電動汽車直流與交流充電樁技術研究

［摘 要］發展充電樁技術能夠支撐電動汽車產業發展，助力實現雙碳目標。直流與交流充電作為兩種主要補能方式，對充電技術行業的發展起著重要作用。文章基于電動汽車充電樁的特點，對直流充電樁與交流充電樁的電氣原理進行分析，介紹了充電樁充電過程及各結構功能，并研究了其未來發展方向。

［關鍵詞］直流充電；交流充電；充電樁；電動汽車

［中圖分類號］U469.72 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0096–03

2023 年6 月，國務院辦公廳發布了《國務院辦公廳關于進一步構建高質量充電基礎設施體系的指導意見》（國辦發〔2023〕19 號）。意見指出，應大力推廣應用智能充電基礎設施，推動既有充電基礎設施智能化改造，鼓勵新技術創新應用，持續優化電動汽車電池技術性能并提升車網雙向互動能力，充分發揮電動汽車在電化學儲能體系中的重要作用。文章從電動汽車充電樁的充電技術角度出發，簡述直流充電與交流充電的特點及二者充電樁電氣原理，預測了充電技術系統的發展趨勢，對直流與交流充電技術的兼容性、適應性、安全性做出進一步研究。

1 電動汽車的直流、交流充電

1.1 直流充電

直流充電是指將電能以直流形式傳輸到電動汽車的電池中進行充電的技術。這是一種需要充電設備將電網的交流電整流后再輸入電動汽車的充電行為，直流充電的充電功率包括20 kW、40 kW、60 kW、200 kW、250 kW。常見的直流充電樁功率主要為60 kW。在直流充電中，電能從電源經過變壓器和整流器轉換為直流電流，然后通過充電插頭連接到汽車的電池系統。直流充電具有高充電效率和充電速度快的優勢，適用于長途旅行和緊急充電等場景。直流充電的核心設備是充電樁，其通常包括變壓器、整流器、充電控制器、充電插座等部分。變壓器用于將交流電源的電壓調整到適合電池充電的電壓，整流器將交流電轉換為直流電，充電控制器負責監測和控制充電過程，充電插座則用于與車輛的充電接口連接。

1.2 交流充電

交流充電是指將單相或三相交流電通過標準充電插頭、插座等交流電源輸送到電動汽車車載充電機，經過車載充電器整流后將交流電轉化為直流電，并輸送到動力電池，實現電動汽車的充電技術。充電設施通過脈沖寬度調制限制電動汽車允許的最大可用電流，可以是220 V AC 單相電或380 V AC 三相電，該電流不應超過其額定電流、連接點額定電流及電源額定電流中的最小值。這種方式可以使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。實現交流充電的主要部件包括交流充電插座、車輛控制器、車載充電機、交流電源及交流充電樁。其中交流充電樁是固定不動在電動汽車外界，與溝通交流電力網相接，為電動汽車車載充電器提供交流電的供電系統設備。

2 直流、交流充電樁技術分析

2.1 直流充電樁電氣原理

直流充電樁的交流輸入端由斷路器、防雷保護器及漏電開關組成，輸出是高壓、大電流，應設置熔斷器。直流充電樁的主回路由塑殼斷路器、交流接觸器、充電模塊、直流接觸器、直流充電槍構成。主回路的輸入是三相交流電，交流電流經斷路器與智能電表后，被充電模塊轉化為直流電，然后連接充電槍和熔斷器，給新能源汽車充電。直流充電樁主回路中的電表是三相四線制電表，起著監控整個充電機工作時實際充電電量的作用。由于單個充電模塊的功率過小，所以充電樁內部并聯著多個充電模塊，采用CAN 控制器局域網總線來實現多個模塊的均流。

直流充電樁的充電過程如圖1 所示。首先，檢測點1 檢測到4 V 電壓后，認定充電接口連接成功，鎖定充電槍中的充電鎖，進入自檢階段，在確認車輛接口接通后，通過閉合開關K3、K4，使輔助電源給控制系統供電，電流經過檢測點，若該電流電壓為6 V，車樁通過CAN 控制器局域網總線周期性開始報文交互，內容為通信握手報文，直流接觸器K1、K2閉合，進行絕緣檢測。檢測結束后，則停止電壓輸出，導通泄放回路，泄放直流回路中殘余的電壓，斷開K1、K2，若電壓小于60 V，則進入充電準備就緒階段，閉合K5、K6，動力電池電壓反送至K1、K2，導通充電回路，進行預充嘗試，檢驗車輛端動力電池電壓是否正常，閉合K1、K2，主回路導通，進入充電階段。在該階段，充電樁的電壓電流會根據動力電池管理系統（BMS）的充電需求變化而調整，相互交換充電狀態，判斷達到結束條件后進入充電結束階段。在該階段車輛會根據BMS 是否達到充滿狀態或收到充電樁發來的“充電樁中止充電報文”來判斷是否結束充電，滿足以上充電結束條件，車輛控制裝置會發送“車輛中止充電報文”，在確認充電電流達到5 A 以下后斷開K5、K6，發送“充電樁中止充電報文”，并控制充電樁停止充電，在確認充電電流小于5 A 后斷開K1、K2，進行泄放，再斷開輔助電源繼電器K3、K4，解鎖充電槍中的電子鎖，用戶按下機械鎖將槍拔出并歸位，充電完成。

2.2 交流充電樁電氣原理

交流充電樁主回路的輸入可以為單相電或三相電，由空氣開關、交流電表、交流控制接觸器及充電樁槍頭組成。在主回路中，電流通過空氣開關QF 給主控板通電，隨后流經交流電表和交流控制接觸器，最終到達充電槍頭。充電槍頭連接新能源汽車車載充電機，獲取充電參數，完成充電槍的上電。在二次回路部分，由充電樁智能控制器來調整整個充電流程，車主刷卡結算選擇結束充電后，交流控制接觸器斷開，充電完成。首先，交流充電樁開始初始化并自檢，車主刷卡后，充電樁會判斷該卡是否有效，若有效就進入用戶確認環節，接上插頭后定時識別，確認是否連接，若連接，則設置充電模式，確認加電，扣除預售金額，將未結算標志置位，若沒有充電加電超時或充電電纜斷升，則充電完成后將充電完成標志置位，結束充電階段，顯示充電結束界面，結算金額后將結算標志清零。

2.2.1 交流充電樁充電過程

交流充電樁充電過程如圖2 所示：①連接確認。車輛控制器通過檢測離其最近檢測點與地線之間的電阻判斷插座與插頭是否接上。②充電樁控制器通過分析離其最近的檢測點電壓值判斷插座與插頭是否接上。③判定已完全連接后，開始充電。先用小電流激活電池活性，使蓄電池內部充分建立化學反應，使其滿足后面持續大電流充電。在該過程中，確保連接裝置的連接和車輛處于可充電狀態，檢測周期不大于50 ms。充電樁的最大充電電流可通過檢測PWM 波占空比來實現。車輛判斷充滿電后，斷開并聯電阻旁的開關，提升電壓，充電結束。此時，車主可通過按下機械鎖，拔出充電槍。

2.2.2 交流充電樁各結構功能

交流充電樁一般由漏電保護開關、防雷器、智能控制器、人機交互界面等部件組成。智能控制器具備實時監控車輛狀態的能力，能夠敏銳感知電壓、電流變化，確保插頭、插座保持連接，保護各元件的安全。常見的人機交互界面是LCD 顯示屏，供車主選擇不同的模式，如時間、電量、金額及充電啟動方式（如立即充電和預約充電）。顯示屏上會顯示充電過程的實時狀態。交流充電樁的防雷器位于交流輸入側端，通常以并聯的形式接入電路，可將過量電流導入大地，防止系統發生故障。

3 電動汽車充電技術系統發展方向

3.1 高效能轉換技術

未來將繼續研究和開發更高效能的能量轉換器和電源管理系統，以減少能量損耗并提高充電效率。例如，采用高效能的半導體器件和磁性材料，減少能量轉換過程中的熱損耗。高效能轉換技術還可以通過改進轉換器的拓撲結構和控制算法，提高能量轉換的效率和穩定性。如采用多級轉換器或諧振轉換器等新型拓撲結構，降低開關損耗和提高功率因數。最后，在充電過程中，可以通過能量回收技術將部分能量轉化為可再利用的形式回饋到電網或供應其他設備使用，這有助于提高能源利用效率和降低能源消耗。

3.2 智能充電管理系統

智能充電管理系統將具備更強的實時監測和控制能力，能夠實時獲取電池狀態、車輛用電需求及電網負載等信息，并根據實際情況進行智能調度和優化，進行實時監督和控制。例如，通過智能化的電池管理系統，可以準確估計電池的剩余容量和健康狀況。并且，為了提供更好的用戶體驗，未來的充電管理系統將更加注重人機交互界面的設計和優化。例如，通過手機應用程序或車載信息娛樂系統，用戶可以實時監控充電狀態、預約充電時間及查看充電歷史記錄等。隨著智能充電管理系統的發展，數據通信和信息安全將成為重要的考慮因素。未來的充電管理系統需要具備高效的網絡通信能力，確保數據的可靠傳輸和隱私保護。

4 結束語

充電基礎設施行業迎來新機遇，高效且安全的充電技術發展具有重要意義。直流充電與交流充電技術都是電動汽車能源供給的重要模式，著重分析其優勢與劣勢，深入研究其充電原理、各結構功能，把握高效能轉換技術、智能充電管理系統、V2G 技術等充電技術發展方向，能夠為充電技術智能化、數字化注入新動力，推動充電運營產業技術變革和優化升級。

參考文獻

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