摘要：“汽车的电动化是大势所趋，体制优势是推动发展的根本。”充电桩作为电动汽车产业的基础设施建设越来越受到中央和地方政府的重视。2016年11月7日，国家发改委、国家能源局召开新闻发布会，对外正式发布《电力发展“十三五”规划》，提出加快充电设施建设，促进电动汽车发展：到2020年，新增集中式换电站超过1.2万座，分布式充电桩超过480万个，基本建成适度超前、车桩相随、智能高效的充电基础设施体系，满足全国超过500万辆电动汽车的充电需求。有专家预测，到2030年，新能源汽车的推广量将达到5000万辆。由此推算，到2020年需要2万座充电站、507万个充电桩：2030年建14万座充电站、5000万个充电桩。一线城市北京、上海、深圳都积极响应电动汽车的国家战略政策，纷纷出台政策规划。这样的政策浪潮下，充电桩行业发展迅猛，但对于绝大多数普通消费者，充电桩还是一个新生事物，相关的专业文章也还很少。
关键词：直流；充电桩；电气系统；研究
引言：
随着全球能源危机的不断加深，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的方向，发展电动汽车将是解决这两个问题的最佳途径。近年来，汽车工业正逐渐朝向环保清洁的方向发展。本文所研究的直流充电桩作为充电基础设施的一部分对于推进电动汽车的普及具有重要的意义。
一、概述
1.直流充电桩原理
充电模块的原理是三相交流电经由整流滤波后，变成直流输入电压供给 IGBT桥。控制器通过驱动电路作用于IGBT，使直流电压又转换为交流电压。接着，交流电压经高频变压器的变压隔离，再次经整流滤波得到直流脉冲，进而对电池组充电。控制器会根据检测到的电池的端电压、电流大小实施控制策略，实时改变充电参数。其中，过流、过压和过温保护电路是为了保证系统安全可靠的工作。
2.硬件设计
直流充电桩复杂程度高，组成构件较多，包括主控板、接触屏、指示灯等。直流充电桩的组成构件中，主控板是最核心的组成部分，能够对充电过程进行有效控制，而且可以利用多种通讯方式将充电桩的工作数据传输至后台。主控板的主要功能特点包括：具有6个串口，下位机检测以及数据采集办卡通过通用串行总线和上位机CPU模块进行通信，同时上位机具有显示功能。监控单元是为了实时监测充电桩的运行状态。该单元对充电桩的进线输入电压，充电输出电压电流，充电接口状态，电池管理系统状态，电池状态等进行实时监控。
3.软件设计
电动汽车需要充电时，将电动汽车的充电插口与充电桩的充电手柄相连接，然后将IC卡放置刷卡区，根据显示屏提示进行操作，连接充电接口，选择具体的充电模式，然后进行充电。而监控单元则会在整个充电过程中，对充电电压电流，充电接口连接情况等进行实时监控，如果发现异常，则会立即发出警报。
4.充电的基本过程
在电池两端加载直流电压，以恒定大电流对电池充电，电池的电压渐渐地缓慢地上升，上升到一定程度，电池电压达到标称值，SoC达到95%（针对不同电池，不一样）以上，继续以恒压小电流对电池充电。“电压上去了，但电量没有充满，就是没有充实，如果有时间，可以改用小电流充实”。为了实现这个充电过程，充电桩在功能上就需要有“直流充电模块”提供直流电源；需要有“充电桩控制器”控制充电模块的“开机、关机、输出电压、输出电流”；需要有“触摸屏”作为人机界面下发指令，通过控制器将“开机、关机、输出电压、输出电流”等指令下发给充电模块。从电气层面理解的最简充电桩只要有充电模块，控制板和触摸屏就可以了；如果开机、关机和输出电压输出电流等指令在充电模块上做成几个键盘，那么一个充电模块就可以对电池充电了。
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二、充电桩电气设计外在要求
1、适应极端天气
电动汽车充电桩是户外型设施，整个设计过程中，为适应户外极端天气的影响，应利用不锈钢结构，从而起到防尘、防雨、防极端恶劣天气的作用。同时，电动汽车充电桩的显示区、刷卡区应采用PC材料，该材料具有很强的抗腐蚀性，同时具有阻燃、自熄等优点，其韧性和强度都较好，能够经受住重压的作用。
2、较强的抗电磁干扰能力
电动汽车电池在充电时，其充放电的工作效率会受周围环境条件的影响，特别是受电磁干扰影响较大。在常温情况下，电池的充放电接收能力较强，随着环境温度的降低，其接受充电的能力也会随之下降。因此，在设计电动汽车充电桩的时候，要具有较强的抗电磁干扰能力，防止因电磁干扰过强影响其充电效率。
三、太阳能充电桩电气系统的总体设计
1、直流充电模块设计
把一定数量的太阳能电池片组合在一起，采用并联或串联等不同的组合方式，构成了太阳能电池板，一般电池片的大小和功率有多晶 156 mm×156 mm，功率为 3.3～4.0 W；单晶 156 mm×156 mm，功率为 4.0～4.5 W；单晶 125 mm×125 mm，功率为 2.5～2.8 W。一般情况下，1 m2的电池板通常是由 36 片、54 片、60片、72 片或 96 片的电池片串联构成，单片的电压通常在0.5 V 左右，所以对应的电压即在 18 V、27 V、30 V、36 V、48 V 左右。由于太阳能电池板不能存储电能，因此，必须把它所发的电能存储起来，储能的装置一般采用铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池与锂电池。
2、电路的设计及仿真
单个电池板输出的电压为 DC48 V，把 9 个太阳能电池板所配备的锂电池通过串联的方式组合成一个电压为 432 V的新电池组，作为充电桩的供电电源，并设计充电桩的直流充电模块，使之对电动汽车进行直流充电。
3、整流电路的设计
当天气变差或在夜间无太阳能可用时，即太阳能电池板所发电量不足时，检测装置检测到后，则接通三相交流电，使三相交流电作为供电电源向充电桩供电。三相整流电路一次侧接入的是 380 V 的三相交流电 U1，经变压器变压，二次侧变为有效值 171 V 的 U2，在通过整流电路整流之后，随即得到了 Ud，Ud=400 V，使其作为直流电源对电动汽车进行直流充电。
结束语
在国家大力提倡新能源汽车发展的良好形势下，电动汽车因污染少、噪音轻、环保节能受到了人们的一致欢迎，同时，电动汽车行业迎来了前所未有的大好发展机遇，具有相当大的发展空间。目前，电动汽车面临的充电难问题并不能打消民营资本对该行业的热衷，也不能改变国家电力部门对该行业的积极性，电力方面的改革将会解决充电桩盈利的难题。国家关于电动汽车用电的价格政策制定之后，将会对经营性充电站的用电价格进行明确。假如经营性价格出台之后，并且给运营商一定的利润空间，那么必将带动各方力量投资充电桩建设，电动汽车充电难的问题将迎刃而解。总之，传统汽车在运行过程中产生了大量的污染，在国家大力提倡环保理念的今天，发展电动汽车是大势所趋，众望所归，也是一项惠民的良心工程，相信通过各方努力，电动汽车的发展会前途无量。
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论文作者:汪小博
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
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