關于直流充電樁充電異常停電的分析

鄧禮敏，劉博文，范亞軍，王 毅，楊愛超

（國網江西省電力有限公司供電服務管理中心， 江西 南昌 330001）

0 引言

隨著全球能源危機的不斷加劇和環境問題的日益突出，電動汽車相比于傳統汽車更有助于“雙碳”目標的實現，因此受到各國政府和汽車企業的高度重視[1-3]。電動汽車產業的迅猛發展帶動了電動汽車充電基礎設施的建設，世界各國實施了一系列激勵措施支持電動汽車充電基礎設施的建設來滿足電動汽車的充電需求[4-5]。

電動汽車充電設備的大規模建設及應用，其充電可靠性和安全性逐漸成為關注的重點，充電故障及安全問題日益凸顯。電動汽車充電設備的運行狀態不僅會影響其自身可靠性，而且影響充電車輛的安全。2016年至2021年，發生的電動汽車起火事件原因進行統計的結果顯示，在正常充電過程中發生的車輛起火占事故總量的14%，有5%的起火事件是因為充電設備故障[6]。

因此，明確每次充電異常、故障原因，排查充電設備安全隱患，對降低充電故障率及起火率，保證充電安全、可靠有著重要意義。

1 故障情況

1.1 故障簡述

近期，某品牌電動汽車在某高速服務區充電站進行充電（如圖1所示），因充電模塊交流進線側短路，導致變壓器低壓側斷路器跳閘，充電樁斷電引起充電槍閉鎖，客戶無法結束充電（拔槍）。當地運維人員至現場檢查，并在嘗試送電后完成拔槍，但客戶車輛故障報警無法正常啟動，最終由拖車公司將故障車運至車廠維修。

圖1 充電故障現場

1.2 故障過程

根據充電用戶描述及充電情況，還原故障過程如下：

該電動汽車在充電至99%時，充電樁突然斷電引起充電槍閉鎖，客戶聯系當地運維人員至現場查看，運維人員操作過程如下：

1）對充電所用的分體樁進行了重啟，重啟無效后確認無電源供電；

2）對變壓器低壓側斷路器進行合閘，未恢復供電；

3）對整流柜交流側斷路器進行合閘，充電樁的指示燈和操作屏閃爍一次，送電的同時客戶完成拔槍操作，變壓器內有“砰”的響聲，充電設施并未恢復供電。

此后，客戶車輛無法啟動，車輛顯示“動力電池故障”。

隨后，充電樁廠家派維修人員趕至現場排查故障，排查發現整流柜的交流接觸器故障，一個整流模塊燒壞。維修人員將故障整流模塊移除并更換交流接觸器后嘗試送電失敗，核查發現變壓器低壓側B相斷路器故障，在更換B相斷路器后，恢復了充電設施正常供電。

2 故障原因分析

該服務區充電站現場設備情況如下：一個10 kV專用變壓器（容量630 kVA）、2個整流柜，4個直流分體樁（額定輸出功率120 kW，額定輸出電壓500 V，最大輸出電流240 A）。

電動汽車充電過程為：由10 kV專用變壓器提供380 V三相交流電，交流電進入整流柜，經過斷路器和交流接觸器后進入整流模塊，由整流模塊將交流電轉化為直流電，最后由分體樁通過充電槍（車輛接口）連接電動汽車進行充電，充電系統示意圖如圖2所示。

圖2 電動汽車充電系統示意圖

充電系統每個環節都會影響充電，此次停電故障及車輛故障應從供電設備側、充電樁側、電動汽車側進行分析。

2.1 供電設備側

根據已有信息，此次充電設施斷電分為供電線路異常停電、變壓器自身故障斷電、充電設施故障引起的斷路器跳閘斷電、車輛故障導致設備斷電。

首先，當時高速服務區充電站附近商鋪用電正常，所在線路無異常報警，排除因所在線路異常停電導致充電樁停電的可能性。

其次，第一次故障后，通過變壓器低壓側側斷路器合閘復電成功，充電樁屏幕閃爍、充電槍成功解鎖，排除變壓器高壓側故障及低壓側斷路器故障導致首次停電的原因。

因此，此次斷電故障可能為充電設施自身故障或車輛故障導致。

2.2 充電樁及車端

車廠以商業機密為由不提供車輛充電故障時的報文，無法確認車端具體信息，只能根據已有信息分析車輛故障原因。根據《GB/T 18487.1-2015》及《GB/T 27930-2015》[7-8]等標準及規范，“在充電過程中，如果非車載充電機出現不能繼續充電的故障，則向車輛周期發送‘充電機中止充電報文’，并控制充電機停止充電，應在100 ms內斷開K1、K2、K3和K4”，“收到CST報文后，在確認輸出電流值小于5 A后，斷開K5、K6”。結合相關規范、標準要求及當前信息，分析故障原因可能為：

1）充電設施故障，輸出較大電流，故障充電樁內未安裝熔斷器或已安裝但未保護，車端熔斷器動作保護，導致車輛故障；

2）故障斷電后，充電樁未按規定發出“充電機中止充電報文”或者已發出，充電樁側開關K1、K2及車端開關K5、K6未動作，二次上電時沖擊電流過大，導致車輛故障；

3）故障斷電后，充電樁未按規定發出“充電機中止充電報文”或者已發出，充電樁側開關K1、K2及車端開關K5、K6未動作，充電樁輸出前端電路存在回路，電動汽車電池反向放電，導致車輛故障及充電設施二次故障。

2.3 現場核查及測試

2.3.1 現場情況

為明確故障原因及故障點，現場核查故障情況如下：

1）整流柜有一充電模塊燒毀，整流柜內整流模塊安裝處，存在明顯燒焦痕跡，如圖3所示。

圖3 燒壞的整流模塊

2）變壓器內已更換下來的故障斷路器，在開關閉合情況下仍處于斷路狀態，說明該斷路器已燒毀，如圖4所示。

圖4 損壞斷路器進出側電壓

3）斷路器出線處存在明顯燒焦痕跡，斷路器狀態正常、新更換的交流接觸器狀態正常，如圖5所示。

圖5 整流柜故障器件

4）整流柜內，在整流模塊輸出與分體樁的K1、K2間裝有熔斷器，未有熔斷跡象，處于正常工作狀態，如圖6所示。

圖6 整流柜內的熔斷器

2.3.2 現場測試

為確認故障充電樁的K1、K2開關在突然斷電情況下的動作情況，以及突然斷電故障情況下充電樁的報文報文響應情況。現場測試中，采用便攜式電動汽車模擬裝置，模擬充電電壓500 V、電流10 A情況下，整流柜交流側斷路器突然斷開的情況。

如圖7所示，充電過程K1、K2處于閉合導通狀態，突然斷電后K1、K2處于斷開未導通狀態，恢復供電而未啟動充電時K1、K2依然保持斷開未導通狀態。

圖7 K1、K2導通狀態

通過截取充電報文，在整流柜交流側斷路器突然斷電后，充電樁已發出多條“充電機中止充電”報文，并控制充電機停止充電，符合標準規范要求，充電報文內容如圖8所示。

圖8 急停斷電充電樁輸出報文

2.4 故障確認

2.4.1 故障分析

結合理論分析、現場勘查及測試結果，分析如下：

1）斷電后充電樁發送停電報文，并且樁端K1、K2會及時斷開，排除二次上電的沖擊電流對車端的影響。

2）多方確認得知，車端熔斷器熔斷導致車輛故障，并且整流模塊輸出側裝有單向二極管，排除了電動汽車反向充電的可能性。

3）本次故障應為整流模塊故障導致供電設備斷電。

2.4.2 故障確認

為明確整流模塊故障原因，對故障整流模塊進行分析及測試，并與整流模塊供應廠家交流，確認故障原因。

整流模塊設計時考慮不周，交流進線需插針垂直插入，而現場安裝后因安裝施工原因，進線側導線極易被彎曲，如圖9（b）所示。導線插針與接線端子接觸面積減少（面接觸變為點接觸），在大電流充電時導線插針過熱燒壞絕緣層，引起模塊交流進線短路。

圖9 故障整流模塊及現場接線圖

綜上所述，該次故障結論為：因充電樁整流模塊設計考慮不周，導致整流模塊交流輸入側短路，充電樁側熔斷器未動作，車內部熔斷器熔斷、專用變壓器低壓側斷路器跳閘，二次送電時因整流短路故障燒壞專變的低壓側B相斷路器及整流柜的交流接觸器。

3 結語

文中針對充電異常停電及充電后車輛故障進行了理論分析及現場測試、分析，并得出故障結論，為保證用戶充電安全、可靠，提出整改建議及分析如下：

1）對于充電設施而言，因改進熔斷器動作速度，避免因此類故障導致車端熔斷器熔斷，影響客戶正常用車；整流模塊因改進模塊進線接線方式，以降低短路故障風險率；因增加充電設施的事件記錄及充電狀態監測功能，有利于對充電狀態把控及充電故障分析。

2）對于電動汽車而言，多數車廠在車輛故障后以商業機密為由，不提供車輛充電故障時的報文，極大地增加了此次故障分析難度及此類故障二次發生的風險，模糊了故障責任劃分，不利于保證車主充電安全。

3）對于充電樁運維，在未檢查設備情況下，直接閉合變壓器側斷路器，存在較大的安全隱患及操作危害，因增加充電設施相關專業知識及用電安全意識培訓；節假日出現充電高峰，因增加充電樁的巡檢力度，排查充電樁設備隱患。