摘要：随着社会的发展，人们生活水平的不断提前，作为出行重要工具的汽车也在不断地更新换代，在全球能源危机的情况下，电动汽车应运而生，而这必将带动电动汽车直流充电桩的发展。
本文首先介绍了国内外关于充电桩的发展背景与现状，然后分析了现阶段直流充电桩充电的模式，以及云平台大数据的监控管理，最后对直流充电桩的设计进行详细的探究，以促进电动汽车新能源的不断发展。
关键词：充电桩、设计
1 引言
随着全球各国对新能源汽车的重视，作为电动汽车的能源供应设备的充电桩也得到了各方的大力研究与发展，而面临交流充电桩充电慢，车主时间紧等原因，研究直流充电桩的设计也就有了它的必要性。
2 电动汽车直流充电桩概述
2.1 电动汽车直流充电桩国内外的发展背景与现状
据美联社报导，中国已经开始研究启动制订燃油车的停售时间表。新能源汽车也将是中国在未来数十年转变为一个高科技强国计划的关键组成部分，而为了跟上电动汽车的发现步伐，在充电桩方面，国家战略层面的力挺也随之而来，国务院常务会议部署加快电动汽车充电基础设施和城市停电场建设，研究通过了《加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》。
在世界层面上，许多国家对新能源汽车以及其基础充电设施上都走在我们前面，譬如美国，电动汽车数量相对较多，在其大多数城市均已建立了多个简易充电桩，包括非接触式充电桩与接线式充电桩。法国和英国也在此前宣布，将从2040年开始停止销售汽油和柴油汽车，这也将推动能实现快充充电的电动汽车直流充电桩的发展。
2.2 电动汽车直流充电桩的充电模式
现阶段，对于私人家庭来说，大部分配备的都是小功率的交流充电桩，而对于出租车以及运货车等用户来说，他们的时间就是金钱，用直流充电桩充电也就成了必然，因为直流充电桩大大缩短了充电的时间。随着社会上用户的不断体验以及各种实际的应用，直流充电桩也分了快充、慢充、柔性充电三种充电模式。
（1）快充充电 在直流充电桩的最大输出能力大于电动汽车的BMS需求时，快充能实现电动汽车需求的满功率输出。
（2）慢充充电 因场地或是用户具体需求，如停车场占地紧张，这就要求一台直流充电桩要具配两枪或是多枪同时充几辆车的情况，这时就相当于将一台直流充电桩的最大功率均分到几把枪上，从面实现多车同时充电的功能。
（3）柔性充电 对于多枪的直流充电桩，通过研发与设计，可以实现多枪间的电流智能分配。如当两辆车在同一个桩充电，其中一辆充满了，此时充电桩将能够智能的将资源分配到还在充电的车辆上，实现快速充电的模式。
3 云平台大数据的监控管理
随着社会上充电站的不断建设，一个企业的充电桩遍布一个城市或多个城市，还有些充电站是无人值守的。相比交流充电桩，直流充电桩电流大，功率也大，运营成本以及安全系数等因数考虑，这就要求了我们对每一个电站，每一个充电桩的监控就成了必然。将每一台充电桩通过联网，将每台充电桩的充电状态、各种实时的参数都上传云平台。企业就可以通过大数据进行分析，统计各种车型、充电时段、充电人次等，得到市场需求的同时，对直流充电桩也能很好的监控。而作为用户则可以通过其APP等软件，观察各个充电站中充电桩的状态，从而根据充电站的空闲桩的个数或距离的远近，去预约或是直接去自己想去的充电站给电动车充电。
4 电动汽车直流充电桩的设计
4.1 系统设计
电动汽车直流充电桩主要由人机交互触摸屏、读卡器、电能计量模块、充电模块、通讯模块、充电接口、控制模块和桩体组成。直流充电桩系统主要组成如图1所示。充电桩具有多重保护功能，输入输出具备双重安全保护措施，充电时可实时监测充电电缆的连接状态，连接异常时立即终止充电，确保充电过程中的人身和车辆安全。人性化的界面显示和控制导引功能，让用户方便完成充电过程；对外提供CAN、以太网、GPRS等多种通信接口，与监控中心、运营管理中心实时通信，实时监测充电状态。
图1 直流充电桩系统框图
4.2 充电流程软件设计
直流充电桩的充电流程一般包括插枪、刷卡或APP扫描、锁枪、切投辅助电源、桩体自检、执行充电、充电结束等。简易充电流程如图2所示。其中桩体自检包括与车握手互交、绝缘检测、放电回路启动。充电过程包括预充电启动、充电启动电流输出、充电过程中报文交互。充电结束包括发送充电停止命令、停止电力输出、发送统计报文、打印发票等。
图2 直流充电桩充电流程图
4.3 软件功能模块设计
对充电桩来说，软件主要分三大块，人机交互模块、主监控单元模块和枪与BMS监控单元模块。主监控单元还分别与刷卡器，电表，HMI等进行通迅。如图3所示。
人机交互模块主要功能为用户通过显示屏和刷卡机的操作与主监控单元进行信息的交互，以实现充电的开启、充电过程中的信息状态显示以及充电人工结束等操作。
主监控单元模块的主要功能是监测充电桩输入断路器的状态、直流输出状态，控制充电模块的运行状态、管理风扇运行、监测和控制充电桩与电动汽车中BMS连接、充电和停止充电等状态，支持计费刷卡功能，提供充电工作、报警及历史记录查询。监控单元还能适应充电机各种运行方式，实现恒流限压充电→恒压充电→停止充电的正确充电流程。
枪与BMS监控单元模块的主要功能为实现直流充电桩与车辆BMS通过CAN总线进行数据传输从而进行信息的交互，以确保充电的顺利进行并能实时监控电池的充电状态，确保能安全快速地对电池进行充电。
图3 直流充电桩主要功能模块示意图
4.4 保护控制单元设计
在充电过程中，因各种原因，充电桩必须具备软件保护功能，使直流充电桩能够有效的停止充电以及保护汽车、桩与人的安全。一般有三方面原因将会导致充电停止。
（1）直流充电桩自身原因，如门禁故障、急停故障、绝缘故障、漏电故障、充电桩过温、连接异常等，充电桩接收到这些信号时，软件保护控制单元应能有效地反应到桩上，应立即向车辆BMS发送CST（充电桩中止充电）命令，同时充电桩停机，停止CAN通信，根据故障类型进入相应的处理方式。
（2）车辆故障原因，当车辆发生故障时，车辆内BMS会通过CAN通信向直流充电桩发送BST（BMS中止充电）命令，此时直流充电桩应能迅速反应，停止充电。
（3）交互报文原因，当直流充电桩与不同的车辆进行充电时，有可能会出现通迅中断，或是报文方面不匹配的原因，直流充电桩应能根据标准，做出相应的处理方式。如充电握手阶段、配置阶段的超时、充电过程超时等，应根据相应标准进行重连或停止充电，如图4所示。当收到不可信状态时，接收方保持上一状态，数据包不做处理。
图4 充电超时流程图
5 结语
面对能源和环境的巨大压力，电动汽车迅速发展势不可挡，与之配套的电动车充充电桩逐渐成为电动汽车产业的重点研究领域之一。本文主要介绍了直流充电桩技术，并对其功能进行详细地分析，以及直流充电桩的设计的详细研究。随着国家对电动汽车新能源技术的重视，直流充电桩将会是我们重点要发展的方向，而对于直流充电桩的研究，还有很长的路要走，期望我们能够抓住这次机遇，走在世界的前面。
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论文作者:卢慈荣
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/22
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