淺析直流充電系統(tǒng)新技術發(fā)展及社會應用問題

吳漢輝 張宗浩

比亞迪豐田電動車科技有限公司 廣東省深圳市 518100

1 引言

近年來新能源車的銷售量爆發(fā)增長，新能源車的普及程度愈發(fā)提高。燃油車與新能源車的占比開始發(fā)生變化，新車主在面臨選擇新能源車還是燃油車時，充電以及續(xù)航問題必定是重點考慮的問題之一。而在充電問題中充電適應性的問題會是較為關注的一點，因為雖然目前部分車企有提供自建充電樁及場站，但布點并不足夠廣泛，在車主實際使用中仍會有較大可能使用第三方公共充電樁。因此如何保證車與樁之間充電系統(tǒng)的泛適應性應是每個車企、樁企以及標準委員會關注的課題。本文旨在從目前行業(yè)內(nèi)應用場景分析充電系統(tǒng)一些新技術的應用和在社會應用時遇到的故障，為車企在設計時提供改善充電適應性的方向。

2 直流充電系統(tǒng)的組成

新能源汽車傳導式直流充電系統(tǒng)的拓撲圖可參照GB/T 18487.1-2015 中圖B1 內(nèi)容。

充電系統(tǒng)包含的重要零部件有動力電池，動力電池管理系統(tǒng)（BMS），12V/24V 蓄電池，電源模塊。其中電源模塊負責將電網(wǎng)中的交流電能轉換為直流電能后為負載供能。動力電池作為充電系統(tǒng)的負載，存儲由電源模塊整流后的電能。BMS 負責實時判斷動力電池的情況，根據(jù)策略控制向充電樁發(fā)送需求，并在意外情況發(fā)生時緊急停止充電。

附圖為充電系統(tǒng)中簡化后的結構，實際大部分主機廠會對以上拓撲做了很多增減。如會增加電池溫控系統(tǒng)、增加升壓系統(tǒng)、增加DCDC 轉換器，減少車端充電接觸器等。

3 充電系統(tǒng)新技術點

3.1 充電樁新技術點

直流充電樁也稱為非車載式充電器，簡單描述其工作原理是通過PFC 整流再通過DCDC 調(diào)整電壓輸出。還有一種是通過電容實現(xiàn)，但此類充電樁由于售后維修成本高目前在國內(nèi)市場上基本不存在。

充電樁按照其布置類型可分為一體式和分體式。其主要區(qū)別是分體式在圖一拓撲的基礎上增加了功率分配模塊（PDU），使其能靈活調(diào)用主機內(nèi)的模塊數(shù)量再分配至對應終端。分體式充電樁的終端由于體積小，造型靈活，整體成本低，已在市場上有大范圍應用。隨著充電樁的輸出功率提高，模塊的數(shù)量也會增加，對應PDU 的接觸器數(shù)量會給整個產(chǎn)品帶來沉重的成本壓力。根據(jù)圖2 可知接觸器的數(shù)量P=2nf，n 為模塊的數(shù)量，f為分體樁的數(shù)量。所以現(xiàn)在部分樁企會將模塊包裝成組或減少一極接觸器，但同時也帶來了新的問題，如功率顆粒度增加，功率分配策略的復雜，兩極阻抗不等導致電橋法檢測絕緣異常等。

圖1 充電系統(tǒng)基本拓撲

圖2 分體式充電樁基本原理

直流充電樁的新技術方向之一還有冷卻化，包括模塊冷卻和線纜冷卻。這個技術嚴格來講不算新，在2015 年左右就已經(jīng)有企業(yè)做過技術預研，但直到2022 年才商用化。這其中原因有三。

原因一是在GB/T 18487.1-2015 中規(guī)定了充電電流不能大于250A，包括在GB/T 27930-2015 中在應用層方面就決定了電池無法請求大電流充電。但隨著這幾年來新能源車的快速發(fā)展，大功率充電已成車企配置差異化的要點之一，在逼近IGBT 的耐壓后，提升充電電流就是勢在必行的路。根據(jù)歐姆定律，大電流充電最直接帶來的問題是溫升，有數(shù)據(jù)表明使用風冷的充電線纜在大電流充電時的溫升有20℃以上，而使用液冷的約只有9℃。

因此模塊及線纜液冷技術是如今充電樁企業(yè)密集探討的一個方向，相信在2022 年會迎來全面的增長及鋪設。

充電樁近年才推動冷卻化還有個原因是在2021 年以前，電池的充電倍率基本只能做到1.5C 以下。隨著811 電池問世，電池熱管理技術的進步，如今最高充電倍率已能嘗試至5C 甚至6C。以135Ah 的電芯舉例，6C理論上的最大充電電流能達到810A，根據(jù)焦耳定律，將線纜簡單視為阻值約0.01Ω 等效電阻，則Q=IR=6.5kJ。這個量級決定了線纜使用液冷技術的必要性。在冷卻介質(zhì)上，誕生了了水冷以及油冷兩個方向。由于可靠性等原因，現(xiàn)在在大部分做液冷充電樁的樁企都使用了水冷作為介質(zhì)，但冷卻水的散熱能力在一定情況下不如油，因此在往后的發(fā)展中，冷卻油會成為充電樁發(fā)展的一個方向。

圖3 某品牌液冷充電線纜溫升測試

3.2 充電車新技術點

為了提升充電功率緩解車主里程焦慮，主機廠可通過提升充電電壓和充電電流來實現(xiàn)。其中提升充電電壓會帶來無法滿充問題。因為前文提及電源模塊在開發(fā)時對材料選型會按照一定耐壓標準，常見規(guī)格有500V，750V，1000V。當車的需求電壓高于模塊設計極限時，模塊即無法工作。通俗舉例一臺設計滿充電壓800V 的車到設計最高輸出500V 的充電樁上充電，由于充電樁最高只能輸出500V，與電池電壓800V無法形成電勢差，而由于充電樁內(nèi)有防反二極管，電池內(nèi)的電無法反向流入充電樁，即會出現(xiàn)充電電流一直為0A 的情況。

因此部分車企為了解決此類問題，會在電池和充電樁中搭載升壓模塊，這樣可令充電樁輸出電壓可通過“升壓模塊”升壓達到電池所需電壓，來實現(xiàn)充電功能。這個“升壓模塊”的器件可以有很多種形式，像通過電容或IGBT 來實現(xiàn)。IGBT 可以單獨做成DCDC，也可以利用電機電控內(nèi)的，后者能帶來減重及成本優(yōu)勢，因此更受歡迎。由于充電中整車不會驅動，無法通過風冷對電機內(nèi)的定子降溫，因此使用電機升壓需要對充電電流做一定限制，這點上不如DCDC 升壓。

圖4 升壓充電其中一種基本原理

通過上個章節(jié)可知增加升壓裝置會帶來充電效率的降低及補電時間的增加。首先說下效率，如果是升壓裝置采用非隔離設計，主要效率損失為熱損失，因此整體效率較高。一些測試數(shù)據(jù)表明，以IGBT 為基礎的升壓裝置的效率大約有94%~97%，和普通變壓器效率相當。即以一臺100kWh 的車舉例，車主如果在一個低電壓輸出的充電樁進行充電，最多要為此多付出6kWh 的價錢，按普遍平時電價1 元/kWh 來算，也就是6 元錢，以此換來充電功能的正常實現(xiàn)，相信大部分車主還是愿意的。

再說下時間，首先自2017 年后模塊廠家大部分的出貨都已是750V，2020 年后出貨的多為1000V，可以一般的認為目前市場上低電壓輸出的充電樁都較為老舊，輸出功率都較低，如500V 的充電樁最高的輸出功率為60kW。因此只要升壓裝置的輸出功率能接近此目標，在低電壓輸出的充電樁使用是否使用升壓裝置對充電時間將不會有太大差別。

圖5 中紅色框為升壓充電充電車端需增加的動作。

圖5 升壓充電控制變化差異

通訊控制方面無變化， 同GB/T18487.1-2015 中圖B1。

4 直流充電系統(tǒng)常見故障分析

4.1 標準解讀差異

充電通訊協(xié)議目前共有2011 版和2015版兩版，協(xié)議存在小量變化并且充電樁企和主機廠在對標準解讀時存在差異，可能會導致充電失敗。以下提供2 個實際案例及對應處理方法。

在部分使用2011 版充電通訊協(xié)議的充電樁上，由于沒有定義此報文，因此收到此報文時會判斷為異常信息停止。針對此類問題，可在充電車準備2 個版本的通訊協(xié)議，當檢測到預充完成前由充電樁發(fā)起停止則下次啟動充電切換為2011 版通訊協(xié)議。

案例2：在配置握手階段中，當充電樁接收到車的最大電池電壓（BCP）高于充電樁的最高輸出（CML）時，判斷為無法滿足電壓需求即停止。針對此類問題可選擇調(diào)整車最大電池電壓值，但會帶來第一級過壓保護風險失效，應討論使用。

4.2 產(chǎn)品系統(tǒng)匹配不足

隨著標準的完善及磨合時間的提升，因為標準解讀導致的充電適應性差的問題已經(jīng)逐步在減少。現(xiàn)常見的是在研發(fā)階段的單品測試中功能正常實現(xiàn)，但在充電樁和充電車這個系統(tǒng)匹配時會出現(xiàn)問題。此類問題多數(shù)是在獨立的產(chǎn)品上，如同一設計狀態(tài)的樁或同一設計狀態(tài)的車。此類問題需專門針對性的研究和解決，無泛用性解決方案。以下會試圖通過2 個例子說明。案例1：A 車在A樁上充電啟動30 秒后停止充電，但在B 樁上能正常充電。B 車在A 樁及 B 都能正常充電。在使用示波器采集母線電壓，發(fā)現(xiàn)A 車在A樁上的紋波電壓比B 樁高10 余伏特，導致充電無法準確采樣電壓值進而觸發(fā)保護停止。而且B 樁上可見主回路內(nèi)存有磁環(huán)。可有效減少其紋波值。后在A 車端母線處同樣加入磁環(huán)后問題排除。

案例2：在分體式充電樁上1 號終端充電偶發(fā)性報絕緣故障。2-4 號終端未出現(xiàn)問題。經(jīng)排查1 號終端報編緣故障時與車型無相互關系，但多槍同時充電有較高觸發(fā)概率。最終排查得知為絕緣檢測模塊有較大Y 電容，在多槍同時進行充電1 號槍最后啟動時會被動降低絕緣阻值導致報絕緣故障。在更換絕緣檢測模塊后問題排除。

4.3 由于外部因素引起

由于外部因素引起的因素有很多，但從發(fā)生概率上多數(shù)會出現(xiàn)在充電樁設備端。如電網(wǎng)波動導致充電樁過壓、欠壓保護。充電樁接地不良，導致充電樁報接地故障等。此類問題一般可通過設備上的故障指示燈得知，作為最基礎的排查手段。

5 結語

充電系統(tǒng)是個較為復雜的系統(tǒng)。原因在于兩個產(chǎn)品在研發(fā)階段屬于兩個團隊負責，所以在研發(fā)時多少偏重點都存有差異。受益于標準委員會，如今雙方在系統(tǒng)設計時已經(jīng)充分考慮了兼容性，規(guī)避了很多問題的發(fā)生。但對于部分內(nèi)容雙方可能存在不同解讀，最終導致實際產(chǎn)品應用時仍會出現(xiàn)兼容性問題。隨著新技術的應用，更多的問題也會出現(xiàn)，但這并非是個不可調(diào)和的矛盾，相信假以時日，充電兼容性會達到調(diào)和的階段，車主在選購新能源車時已無此擔憂。