直流充電樁功能板塊的高寒環(huán)境適應(yīng)性研究

郭琳，王智東，張紫凡，周長鵬，李志鋒，王登全

（1.廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800； 2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

引言

隨著電動汽車的日益普及，在大范圍內(nèi)建設(shè)配套充電裝置勢在必行。直流充電樁是一個復(fù)雜的電子設(shè)備，由功率模塊、控制系統(tǒng)模塊等構(gòu)成，在不同的溫度環(huán)境、尤其是在氣候較特殊的東北地區(qū)高寒環(huán)境下，對于直流充電樁各組成模塊能否良好運行，提出了更大的挑戰(zhàn)。

直流充電樁在高寒地區(qū)運行過程中容易出現(xiàn)間歇性故障甚至異常故障導(dǎo)致充電樁無法正常運行情況，當(dāng)前檢測多采用逐一置換充電樁各個板塊以查找失效模塊的解決方法，但該方法主要借助于運維人員的工程經(jīng)驗，而且充電樁各個板塊逐一排查存在工作量大、效率低的缺點。

本文針對上述問題，從理論上提出利用一種基于故障樹的分析方法，通過深入分析直流充電樁元件組成，研究充電樁各個板塊的溫度的自適應(yīng)性，從而分析出直流充電樁易受溫度影響的模塊，確定直流充電樁高寒環(huán)境運行的薄弱環(huán)節(jié)，為指導(dǎo)高寒環(huán)境下充電樁的生產(chǎn)和運維提供參考。

1 基于故障樹分析的直流充電樁模塊結(jié)構(gòu)

故障樹分析方法（FTA）是一種通過分門別類的形式描述直流充電樁模塊故障狀態(tài)的結(jié)構(gòu)樹[1,2]，是對系統(tǒng)故障形成的原因采用從整體至局部、逐漸細(xì)化的分析方法，它便于從不同的維度去發(fā)現(xiàn)和挖掘直流電樁模塊故障產(chǎn)生的原因。同時，F(xiàn)TA從結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出層次性和關(guān)聯(lián)性：層次性主要體現(xiàn)充電樁模塊故障分析的深度，以及同一層不同節(jié)點的聚焦維度；關(guān)聯(lián)性體現(xiàn)在上下各個層與層之間的邏輯關(guān)系，是直流充電樁模塊宏觀特征與微觀故障的聯(lián)系與紐帶。

直流充電樁主要由電源板、控制板、功率板、IGBT驅(qū)動板等構(gòu)成[3-5]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流充電樁結(jié)構(gòu)圖

充電樁模塊故障樹中，以頂事件（Top Event）表述直流充電樁故障的宏觀現(xiàn)象，以底事件（或基本事件）表述直流充電樁模塊的故障原因，以中間事件表述直流充電樁模塊故障的某種中間狀態(tài)，頂事件與底事件通過中間事件構(gòu)建關(guān)聯(lián)關(guān)系。在直流充電樁實際故障事件中，可得到各種故障類型和現(xiàn)象，通過梳理、整合，即可得到穩(wěn)定的故障樹模型，以此作為后續(xù)故障診斷的工具，為直流充電樁故障分析提供了更快速的判斷方法。

在本文實際分析過程中，故障樹頂事件為直流充電樁故障，中間事件為主要部件故障和輕故障；按照故障程度及故障源的不同，直流充電樁的主要故障可分為控制板故障、電源板故障、驅(qū)動板故障等6種類型，輕故障可以分為交流接觸器故障、觸摸屏故障 、IC刷卡器故障等4種類型，將這10種故障做為底事件。這樣通過對各類故障細(xì)分并依據(jù)其邏輯關(guān)系建立的故障樹如圖2所示[6]。

圖2 直流充電樁的故障樹

2 板塊分析

2.1 控制板

由直流充電樁結(jié)構(gòu)圖可以看出，微處理器是控制板塊的核心，主要由微處理器單元、時鐘電路和看門狗電路構(gòu)成，其構(gòu)造及元器件正常工作溫度范圍如圖3所示。

圖3 控制板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍示意圖

以控制板各電路模塊故障為中間事件，組成模塊的各元件故障為底事件，所建立的控制板故障樹如圖4所示。

由圖4可見，底事件之間及中間事件之間邏輯關(guān)系均為“與”，即MCU和時鐘、復(fù)位監(jiān)控芯片以及任一電阻或電容故障均可導(dǎo)致控制板障，因此，該控制系統(tǒng)的工作溫度范圍，取決于各元器件正常工作溫度范圍內(nèi)低溫的最大值、高溫的最小值，即系統(tǒng)的正常工作溫度范圍為（-40～85）℃。

圖4 控制板故障樹圖

2.2 IGBT驅(qū)動板

IGBT驅(qū)動板是直流充電樁的重要組成部分，主要由線性控制器（PI）、脈沖寬度調(diào)制電路（PWM)和驅(qū)動電路三個部分組成，其結(jié)構(gòu)及元器件工作溫度范圍如圖5所示。

圖5 驅(qū)動板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍示意圖

以驅(qū)動板各電路模塊故障為中間事件，構(gòu)成模塊的各元件故障為底事件，所建立的IGBT驅(qū)動板故障樹如圖6所示。

由圖6可見，底事件之間及中間事件之間邏輯關(guān)系均為“與”，即PI、PWM和驅(qū)動芯片以及任一電阻電容或二極管故障均可導(dǎo)致驅(qū)動板故障，因此，驅(qū)動系統(tǒng)的正常工作溫度范圍，仍取決于各元器件正常工作溫度范圍內(nèi)低溫的最大值、高溫的最小值，即系統(tǒng)的正常工作溫度范圍為（-25～85）℃。

圖6 IGBT驅(qū)動板故障樹圖

2.3 功率板

功率板是直流充電樁的關(guān)鍵部分，主要由三相橋式整流電路、全橋功率變換電路、放電去極化電路等部分組成，其結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍如圖7所示。

圖7 功率板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍示意圖

建立功率板故障樹的過程與驅(qū)動板故障樹類似，故省略功率板故障樹圖。分析可得功率板塊系統(tǒng)的正常工作溫度范圍為（-40～85）℃。

2.4 通訊板

當(dāng)前充電樁主要的通訊板包括232通訊電路、458通訊電路和CNA通訊電路，以458通訊電路作為代表，分析其結(jié)構(gòu)和組成元件，通訊板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍如圖8所示。

圖8 485通訊板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍示意圖

與功率板同樣地采用故障樹法分析，得出通訊系統(tǒng)的正常工作溫度范圍為（-40～85）℃。

2.5 檢測板

檢測板包括溫濕度檢測電路、電壓電流檢測電路兩部分。檢測板結(jié)構(gòu)及元件正常工作溫度范圍[7]如圖9所示。

圖9 檢測板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍示意圖

與功率板、通訊板同樣地采用故障樹法分析，得出檢測系統(tǒng)的正常工作溫度范圍為（-20～70）℃。

2.6 電源板

電源板為直流充電樁各模塊內(nèi)部芯片提供直流電，其結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍如圖10所示。

圖10 電源板結(jié)構(gòu)及元器件正常工作溫度范圍示意圖

同理采用故障樹法分析可得電源系統(tǒng)的正常工作溫度范圍為（-55～105）℃。

2.7 其它模塊（元器件）

交流接觸器連接于三相交流電源與功率板之間，起到電源開關(guān)作用，正常工作溫度范圍為（-25～55）℃[8]；電能計量模塊即電能表，通過485通訊模塊連接MCU，為電動汽車充電計費，正常工作溫度范圍為（-40～80）℃；人機(jī)交互模塊是直流充電樁與用戶交互的平臺，由觸摸屏和IC刷卡器組成，兩器件的正常工作溫度范圍分別為（0～50）℃和（-10～60）℃。

2.8 直流充電樁各板塊正常工作溫度范圍

綜上所述，各板塊的工作溫度范圍如圖11所示。

圖11 各板塊工作溫度范圍示意圖

3 溫度對充電樁模塊的影響分析

由圖11可見，直流充電樁的觸摸屏及內(nèi)部含芯片的模塊電路較易受環(huán)境低溫影響，這是由于：

在低溫環(huán)境下，若觸摸屏內(nèi)置電池、且環(huán)境溫度低于零下10 ℃，電池的放電能力及壽命會迅速下降；同時觸摸屏的響應(yīng)可能較遲緩，出現(xiàn)拖影甚至無法啟動的情況。

目前芯片由多種電子器件構(gòu)成，元件的基礎(chǔ)材料為半導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力、極限電壓、極限電流以及開關(guān)特性等受環(huán)境低溫的影響很大，嚴(yán)重時可直接導(dǎo)致芯片不能正常工作。

4 環(huán)境低溫對充電樁影響的改善措施

由以上分析可見，提高直流充電樁電子部件的抗寒能力尤為重要。

為了保證電子元器件的質(zhì)量，國家標(biāo)準(zhǔn)按照使用溫度、輻射、抗干擾不同，將電子器件分為軍工級、工業(yè)級、汽車工業(yè)級和商業(yè)級器件四個等級[9]，正常工作溫度范圍分別為（0～70）℃、（-40～85）℃、（-40～125）℃和（-55～150）℃。

直流充電樁在較為寒冷地區(qū)需要重點考慮下列器件的溫度適應(yīng)等級：電源板、IGBT驅(qū)動板、控制板內(nèi)的芯片。檢測板的電壓電流測量模塊以及IC刷卡器、交流接觸器其工作溫度范圍通常較窄、受低溫影響較為嚴(yán)重，在寒冷地區(qū)可優(yōu)先考慮工作溫度更優(yōu)的元件；電感、電容電阻、二極管、三極管等受低溫的影響相對較小，在寒冷天氣下也都具有較好的適應(yīng)性。

為提高直流充電樁的抗寒能力，還可采取以下措施：

1）充電樁內(nèi)部放置加熱裝置。通過MCU檢測主要部件的工作溫度，將低溫狀態(tài)下的主要部件加熱至正常工作溫度范圍內(nèi)，關(guān)閉加熱裝置后開啟充電樁充電功能；通過MCU檢測運行過程中的環(huán)境溫度，若溫度低于預(yù)設(shè)值，則啟動熱風(fēng)裝置、加熱板等改善環(huán)境溫度，通過熱循環(huán)的方式保證充電樁正常運行。

2）采用加保護(hù)層的方法達(dá)到保溫目的。可選用塑料泡漠等導(dǎo)熱性能差的材料固定在充電樁外殼上，通常為加強(qiáng)保溫效果還可采用雙層或夾層形式等。

5 結(jié)論

1）通過故障樹的分析方法得出：直流充電樁的觸摸屏受低溫影響最嚴(yán)重；內(nèi)部含芯片的模塊電路及IC刷卡器、交流接觸器受低溫影響較為嚴(yán)重；電感、電容、電阻、二極管等元器件受低溫的影響相對較小。

2）通過提高元器件的質(zhì)量等級可降低高寒環(huán)境對直流充電樁板塊的影響，保證充電樁正常運行。

3）今后可以繼續(xù)研究的方向為：將易受低溫影響的元器件更換為高質(zhì)量等級后，通過故障樹方法進(jìn)行定量分析，得出在高寒環(huán)境中直流充電樁各板塊故障概率、從而得到充電樁整體故障概率，同時采取相應(yīng)措施以防范易損元件及模塊的故障，從而進(jìn)一步提高充電樁的壽命。