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計思路和控制策略，并對多路切換存在的安全隱患和可靠性提出了應對措施。

關鍵詞：直流充電樁；多路輸出；無載切換；通斷反饋

1 直流充電樁介紹

直流充電樁主要由人機交互單元、功率單元、控制單元及充電接口組成。人機交互單元由觸摸屏和電源開關組成，用于設置充電方式和充電參數。功率單元是指交直流變換模塊。控制單元由主控板、控制保護單元、通信單元組成，完成充電過程的啟動、運行、實時監控以及關閉。充電接口由充電插座和充電插頭（充電槍）組成。直流充電樁輸入電壓是三相四線AC380V，頻率為50Hz，輸出是可調的直流電，直接為電動汽車的動力電池充電。因直流充電樁供電采用三相四線制，能提供足夠大的功率且輸出的電壓及電流調整范圍大，可以實現快充的要求。

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現方式，一種是采用大功率交直流轉換電路進行交直流變換，另一種是采用多組功率較小的充電模塊進行并聯輸出。前者集成度高，維護成本高，不易擴展，不適合大規模生產；后者由單個模塊并聯組成，便于擴展，適合大規模生產。以目前我司生產的單臺充電模塊15kW為例，如果用戶需要60kW直流充電樁，采用4臺充電模塊進行并聯即可實現，該模塊互換性強，維護成本較低。

2 直流充電樁多路輸出設計

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汽車充電時，按照一定的順序逐輛電動汽車充電，不存在兩輛及以上同時充電的情況。該模式系統配置簡單，以我司設計的120kW充電樁為例進行介紹。

充電樁在4槍輪流輸出模式時，直流回路接觸器KM1和接觸器KM2處于導通狀態，單槍可以實現120kW滿功率輸出。

圖2 四槍輪流充電電氣拓撲圖

（1）在控制器內為A1槍、A2槍、B1槍、B2槍，設計四路獨立的模擬量監測通道，以供槍狀態檢測需要。（2）4路直流回路獨立輸出，每條回路從直流母線正負兩端通過2個直流接觸器輸出，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）在充電槍與電動汽車連接后，充電樁自動進行充電。

2.2多路同時輸出充電模式

多路同時輸出充電模式是指充電樁可以實現對兩輛及以上電動汽車同時充電。此類充電樁在設計時，接觸器配置較多，需要將充電樁內部功率模塊進行劃分，劃分后可以實現多路同時輸出，但在同時輸出時各回路不能實現滿功率輸出。

我司自主設計了雙路同時輸出的120kW直流充電樁，可以實現雙槍最大60kW同時輸出，單槍可以實現120kW滿功率輸出。

圖3 雙槍同時充電電氣拓撲圖

充電樁在雙槍同時輸出模式時，直流回路接觸器KM1和接觸器KM2處于斷開狀態，將功率模塊部分劃分為兩個60kW功率單元。每個60kW單元分別對應兩路直流輸出，系統默認A1槍和A2槍為一個單元，B1槍和B2槍為一個單元。兩個單元中各取一路可以實現同時輸出，例如A1槍和B1槍可以同時輸出，A1槍和B2槍也可以同時輸出。若需要4槍同時輸出，則可將功率模塊劃分為4個單元，每個單元最大輸出功率30kW，也可以不均等分配。劃分越多系統配置與復雜，會降低系統的可靠性和安全性。

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，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），會造成接觸器觸點拉弧，長時間帶載運行會損壞接觸器觸點，造成觸點粘連或接觸器爆炸等安全隱患。

3.2 采用無載切換防止接觸器損壞

無載切換技術是指通過對直流回路電壓電流檢測，在控制邏輯中做到輸出回路無功率時進行切換。在無功率的情況下控制直流接觸器的吸合和斷開，可保證直流回路無電流沖擊，減少沖擊電流對接觸器觸點和直流回路無損害，保證了系統安全和接觸器的使用壽命。此外，在電氣元件配置時，直流回路正負極分別配置直流接觸器，防止只有一極配置接觸器發生短路的情況。

3.3 接觸器故障帶來的安全隱患

在多路同時輸出工作模式時，直流輸出回路配置的接觸器較多，如果某個接觸器出現故障，不能夠正常斷開或吸合，會導致充電回路短路或者過壓，將造成不可估量的損失。

3.4 采用通斷反饋技術防止接觸器故障安全隱患

通斷反饋技術是指控制單元通過檢測直流接觸器的輔助觸點狀態，間接測量直流接觸器主觸點的通斷狀態。監控單元對條支路接觸器的輔助觸點進行檢測，可以有效排除接觸器觸點不動作和觸點粘連的故障，在確定接觸器通斷狀態后進行回路控制，能夠保證控制系統的可靠性。

4 結束語

大功率直流充電樁多路輸出模式是直流充電樁的發展方向，合理的電路設計和控制策略是該模式穩定工作的前提。文章采用功率模塊劃分的方式實現多路輸出，成本低，便于系統后期維護。隨著直流充電樁的不斷發展，該技術將會得到普遍應用，對電動汽車的推廣使用具有重要意義。