大功率直流充電樁總體結構的設計

陳偉明 王靖友

摘要：充電樁作為電動汽車普及的基礎設施，其設計質量關系到電動汽車領域的發展。而傳統的交流充電樁由于充電速度較慢、無法調節輸出等問題，已經無法滿足當前用戶的需求。因此，研發大功率直流充電樁已經成為當前熱門研究課題。相較于交流充電樁，直流充電樁輸出直流電可調且調整范圍大，實現了快速充電的要求。對大功率直流充電樁進行研究，提出了針對總體結構的設計。

關鍵詞：大功率；直流快充；充電樁

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A

0 引言

隨著當前全球范圍內出現的能源危機現象不斷增多，為實現節能減排，很多國家開始大力推廣電動汽車，降低油車排放量。而完善的充電裝置是電動汽車快速發展的關鍵。我國的直流充電樁覆蓋率較高，但依舊以小功率充電樁為主，無法滿足用戶快速充電的需求[1]。因此，研究功率更高、充電更快的充電樁成為充電樁領域的重點。本文針對當前充電樁存在的問題，提出大功率直流充電樁，以解決充電時間長、電池續航短等問題，從而促進電動汽車領域的發展。

1 大功率直流充電樁設備的總體布局

在結構設計上，直流充電樁仍有一定的優勢。在設計充電樁的整體結構時，應根據充電模塊的大小和數量確定其結構尺寸，充電樁的整體結構尺寸控制在1 800 mm×750 mm×450 mm（高× 寬×深）。為了控制充電樁整體的重量和成本，充電樁的外殼結構需要具有承重的功能。充電樁底部為一塊整體厚度為3.0 mm 鋼板，以保證固定強度，充電樁外殼和箱門使用鋼板制作，板材厚度＞1.5 mm，以提高外殼結構的穩定性。直流充電樁的結構采用雙層設計，這解決了充電樁在室外使用時的絕緣和保護問題[2]?？紤]到上述充電樁的結構設計，在充電樁頂部安裝頂棚（圖1），可以有效達到通風、裝飾和防雨的效果。在充電樁的左右兩側板預留充電槍線出口。

2 充電樁的結構設計

2.1 結構設計要求

為了滿足新能源車主隨時隨地的充電需求，在室內與室外均放置了直流充電樁。如果將充電樁擺放在室外，則需要提高對充電樁材料的質量要求。同時考慮到充電樁可能會受到碰撞等意外損害，所以對充電樁的穩定性也提出了更高的要求。在設計充電樁時，需要考慮充電樁尺寸、外觀、人機工程學等方面[3]。另外，還需要對充電樁結構進行強度與模態分析，保障充電樁結構強度與穩定性。

在此基礎上，本文設計了一種新型充電樁結構，該結構的實用性更強，具有一定的參考價值。充電樁的底部結構采用底部框架的形式，其主要優點是便于后續設備的安裝。為了保證充電樁內部結構的穩定性，在充電樁內部安裝了一定數量的骨架。骨架的最大功能是支撐充電樁，同時在充電樁的骨架上部還可以安裝電氣部件。在設計充電樁的樁體架構時，可以采用長方形結構，但需要注意的是，長方形結構的局部需要經過曲面或圓角處理，降低危險性[4]。同時，在設計充電樁內部框架時，還應注意內部電氣元件的安裝和內部布線的空間設計。

2.2 充電樁材料選擇

在設計充電樁外觀時，需要考慮環境、氣候因素可能造成的影響。所以，戶外安裝的充電樁對于表面材料的耐腐蝕性要求非常強，表面材料需滿足防塵和防雨的基本要求，可以承受極端天氣條件帶來的影響?；谝陨系脑O計要求，本文設計的充電樁使用不銹鋼材料。因為用戶會經常接觸充電樁的人機交互界面，為了方便用戶操作，充電樁的數據顯示區和刷卡區可以使用聚碳酸酯（polycarbonate，PC）材料，以防止漏電和短路，保護用戶。PC 材料的阻燃性、自熄性、耐腐蝕性較好，還具有高耐壓性的特點。在充電樁刷卡區使用PC 材料，可以滿足功能分區的要求，為用戶提供安全的操作空間[5]。

充電樁框架使用鋼板焊接，鋼材料可以滿足高溫、暴雨、暴風、暴雪等各種極端天氣的使用需求。同時，考慮到設計成本，充電樁框架選擇Q235A 鋼，該材料具有顯著的塑性和韌性，易于焊接和熱處理，可以用作充電樁外殼承重柱的框架材料。

在制作鋼板時，通過焊接成型，鈑金折彎工藝可以極大地控制充電樁的結構變形。在樁體表面噴涂靜電粉末，以確保充電樁外殼具有抗靜電作用，并且保護充電樁結構免受外部腐蝕。

2.3 充電樁模塊設計

充電樁結構應用模塊化設計方法，由人機交互系統模塊、主控制器模塊、交流輸入模塊、功率變換模塊、直流輸出模塊等共同構成充電樁結構，如圖2 所示。其中，人機交互系統模塊負責充電樁的信息顯示，如充電狀態、電池損耗和充電成本等。該模塊是由充電指示燈、刷卡掃描區、液晶觸摸屏等構成，其設計在充電樁正面的位置，方便用戶觀察充電情況。人機交互系統模塊可以為用戶提供簡潔明了的操作和人機界面，大大提高了用戶的充電效率。主控制器模塊是充電樁提供充電功能的核心，其由如下3 個模塊構成。①安全控制模塊：包括漏電保護斷路器、緊急停止按鈕、熔斷器等，在充電期間一旦出現意外情況，用戶按下緊急停止按鈕，能夠快速斷開電動汽車和充電樁的連接；②控制器模塊：包括一個微控制器，并且含有多個通信接口，這大大方便了電路設計；③數據收集模塊：負責充電樁與汽車之間的通信，采用控制器局域網總線（controller area network，CAN）接口，通過物理連接實現數據的收集和傳輸。交流輸入模塊位于充電樁正面下部，包含交流斷路器和交流接觸器，為功率變換模塊提供交流電的輸入。功率變換模塊位于充電樁后側單獨的艙體，主要功能是將外部輸入的交流電轉換為直流電，并根據電動汽車電池的需求實時調節輸出直流電的電壓和電流。直流輸出模塊使用直流多功能電表，電表讀數作為充電樁的能量值，通過讀取電壓、電流等數據，可以判斷電壓與電流值是否正常。如果超過額定值，充電連接器會將信號返回到主控制器，由主控制器負責執行斷電，有效避免過流和過壓。

2.4 充電樁的外形建模

根據設計要求，本文使用Creo Parametric 軟件對充電樁的樁體結構進行建模。其中，對充電樁最外層的4 個立柱進行弧形處理，避免運輸過程中充電樁互相碰撞而導致的損傷。充電槍位于充電樁的兩側，便于操作和收納。根據人機工程學原理，人機交互處采用平面處理，防止在操作過程中與用戶發生碰撞和損壞。

3 模塊散熱結構設計

為了提高充電樁內部的支撐件性能，電子元件可以與支撐元件一起安裝在充電樁外殼中。金屬外殼的吸熱能力非常強，在高溫天氣下，戶外充電樁總是暴露在陽光下，溫度較高。如果電子元件連接充電樁的金屬外殼，表面溫度會直接到達充電樁內部元件，進一步增加充電樁運行產生的熱量。通過在充電樁外殼和電子元件之間留有孔隙，能夠有效解決電子元件的散熱問題。在充電樁的實際運行中，內部的主要熱源為功率變換模塊，為了避免功率變換模塊散出的熱量對其他電氣元件的影響，通過結構設計，將功率變換模塊放置在單獨的艙體中。通過計算確定合適的風量、風壓參數，并結合實際結構外形尺寸選取合適型號、數量的散熱風機，以增加模塊的通風量，對模塊進行強迫風冷散熱，避免電子元件出現高溫或老化問題，延長充電樁的使用壽命。

4 防水防塵設計

為了避免在惡劣天氣對充電樁表面造成的銹蝕，防止日常灰塵堆積，充電樁的整機結構都需要進行防水防塵設計，設計的重點部位包括電氣柜的各結構件連接處、柜門門板、通風孔、鎖具、鉸鏈等部位。

充電樁外殼采用焊接組裝方式，減少了殼體外表面的拼接縫；外殼采用高聚氨酯粉末噴涂，噴粉厚度不低于80 μm，從而進一步提高外殼的防水防塵性能。其他措施包括：外漏的需要導電的結構件及緊固件采用304 不銹鋼材質；接地銅塊采用T2材質，表面采用鍍錫處理。

充電樁外殼門板鎖緊采用滿足IPX5 防水等級的戶外把手連桿門鎖，至少采用4 個鎖緊點；門板采用外掛設計，將門框完全覆蓋，門板與門框之間的縫隙不超過3 mm；門框采用外翻的導水結構，同時安裝三元乙丙橡膠材質密封條，保證其具有可靠的防水性能；鉸鏈采用鋅鎳合金材質，滿足96 h中性鹽霧測試要求且不出現白銹。

由于充電樁功率模塊采用風冷散熱，因此充電樁外殼需要設計通風散熱孔，通風散熱孔結構需要滿足不低于IPX4 的防水等級，且空氣過濾器占送風墻面積的40% 以上，以保證良好的通風效果。通過理論計算和試驗測試，如圖3 所示的截面造型的雙Z 型百葉窗能夠滿足上述要求。同時百葉窗葉片應采用鋁合金材質或鋼板噴涂材質且鉚接于殼體上，避免由于焊接導致焊縫位置處理不完全而出現銹蝕現象。

防水防塵設計步驟如下。

（1）防塵過濾材質選擇。防塵過濾材質需要兼顧透氣與防塵的效果，具有微小交錯小孔的一類材質主要是聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate，PET）無紡布、尼龍網、聚氨酯過濾棉等。本文選用帶有鋁合金骨架的聚氨酯過濾棉，其具有初始阻力小、過濾效率高等特點，還可以清洗以重復使用。

（2）防水防塵結構設計。通風窗位置兼顧防塵防雨設計，可通過交錯排列的百葉窗達到防水的目的，同時該百葉窗能夠改變氣流流向，使重量較大的灰塵自然沉降，以達到減少灰塵的效果。

5 降噪設計

充電樁在運行時，其噪聲主要來源于功率變換模塊內部自帶風機及機柜上安裝的散熱風機，因此降噪的主要任務是通過有效的措施降低風機自轉產生的噪聲，并通過合理結構設計來延長噪聲在柜體內部的傳播路徑，通過在噪聲傳播中進行反復多次的反射，最大限度地削弱噪聲音量。降噪主要有以下不同的設計方法。

5.1 基于PWM 技術的模塊內置風機調速

根據環境溫度和輸出功率對模塊風機進行脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）調速研究，建立合理的環境溫度、模塊輸出功率與風機轉速的控制模型，優化風機轉速控制策略，以降低模塊本體運行噪聲。

5.2 機柜內外風道結構

根據充電設備內部主要噪聲源的布局及噪聲頻譜，設計合理的風道結構，錯開布置進風口位置與模塊位置，出風口通過外掛防雨罩的方式，延長噪聲的傳播路徑，改變噪聲的傳播方向，降低整機噪聲。

5.3 機柜內置吸音棉

通過對噪聲頻譜的分析，選用合適的吸音棉，粘貼在噪聲的傳播路徑上，對噪聲進行反射和吸收，以降低噪聲。

6 結論

綜上，隨著我國經濟的快速發展，新能源行業也經歷了飛速的發展。電動汽車作為傳統燃油汽車的綠色替代品，其發展得到了國家政策的大力支持和推動。但電動汽車如何實現快速、安全充電一直是研究熱點。本文重點研究了大功率直流快充樁的結構總體設計，包括外殼的材質及加工工藝，模塊化元件的結構布局，包括防水防塵、通風散熱、降噪結構等。本文設計的充電樁可以滿足電動汽車快速、安全充電的需求，并且應用范圍廣泛。

參考文獻

[1] 張棟，熊萌，尤國建，等. 電動汽車大功率直流快充充電樁充電模塊的設計及性能測試[J]. 科學技術創新，2023（20）：213-216.

[2] 吳冬，王兵，孫木，等. 大功率直流快充充電樁關鍵技術及性能測試[J]. 科學技術創新，2021（27）：56-57.

[3] 楊國安，趙恒緯，楊亞雄. 大功率直流充電樁多路輸出模式分析[J]. 電力系統裝備，2020（8）：73-74.

[4] 陸樂. 直流充電樁PFC 和DC-DC 電路功率開關管開路故障診斷研究[D]. 天津：河北工業大學，2021.

[5] 周磊. 便攜式高精度直流充電樁計量檢定系統的研究與實現[D]. 成都：電子科技大學，2020.