

多路輪流輸出充電模式是指在充電樁為電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，按照一定的順序逐輛電動(dòng)汽車(chē)充電，不存在兩輛及以上同時(shí)充電的情況。該模式系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，以我司設(shè)計(jì)的120kW充電樁為例進(jìn)行介紹。

充電樁在4槍輪流輸出模式時(shí)，直流回路接觸器KM1和接觸器KM2處于導(dǎo)通狀態(tài)，單槍可以實(shí)現(xiàn)120kW滿(mǎn)功率輸出。

圖2 四槍輪流充電電氣拓?fù)鋱D

（1）在控制器內(nèi)為A1槍、A2槍、B1槍、B2槍?zhuān)O(shè)計(jì)四路獨(dú)立的模擬量監(jiān)測(cè)通道，以供槍狀態(tài)檢測(cè)需要。（2）4路直流回路獨(dú)立輸出，每條回路從直流母線(xiàn)正負(fù)兩端通過(guò)2個(gè)直流接觸器輸出，在直流接觸器下端配置直流熔斷器，隔離直流回路外部短路故障。（3）在充電槍與電動(dòng)汽車(chē)連接后，充電樁自動(dòng)進(jìn)行充電。

2.2多路同時(shí)輸出充電模式

多路同時(shí)輸出充電模式是指充電樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輛及以上電動(dòng)汽車(chē)同時(shí)充電。此類(lèi)充電樁在設(shè)計(jì)時(shí)，接觸器配置較多，需要將充電樁內(nèi)部功率模塊進(jìn)行劃分，劃分后可以實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)輸出，但在同時(shí)輸出時(shí)各回路不能實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)功率輸出。

我司自主設(shè)計(jì)了雙路同時(shí)輸出的120kW直流充電樁，可以實(shí)現(xiàn)雙槍最大60kW同時(shí)輸出，單槍可以實(shí)現(xiàn)120kW滿(mǎn)功率輸出。

圖3 雙槍同時(shí)充電電氣拓?fù)鋱D

充電樁在雙槍同時(shí)輸出模式時(shí)，直流回路接觸器KM1和接觸器KM2處于斷開(kāi)狀態(tài)，將功率模塊部分劃分為兩個(gè)60kW功率單元。每個(gè)60kW單元分別對(duì)應(yīng)兩路直流輸出，系統(tǒng)默認(rèn)A1槍和A2槍為一個(gè)單元，B1槍和B2槍為一個(gè)單元。兩個(gè)單元中各取一路可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)輸出，例如A1槍和B1槍可以同時(shí)輸出，A1槍和B2槍也可以同時(shí)輸出。若需要4槍同時(shí)輸出，則可將功率模塊劃分為4個(gè)單元，每個(gè)單元最大輸出功率30kW，也可以不均等分配。劃分越多系統(tǒng)配置與復(fù)雜，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3 輸出切換安全和可靠性研究

3.1 輸出切換的安全隱患

在直流輸出回路切換時(shí)，如果直流回路存在較大的電流（大于2A）或者接觸器兩端存在較大的壓差（大于20V），會(huì)造成接觸器觸點(diǎn)拉弧，長(zhǎng)時(shí)間帶載運(yùn)行會(huì)損壞接觸器觸點(diǎn)，造成觸點(diǎn)粘連或接觸器爆炸等安全隱患。

3.2 采用無(wú)載切換防止接觸器損壞

無(wú)載切換技術(shù)是指通過(guò)對(duì)直流回路電壓電流檢測(cè)，在控制邏輯中做到輸出回路無(wú)功率時(shí)進(jìn)行切換。在無(wú)功率的情況下控制直流接觸器的吸合和斷開(kāi)，可保證直流回路無(wú)電流沖擊，減少?zèng)_擊電流對(duì)接觸器觸點(diǎn)和直流回路無(wú)損害，保證了系統(tǒng)安全和接觸器的使用壽命。此外，在電氣元件配置時(shí)，直流回路正負(fù)極分別配置直流接觸器，防止只有一極配置接觸器發(fā)生短路的情況。

3.3 接觸器故障帶來(lái)的安全隱患

在多路同時(shí)輸出工作模式時(shí)，直流輸出回路配置的接觸器較多，如果某個(gè)接觸器出現(xiàn)故障，不能夠正常斷開(kāi)或吸合，會(huì)導(dǎo)致充電回路短路或者過(guò)壓，將造成不可估量的損失。

3.4 采用通斷反饋技術(shù)防止接觸器故障安全隱患

通斷反饋技術(shù)是指控制單元通過(guò)檢測(cè)直流接觸器的輔助觸點(diǎn)狀態(tài)，間接測(cè)量直流接觸器主觸點(diǎn)的通斷狀態(tài)。監(jiān)控單元對(duì)條支路接觸器的輔助觸點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，可以有效排除接觸器觸點(diǎn)不動(dòng)作和觸點(diǎn)粘連的故障，在確定接觸器通斷狀態(tài)后進(jìn)行回路控制，能夠保證控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

大功率直流充電樁多路輸出模式是直流充電樁的發(fā)展方向，合理的電路設(shè)計(jì)和控制策略是該模式穩(wěn)定工作的前提。文章采用功率模塊劃分的方式實(shí)現(xiàn)多路輸出，成本低，便于系統(tǒng)后期維護(hù)。隨著直流充電樁的不斷發(fā)展，該技術(shù)將會(huì)得到普遍應(yīng)用，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的推廣使用具有重要意義。