新型智能充電技術—箱式充電站

潘景宜

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新型智能充電技術—箱式充電站

潘景宜

(珠海泰坦科技股份有限公司，廣東 珠海 519000)

根據現在能源供給的復雜性，電動汽車充放電站的發展對于實施國家能源建設，促進節能減排有著非同尋常的意義。根據電動汽車發展的趨勢和現在國內外電動汽車運行的情況，大量使用的還是市內公交和集團使用的車輛。在國內奧運和世博電動汽車成功運行都標志著城市公交使用電動汽車是可行的，而且與其相配套的充電設施完全可以滿足運行的需求。隨著社會車輛的迅速增長，乘用車輛將是今后城市交通發展的主要車輛。

能源；節能減排；電動汽車；充電樁

0 引言

根據現在能源供給的復雜性，以電動汽車充放電站的發展對于實施國家能源建設，促進節能減排有著非同尋常的意義。根據電動汽車發展的趨勢和現在在國內外電動汽車運行的情況來看，大量使用的還是市內公交和集團使用的車輛。在國內奧運和世博電動汽車成功運行都標志著城市公交使用電動汽車是可行的，而且與其相配套的充電設施完全可以滿足運行的需求。但是隨著社會車輛的迅速增長，乘用車輛將是今后城市交通發展的主要車輛。目前，已有文獻對新型智能充電技術進行了研究[1-5]。

1 大功率充電設備

1)?解決乘用車輛的充電問題，是發展城市電動汽車目前主要需解決的問題。

2)?電動車輛快速充電問題，是加速車輛流通的主要方案。

3)?在城市充電站內的有限空間內，安裝一機多用途的充電設備，是有效利用空間的優選方案。

4)?大功率寬范圍輸出的智能型充電設備，可以面對各種類型的車輛和各種用戶自助地刷卡并按照自己的需求選擇用何種方法完成充電工作。

5)?城市電動汽車充電站是今后城市電網建設中的一個主要用戶，設計符合智能電網管理系統中的電動汽車充放電設備，滿足車輛充電、放電功能，充放電設備控制自動調節，實現自動監控，完成數據采集與處理，充電事件記錄、數據收集、查詢、統計分析數據等功能是城市微網建設中的一個課題。

目前國家電網對智能電網建設正處于研究試點階段，重點開展智能電網發展規劃工作，制定技術和管理標準，開展關鍵技術研發和設備研制，開展各環節的試點工作。中國正大力發展風電和光伏電，風電和光伏電都是間隙能源，需要儲電裝置。無論是風電、光伏電還是低谷電，都可用鋰離子電池儲存。在所有儲電裝置中，鋰離子電池的效率是最高的，可高達90%，晚上用電池儲電，白天用來開車。預計到2020年中國裝機容量將達9~10億kW，低谷電可為4 000~5 000萬輛鋰電汽車充電。

作為一個公共開放的電動汽車充電站中的充電設備必須是面對各類電動車輛，小到乘用車輛，大到公交車輛或不同電壓等級的車輛，不同目的車輛(有的車來充電，有的車來賣電)都可以在短時間內快速的將電充滿。研究電動汽車充電站的大功率直流快速充電、放電設備，在各類在實際工況運行時的電路拓撲，有效的解決輸出電壓范圍寬、充電時間短和兼容不同工作狀態的難題。

2 實際運行造成的新的問題

1)?電動汽車發展是國家的基本戰略，充電是電動汽車的基本環節，電動汽車的充電的問題已經明顯的滯后電動汽車的推廣運用。

2)?目前電動汽車充電的主要問題：

a. 充電整體效率低；

b. 充電設備適用環境差；

c. 沒有適應環境的充電模塊；

d. 充電沒有更合理的控制策略。

3) 解決方案

a. 用最先進的控制理論開發系統；

b. 引進國內、國際最先進的第三代功率電子器件，使用寬禁帶器件。

因此，用最好的器件來做充電設施，用最好的控制策略來做充電系統。

3 分析

3.1 一體化大功率充電設備

目前國內的充電站投資建設已經越來越理性化了，大功率的快速充電一定是解決電動汽車普及應用的唯一途徑。采用傳統的充電法，純電動汽車充滿一次電要好幾個小時。隨之出現的快速充電，也只是在電池容量0.5 C電流的情況下，2?h可以充足電。但由于補充電時間仍舊較長，還是不能滿足車輛運營的需求。超快速充電技術是利用大功率的充電設備，根據電池的固有特性，可在很短的時間內就可充70%～80%的電。這將為純電動汽車的商業化提供技術支持，也是目前純電動汽車電池充電技術的發展動向之一。

圖1的曲線是一組100%放電的電池，充電電量從0開始增加。曲線是計算機自動采樣繪制，采樣時間5 s，采樣周期1 min。從圖中可以看到，由于電池的特性，車輛在充電2 h后，充電機的輸出電壓不再升高，在10 mim之間充電電流逐漸減少，充電機的輸出功率達到了極低值。因此在充電的最后10 min內出現了大部分功率被閑置的現象。

圖1 充電倍率0.5 C，充電時間130 min

在大功率輸出充電系統中，常規充電設備的輸出電壓要比電池充電時的最大所需電壓高(圖中黃線部分)；常規充電設備的容量要比電池充電時的最大所需容量大(圖中綠線部分)，在開始的充電過程沒有達到滿功率輸出，到了最后階段幾乎消耗很小的功率。如圖中粉紅及綠色部分，此部分大約占充電設備滿功率時輸出的20%還多。以下按照現場實際運行的大功率設備進行驗算。

目前大功率的充電情況：

一輛18 m的鈦酸鋰電動公交汽車。單只電池放電的最低電壓1.8 V，最高充電電壓2.7 V。電池組額定電壓580 V，額定容量240 Ah。運行時放電是整車最低電壓454 V，充電的最高電壓680 V。若使用的充電設備是360 kW雙槍大功率充電設備，最高輸出電壓750 V，最低輸出電壓200 V；最大輸出電流240AX2槍。

充電槍插入時，充電電壓大約600 V，電流240AX2，使用2C的電流進行充電。充電的初期容量只是充電設備輸出容量的60%，約220 kW。隨著充電的進行充電容量越來越大，到達0.5 h左右，充電達到最大容量326 kW左右。此時充電的容量是充電設備輸出容量的90%左右。

上汽生產的榮威ERX5的三元鋰電池SUV乘用車。單只電池放電最低電壓2.7 V，最高充電電壓4.1 V。電池組額定電壓350 V，額定容量72 Ah。運行時放電的最低電壓259 V，充電的最高電壓394 V。使用的充電設備是100 kW大功率充電，最高輸出電壓750 V，最低輸出電壓200 V；最大輸出電流200 A。

充電槍插入時，充電電壓大約270 V，電流200 A，使用2.5 C的電流進行充電。充電的初期容量只是充電設備輸出容量的54%，約54 kW。隨著充電的進行充電容量越來越大，到達0.5 h左右，充電達到最大容量79 kW左右。此時充電的容量是充電設備輸出容量的79%左右。

表1預設的是在某一充電站，站內配置了六套100 kW的大功率充電設備，主要針對乘用車；配置了兩套360 kW的大功率充電設備，主要針對是電動公交車。預設了每天最大可能的充電車輛臺數。兩種都案例都是一臺充電設備對一輛車的充電方法，車上的電池都是100%放電時理想時的充電狀態，正常情況下一般電動汽車返場后的SOC都在40%~60%，充電設備的補充功率一般都在70%~90%。設備還是有許多富裕容量。如何合理的利用這些富裕功率，是我們需要研究的問題。

表1 傳統設備配置方案

3.2 充電環境對充電設備的影響

近年來，隨著電動汽車對大功率充電設備的需求，大功率充電設備的容量不斷提升。另外社會對大功率充電設備的需求方式的普及化的要求，將過去安裝在室內的充電設備安裝在室外。這時就使充電設備提出了對環境提出了更高的要求。

充電設備運行在戶外，要將設備的防塵等級加大。設備密閉將使電力電子器件的發熱問題凸現出來。在正常情況下，室內運行的充電設備溫度在45 ℃以下。而往往運行在戶外的充電設備，當太陽直射在柜體上時，柜內的溫度可以升至60~70 ℃，甚至接近80 ℃。這樣柜內的電力電子開關器件和其他無源器件的散熱條件開始惡化，輕則導致系統的整體效率降低、性能變差；重則有可能損壞器件，使整個系統癱瘓。此時就必須針對高溫工作環境，從器件、電路結構和控制方法三個部分進行改進和優化，以適應這些惡劣的工作環境。

3.3 適應環境的充電模塊

第三代最先進的功率電子器件：它突破第一、二代半導體材料的發展瓶頸，被業界一直看好。很多人認為依靠硅器件繼續完善和提高電力電子裝置與系統性能的潛力已十分有限。因此，將越來越多的注意力投向基于寬禁帶半導體材料的電力電子器件。

禁帶寬度為零的是金屬，禁帶寬度很大的是絕緣體，禁帶寬度居中的是半導體。室溫27 ℃下，鍺的禁帶寬度約為0.66 eV；硅的禁帶寬度約為1.12 eV；砷化鎵的禁帶寬度約為1.424 eV；氮化鎵的禁帶寬度約為3.44 eV；金剛石的禁帶寬度在室溫下為5.47 eV。半導體的反向耐壓，正向壓降都和禁帶寬度有關。金剛石在一般情況下是絕緣體，則禁帶寬度很大，在室溫下不能產生出載流子，所以不導電。不過，在數百度的高溫下也同樣呈現出半導體的特性，因此可用來制作工作溫度高達 500 ℃以上的晶體管。碳化硅材料是寬禁帶半導體材料的另一個代表。而碳化硅的工作溫度可達600 ℃，優異的特性使其在研制高溫、高頻、大功率、抗輻射器件。

基于碳化硅器件的耐高溫特性對電源內熱管理技術，預防熱點的產生進行深入研究。 大大降低了系統的散熱面積，允許使用更小的散熱片及風扇，降低散熱器體積及功率損耗。最主要解決效率的提升和磁性器件優化研制?；谔蓟杵骷鸩竭\用，放寬了對充電電源環境溫度的要求，使碳化硅器件的電源模塊的工作環境溫度提高40~50 ℃，自身效率的提高3%~4%。

3.4 更合理的充電控制策略

電動汽車充電系統通因核心的充電模塊寬電壓性能提升，使設備的通用性得到了很好的解決?？墒浅潆妿砉β逝渲美速M如何解決；電池組容量逐漸增大，常規充電系統功率配置不足如何解決；充電系統由于充電模塊損壞降功率輸出導致充電時間過長如何解決。

大功率、智能化、功率模塊集中管控，按需分配箱式充電站?？梢杂行У慕鉀Q以上問題。

從圖2中可以看出，充電設備在充電整個過程中，有大量的富裕功率。如圖中的粉紅色和綠色區域，在整個充電中大約占到20%之多。如果在系統上再并聯三套同樣功率的設備，每套富裕出20%的功率，四套就富裕出80%功率。這樣就可以用四套設備功率配置給五組電池充電了。

圖2 電池充電時序圖

還是針對前面提出兩種車輛充電案例，同樣滿足表1中的充電車輛數?，F配置箱式充電站設備見表2。

表2 箱式充電站設備

從表2中可以看出，滿足表1同樣數量電動汽車的充電需求，傳統一體機充電設備配置的充電站總裝機功率1 320 kW，配電容量1 600 kVA。箱式充電站配置的充電站總裝機功率920 kW，配電容量1 000 kVA。箱式充電站方案設備減少360 kW，配電減少600 kVA。用充電站的建設可以節約大量的站場面積，節約工程造價。

箱式充電站的優勢：

1)?系統多路輸出，8~16路(可以擴展到24路)，多車輛同時充電的輸出功率在時間軸上實現疊加，使得系統始終近滿功率輸出，功率配置得到高效的利用。

2)?輸出功率根據電池的充電需求大小可調，充電模式靈活，系統功率配置適應能力更強；各路之間可以根據需求自動調配功率；系統通過功率自動分配單元將對應模塊輸出切換至該路輸出接口。當某個充電接口需求充電電流降低時，充電監控器自動計算出富余的充電電源模塊數量，并將其投切至其他功率不足的輸出接口，提高充電電源模塊的功率利用率。

每套系統通過功率自動分配單元實時監測各路輸出，實時檢測故障模塊信息，自動將故障信息上送至充電監控器，充電監控器控制繼電器剔除故障功率分配單元。盡管在部分模塊出現故障時，系統總功率有所下降，但仍能夠滿足部分充電終端輸出功率的需求，充電時間不會受到影響，容錯能力更強。

充電系統多路輸出接口間功率智能調度分配，各功率單元之間的切換使用磁保持繼電器，即使用小控制信號控制大功率器件的輸出(發明專利201811281229.1)。

3)?箱式充電站能有效減少充電站的設備、建設以及配電投資，減少后期技術升級投資，降低運維管理成本。

4)?箱式充電站的高效能和適應多元化的經營模式能力，確保了充電站運營的收益。

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New intelligent charging technology-box charging station

PAN Jingyi

(Zhuhai Titan Technology Co., Ltd., Zhuhai 519000, China)

According to the complexity of energy supply at present, the development of charging and discharging stations for Electric Vehicles (EV) is of extraordinary significance for implementing China energy construction and promoting energy conservation and emission reduction. Based on the development trend of EV and the running situation of EV at home and abroad, a large number of city buses and group vehicles are used. The successful operation of EV in both the Olympic and world expo shows that it is feasible to use EV in urban public transport, and the corresponding charging facilities can fully meet the operation needs. With the rapid growth of social vehicles, passenger vehicles will be the main vehicles for urban traffic development in the future.

energy; energy conservation and emission reduction; electric vehicles; charging pile

2018-12-08

潘景宜(1951—)，男，高級工程師，主要從事電動汽車充換電研究與標準編寫。E-mail:13600365135@139.com