大功率直流快充充電樁的設計

趙南 劉建偉 王闖闖

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與交流充電樁相比，直流充電樁的明顯優勢在于輸出直流功率易于調節，調節范圍更大，使電動汽車的充電速度更快。隨著全球能源危機的加深，石油資源的枯竭以及空氣污染的危害日益嚴重以及全球氣溫升高，各國政府和汽車公司普遍認識到節能減排是未來汽車技術發展的方向，電動汽車的發展將是解決這兩個問題的最佳方法[1]。

1 充電樁企業的研發情況

電動汽車范圍的擴大在汽車領域總被廣泛認同的。比較簡單的方法是將動力電池的容量增加，當車輛動力電池達到1000V電壓的時候，這個問題就能夠有效解決了。對于電動汽車充電時間問題的解決，是在動力電池發揮作用的情況下，充電樁能夠輸出1000V的電壓，充電電流也快速提升，此時充電樁可以達到的最大功率是350kW。對于充電樁企業而言，核心部件是充電模塊，使得直流充電樁更好地發揮作用，對大功率充電樁積極開發是非常必要的，具體的各種需要使用的充電模塊數量更多。直流充電樁為350kW，當使用的充電模塊是15kW的時候，就需要將將24個充電模塊并聯起來。使用30kW充電模塊的時候，12個充電模塊并聯起來就可以發揮充電作用了。并聯的模塊數量越少越好，這是由于模塊之間的均流更加可靠，而且控制性更好，充電樁系統有很高的集成度，投入的資金也更少，這也是直流充電樁功率大的一個重要原因。如果使用30kW的充電模塊，其所發揮的優勢是顯而易見的。

事實上，在2015年，中國的充電樁企業的充電樁核心組件就已經使用7.5kW的充電模塊了，使用的15kW充電模塊體積非常小，功率密度卻很高，可以達到33.75W/inch3，實現了200-750V的超寬范圍，有很高的轉換效率，可以超過95%，待機時候，功耗是非常低，不會超過10W。推出了新款方案，即超寬恒功率模塊為20kW，其出電壓的范圍界定在200-1000V之間，而且處于400-1000V的范圍內，平滑輸出恒功率為20kW，不需要在用電設備斷電、失電、或電的質量達不到要求而不能正常工作的情況下切換[2]。

2 直流快充充電樁的設計方案

2.1 15kW 的單個充電模塊的方案

交流/直流轉換電路的運行中，所發揮的作用是電流無諧波的輸入和直流電壓的輸出，保證電壓穩定，輸入功率因數要相對較高一些。在電路的使用中采用VIENNA式的三相功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）電路，實現交直流轉換，可以獲得良好的效果。圖1為三相5&EZZ6整流電路。

圖1 三相5&EZZ6 整流電路

2.2 120kW 直流快充充電樁的方案

基于15kW的單個充電模塊，對120kW的一體化直流快充充電樁進行設計，要注意充電樁的功率較大，而且是直流電流。圖2為120kW直流充電樁結構圖。

圖2 120kW 直流充電樁結構

3 一個充電樁配雙槍充電的功率自動分配方案

一個充電樁雙槍充電的功率自動分配可以給電動車的充電帶來諸多的便利，但是要實現負荷的自動分配，就要采用合理的控制措施。在具體的實施中，可以根據兩槍充電過程中所呈現出來的狀態信息對充電功率的參數進行調整，自動分配充電功率，使得充電機在運行的過程中對于負荷可以自動調節，確保負荷分配的合理性，由此使得負荷合理利用。

4 基于控制器局域網絡總線的并聯均流方案

在制定并聯均流方案的時候，以控制器局域網絡總線（Controller Area Network，CAN）為基礎建立起來。所謂的“均流方案”，就是在負載發生變化的時候，每一臺電源在輸出電壓的時候，所產生的變化是相同的，這樣可以讓每一臺電源在電流輸出的時候都按照功率份額平均分配。基于控制器局域網絡總線的并聯均流方案的具體實施中，要對該方案有效控制，就要采用模擬電流內環和數字電壓外環相結合的控制方式，實施雙閉環控制，以獲得良好的控制效果。

從數字電壓外圈的構成上來看，電壓檢測電路和電壓控制器分別對電壓進行檢測，有效地控制電壓，起到很好的穩壓作用。控制器局域網絡總線通信、D/A轉換和A/D采樣也是重要的組成部分。用電設備因斷電、失電、或電的質量達不到要求而不能正常工作[3]。

5 結語

綜上所述，嚴重的能源危機引起了各個領域的廣泛關注，為了更好地了解節能減排的效果，政府鼓勵使用電動汽車，減少排放，更好地達到節能效果。節約能源和減少排放是要實現的重要目標。