大功率直流充電樁功率分配控制策略研究

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20250004

The Research on Power Distribution Control Strategy for High Power DC Charging Pile

JiangHai1，YuanHaibingl，JiangLibiao2，ChenJingyun1

（1.GACEnergyTechnologyCo.，Ltd.，Guangzhou511453;2.SouthChinaUniversityofTechnology，Guangzhou510641）

【Abstract】In order to meet the needs of charging safety，service experience of high-power DC charging piles and improve their powerutilization，thispaper proposes aflexible poweralocationcontrol strategy.Basedonthetopologyof circular poweralocation，thepower alocationcontroltimingadalgorithmforcharging start，charging inprogessandrelease attheendaredesigned.Theutilizationrateof power nodes is improvedbystaticand dynamicpollingswitching.To ensure stableoperationofthesystem，thedefinitionofminimumremainingrequiredpowerisintroduced，andthediferencein remainingrequiredpower，thenumberofswitching times inasingleinsertiongun，andthefiltering timearecomprehensively judgedtoavoid frequentswitching.Verificationresult shows thatthisstrategycanimproveaverage powerutilizationrate from （204號 1.76% to 2.24% ，demonstrating significant optimization effect.

Key words：High power charging，Charging pile，Power allocation strategy，Power utilizatior rate

【引用格式】江海，袁海兵，姜立標，等.大功率直流充電樁功率分配控制策略研究[J].汽車工程師，2025（7）：29-35.JIANGH，YUANHB，JIANGLB，etal.TheResearchonPowerDistributionControlStrategyforHighPowerDCChargingPile[J].AutomotiveEngineer，2025（7）： 29-35.

1前言

為實現更快的充電速度，新能源車輛及充電設施向高電壓、大電流方向發展，以提高充電功率。2023年，大功率直流充電接口等新國家標準-4相繼發布，相對于2015年版國家標準5-8]，主要將最大充電電壓由1000V提升至1500V，將最大充電電流由400A提升至 800A 。隨著充電樁功率規格逐步提升，分體式（即一個主機配套多個終端的）充電樁越來越普遍，單個主機配套的終端數量也越來越多。但車輛充電需求功率各異，同時需考慮充電安全性、充電服務體驗、經濟性等因素，因此，設計大功率直流充電樁功率分配控制策略具有重要意義。

在柔性功率分配技術方面，存在不同的研究方向：部分研究從電網與車輛的源載均衡角度開發充電功率分配策略9-1；部分研究從提升功率利用率的角度創新功率分配拓撲，提出了全矩陣、三角陣列及星環等功率分配拓撲，但因開關器件更多，相對于傳統環形拓撲，設備成本有所提高[12-14]；部分研究從提升用戶體驗或者功率利用率的角度進行功率分配。郭鵬等針對充電樁混插不同功率規格充電模塊的場景，提出了利用最大公約數顆粒度方法優化功率分配策略以提升功率利用率，但該方法需要較小的模塊顆粒度，同等功率規格下功率模塊數量更多，相當于提高了設備成本[15]。郭昌倫等提出根據充電先后順序進行功率分配，該方法屬于單一條件的功率分配策略，設計較為簡潔，但不能保證更早充電的車輛充電功率利用率更高。鄒華茸等提出根據用戶選擇充電的方式設計功率分配策略，預設了平均功率充電、會員充電、先到先得等方式供選擇，一方面人機交互流程中嵌人了功率分配控制時序，用戶決策時間會影響系統整體運行效率，另一方面，系統很難滿足所有用戶不同的充電需求，可能帶來較差的用戶體驗，最后，該方法未考慮功率利用率的提升[1]

為在兼顧大功率直流充電樁的充電安全、服務體驗等需求的基礎上提升其功率利用率，本文結合環形功率分配拓撲提出一種柔性功率分配控制策略。首先定義功能需求并進行分析及優先級定義，然后設計空閑功率節點（充電啟動及結束釋放階段）分配策略和非空閑功率節點動態分配策略及算法，并形成整體的功率分配控制策略時序流程，最后對方案進行論證分析。

2功率分配控制策略需求分析

功率分配控制策略的初步需求包括：

a.安全需求，功率分配過程須杜絕短路，當一個功率節點同時為2臺及以上終端車輛充電時，車輛電池間相當于存在短路，故單個功率節點最多只能同時為1臺車輛充電。

b.服務體驗需求，需保證充電車輛至少能夠充電，即對于環形拓撲，直連的功率節點應優先分配給對應終端，對于矩形拓撲，若后來車輛無空閑功率節點可用，應釋放利用率偏低的至少一個功率節點。

c.公平性需求，同等條件下，應遵循先到先得的優先充電權限，可以理解為先到車輛終端優先調用剩余功率節點。

d.品牌宣傳需求，特定品牌車輛享有優先充電權限，或者特定品牌的超級快充車輛在特定條件下享有優先充電權限。

e.功率利用率方面，功率節點啟動時、釋放時以及充電中皆應考慮提升功率利用率。可以將功率節點啟動時與釋放過程同時考慮，相當于空閑功率節點分配問題，可以直接比較功率節點分配給待充電終端的利用率，利用率大的終端優先獲得分配。充電過程中，因為功率節點是動態切投的，不能僅分析待分配的終端對功率節點的利用率，原釋放的終端對該功率節點的利用率也應一并考慮。

f.系統穩定性方面，功率分配單元開關器件的切投不宜過于頻繁，正常工況下應避免帶載分斷。針對充電中動態切投工況，主要應避免對功率利用率提升效果不大的工況進行切投，且利用率的提升具有一定穩定性，需在一定延時條件下進行預見性判斷。應避免帶載分斷，需先卸載降額，電流低于某閾值后再分斷。

對以上功能需求進行優先級定義：安全是首要保障目標，故安全需求定義為第一優先級；保障車輛基本充電需求是基礎服務，否則會對用戶體驗造成嚴重影響，故服務體驗需求定義為第二優先級；特定車輛優先充電權益是品牌宣傳手段，有利于提升車輛品牌效益，故品牌宣傳需求定義為第三優先級；高功率利用率能夠為運營方創造更多效益，縮短充電時間、提升用戶體驗，故功率利用率定義為第四優先級；功率分配單元開關器件作動不宜過于頻繁，系統穩定性需求主要是提升功率利用率（動態功率分配工況）的附屬需求，并列為第四優先級；公平性需求定義為第五優先級。

3功率分配控制策略方案設計

3.1充電啟動時功率節點分配策略

功率節點充電啟動時的分配策略相對簡單，直接根據需求優先級定義執行即可，如圖1所示：第1臺車輛（快充車輛）到槍1終端啟動充電時，按其需求功率調用當前所有3個功率節點；第2臺車輛（超級快充車輛）到槍3終端啟動充電，首先將直連功率節點3釋放給槍3，由于超級快充車輛優先級更高，公共功率節點2也需釋放并切投至槍3終端。

3.2結束充電釋放時功率節點分配策略

結束充電釋放功率節點時，先判斷需要額外分配功率的終端節點（即先篩選出待分配終端），將釋放出的空閑功率節點優先投入超級快充終端；若無超級快充終端或者皆為超級快充終端，則比較臨近功率節點的兩個待分配終端的需求功率與實際使用功率之差，并比較功率差值與空閑節點功率的比值；若比值均大于等于1或者比值相等，則分配給先啟動充電的終端，否則分配給比值大的充電終端。

分配策略示例如圖2所示，假設終端A、終端B、終端C均在充電，終端A調用了直連節點i1和公共節點 n1 ，終端B調用了直連節點i2，終端C調用了公共節點 n2 和直連節點i3。設終端A的需求功率為P_A 、實際使用功率為 P_a ，終端C的需求功率為 P_c 實際使用功率為 P_c ，整個充電樁的其他功率節點均在使用，此時終端B因故障或充滿電結束充電，釋放i2功率節點。按以下步驟進行功率分配：

a.判斷釋放的功率節點i2可分配的終端，因采用環形拓撲，可沿兩個方向判斷終端A和終端C是否可分配。為增強系統穩定性，避免頻繁切投開關，當終端需求功率超過實際使用功率一定值（可定義為最小剩余需求功率 ，該值可標定）時才標記該終端為可分配功率節點。判斷終端A和終端C的需求功率與實際使用功率的差值功率是否符合要求：

P_ΦA-P_Φa?P_Φmi

P_c-P_c?P_mi

若式（1）和式（2）中只有一個成立，則分配對應終端；若兩式均不成立，則該空閑功率節點不進行分配；若兩式皆成立，則判斷終端對應車輛品牌屬性。

b.判斷終端A和終端C是否為超級快充終端，若其中只有一個終端為超級快充終端，則分配給該終端，否則繼續判斷功率利用率。

c.計算終端A調用空閑功率節點（其功率定義為 P_?k） 的功率利用率：

η_A=（P_A-P_a）/P_k

其中：

P_k=P_i2

P_a=P_i1+P_n1

式中： P_i1?P_i2?P_n1 分別為節點il ?^i2，n1 的功率。

d.采用同樣的方法計算終端C調用空閑功率節點的功率利用率：

η_c=（P_c-P_c）/P_k

其中：

P_c=P_n2+P_i3

式中： P_n2?P_i3 分別為節點 ^n2，i3 的功率。

e.若 η_A=η_c 或者 η_A，η_c 均不小于1，則空閑功率節點分配給先啟動充電車輛對應的終端；反之，空閑功率節點分配給功率利用率大的終端。

3.3充電中功率節點動態分配策略及算法

充電中功率節點動態分配主要針對公共功率節點的切投，公共功率節點指無直連終端的功率節點或有直連終端但該直連終端未調用的節點，如圖2中n1＼～n5均為公共功率節點，若終端B未充電，則其直連功率節點i2也可以作為公共功率節點。結合圖2，假設終端A調用直連節點i1，終端B調用直連節點i2和公共節點 n1 ，充電樁的其他功率節點已滿載運行，公共功率節點 nl 的動態分配策略如下：

a.首先判斷公共功率節點的利用率 η_n 是否低于一定值 η_e

η_n=P_n/P_nle

式中： P_nle 為公共節點額定功率。

若 η_nlt;η_e ，則繼續判斷動態切投后能否提升利用率，以避免高利用率的功率節點頻繁切投。

b.引入剩余需求功率，即需求功率與實際使用功率之差，主要表征該終端還可以消納的功率。終端A的剩余需求功率 P_sa 為：

P_sa=P_A-P_a

假設將公共功率節點從終端B釋放，計算終端B的剩余需求功率 P_sb 。隱藏條件是，釋放其中一個功率節點，則剩余功率節點應滿載運行，將公共節點從終端B中釋放后，終端B的實際使用功率應等于所有已調用功率節點的總額定功率與待釋放公共節點的功率的差值。故終端B的剩余需求功率為：

P_sb=P_?B-（P_?be-P_?n?i）

式中： P_be 為終端 B 所有已調用功率節點的總額定功率。

c.比較 P_sa 與 P_sb （公共節點釋放后）的大小，判斷

差值是否大于等于一定值 P_q （可標定）：

P_sa-P_sb?P_q

d.判斷在終端A本次充電過程中，公共節點切投入終端A的次數 f_a 是否小于一定值 N_a （可標定）：

f_a?N_a

e.如式（11）和式（12）同時成立，且持續一定時間 χ_t ，則將公共節點 n1 從終端B釋放并切投人終端A。

3.4功率分配控制策略詳細方案設計

結合典型的環形功率分配拓撲（見圖2）設計具體的功率分配控制策略，時序流程如圖3所示。

本文以環形拓撲對功率分配控制策略進行舉例說明：一方面，環形拓撲功率利用率相對偏低，本文重點研究功率利用率的提升，適配性較好；另一方面，本文對矩形、星環等其他拓撲的功率分配策略均可借鑒，差異點主要在于，環形拓撲主要僅比較兩個路徑方向的臨近終端功率利用率即可，矩形、星環等拓撲因為調用路徑較多，需要輪詢比較各待切投終端的功率利用率。矩形等功率分配拓撲的詳細功率分配策略不在本文闡述。

4功率分配控制策略典型場景驗證

典型的分體式大功率直流充電樁功率分配策略的優先級如表1所示，可以看出，在滿足安全和基本充電需求的前提下，一般遵循先到先得的分配策略。考慮到綜合功率利用率的影響因素較多，與充電場站地理位置、運營時間、周邊車輛、功率分配策略、設備質量、場站品牌等因素均相關，本文先基于典型應用場景分析功率利用率提升的效果，分為結束充電釋放的靜態功率分配、充電中動態功率分配兩個場景，然后根據充電站實測數據對功率利用率提升效果進行驗證。

4.1結束充電釋放時的功率利用率比較

結束充電釋放時功率節點分配場景如圖4所示，假設終端A、B、C（均為快充終端）皆在充電，終端A調用了直連節點i1（ 80kW ）和公共節點 n1 1 40kW ，終端B調用了直連節點i2（40KW），終端C調用了公共節點 n2（40kW） 和直連節點 i3（40kW） ，其他終端正常充電，K7、K11開關為斷開狀態。終端A和終端C的需求功率分別為 130kW，140kW 。當終端B結束充電釋放i2功率節點時，評估表1給出的典型功率分配策略和本文功率分配策略的功率利用率。

根據行業典型功率分配策略，釋放的功率節點將采用固定順序（終端A＼～F輪詢各終端的需求，輪詢到終端A時，因需求功率與實際使用功率的差值大于 5kW ，故將i2分配給終端A，i2分配后的功率利用率為 25% 。

按本文功率分配策略，根據式（1）＼～式（7）計算，i2將分配給終端C，功率利用率為 100% 。

該場景下，本文方案與行業典型方案相比，對公共節點i2的功率利用率提升了75百分點。

4.2充電中功率節點動態分配策略的功率利用率比較

充電中功率節點動態分配策略場景如圖5所示，假設終端A調用直連節點i1，終端B調用直連節點i2和公共節點n1，其他終端正常充電，K9、K7開關為斷開狀態，終端A需求功率為 150kW ，終端B需求功率為 60kW ，終端A和終端B均在充電，本次終端A充電中 n1 分配給終端A的次數低于5次，以上工況維持了 2min 以上。

根據行業典型功率分配策略，充電中工況公共節點不會切投，故公共節點 n1 的利用率維持不變，為 50% 。

按本文功率分配策略，當前的條件均符合式（8）＼～式（12），故公共功率節點 n1 將從終端B釋放并投人終端A，投入終端A的 n1 節點將滿功率運行，故功率利用率為 100% 。

該場景下，本文方案與行業典型方案相比，對公共節點i2的功率利用率提升了50百分點。

4.3充電站環境下功率分配策略對功率利用率的提升效果

為盡量降低站場地理位置、運營時間、周邊車輛、設備品牌等因素對充電樁功率利用率評估的影響，選擇同一個場站內硬件規格相同的兩套充電樁，驗證本文功率分配策略與行業典型功率分配策略對功率利用率的影響。

測試環境如圖6所示，為廣州市番禺區某快充場站，兩套充電樁均皆為 480kW 主機帶3個雙槍終端，即每套充電樁有6把槍，功率分配拓撲均為圖5所示的環形分配拓撲，實施不同功率分配策略，對比其對功率利用率的影響。

測試時間為2024年3月1日＼～4月30日，測試采用不干擾監測，即由車主自行前往該場站充電，通過云平臺直接統計每日功率利用率數據，每日的功率利用率 P_η 為：

P_η=Q/Pt

式中： Q 為每日的總充電量， P=480kW 為充電樁主 機額定功率， t=24h 為運營時間。

該場站1號樁實施本文提出的功率分配策略，2號樁采用行業典型功率分配策略，實車測試數據如圖7所示，由圖7可知，本文功率分配策略對充電樁功率利用率的提升效果明顯。

測試期間內，1號樁、2號樁的平均每日功率利用率分別為 2.24%.1.76% ，本文功率分配策略相較于行業典型功率分配策略的平均功率利用率提升0.48百分點。受多因素影響，采用本文控制策略時功率利用率并非每日均較采用行業典型功率分配策略時高，但總體來看，本文功率分配策略對功率利用率提高具有明顯的促進作用。

5 結束語

為在兼顧安全、品牌宣傳、服務體驗及系統穩定性等需求的前提下提高充電樁整體功率利用率，本文針對大功率直流充電樁提出了一種柔性功率分配策略，結合環形功率分配拓撲設計了充電啟動、充電中、充電結束釋放等情形下的控制時序及算法。驗證結果表明，該方案在典型工況下的功率利用率提升效果較為顯著。

未來，更智能的功率分配策略可能隨著不同充電場景可自適應動態調整，例如：品牌宣傳運營場站的功率分配策略重點向品牌、超級快充等個性化特性傾斜；社會運營場站的功率分配策略重點向功率利用率提升方向傾斜。根據階段性歷史數據分析場站用戶畫像，動態調整分配策略，即全場景可自適應的動態柔性功率分配策略可能是未來重要的研究方向。

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