摘要：在“互联网+”的背景下提出新型电动汽车双枪充电桩的技术方案。方案从充电桩架构的角度入手，分析充电桩的现状与存在的问题。定义充电桩的功能需求，设计新型电动汽车充电桩架构，同时也规划了新型架构下需要支持的标准体系。通过架构设计、功能定义、标准体系、业务流程及应用案例的对比分析完成充电桩的技术方案探讨。结果表明，该技术方案在兼顾扩展和安全的前提下，利于充电桩产品的标准化，可以有效提高电动汽车充电桩充电服务能力，降低充电桩运营成本。
关键词：互联网+；电动汽车；车充电桩；充电服务；标准体系；
随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放、噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，部分国家相继出台燃油车禁售时间，电动汽车己成为未来汽车产业的发展方向。电动汽车的迅速发展，对充电桩的要求越来越高。非车载直流充电桩采用充电站固定安装方式，与交流电网连接，是为电动汽车动力电池提供直流电源的供电装置。直流充电桩的输入采用三相五线交流电源，输出为电压、电流可调的直流电，工作模式为：充电桩和动力电池BMS系统建立通讯，并按照BMS要求的充电参数输出匹配的直流电。因充电桩市场需求导致直流快充模式是发展趋势，故直流充电桩大多采用三相五线制供电方式，部分如公交充电站、电动客运充电站需要新增大容量供电箱变，以解决充电桩的电源需求。大功率直流充电桩可以实现快速充电的要求，双枪500A（250A+250A）直流充电桩已在公交充电站大量采用，通过高倍率充电电流，可使电动公交车一次补电控制在10分钟以内。
1.直流充电系统
直流充电系统主要由功率部分和控制部分构成。功率部分包括充电机、充电桩和动力电池；与此对应的控制部分包括功率控制单元、充电控制单元和BMS，如图1所示（注：直流充电桩依据结构设计不同可分为：分体式充电桩和一体式充电桩，本文为便于理解以分体式充电桩为例做阐述说明）。充电机由若干组充电模块并联组成，满足不同类型动力电池的充电需求，同时便于输出电压、输出电流的调整。充电桩是连接充电机和动力电池之间的桥梁，负责人机交互、刷卡计费、充电控制等功能。动力电池是电动汽车的动力来源，现阶段电动汽车的动力电池多采用锂电池，动力电池的容量取决于锂电池单体串并联的数量，电动车选用的电池类型有：磷酸铁锂、三元、钛酸锂等，不同电池对应各自电池特性，对充电桩的充电电流需求差异较大。
直流充电桩主要由人机交互单元、功率单元、控制单元及充电接口组成。人机交互单元由触摸屏和电源开关组成，用于设置充电方式和充电参数。功率单元是指交直流变换模块。控制单元由主控板、控制保护单元、通信单元组成，完成充电过程的启动、运行、实时监控以及关闭。充电接口由充电插座和充电插头（充电枪）组成。直流充电桩输入电压是三相AC 380V，频率为50Hz，输出是可调的直流电，直接为电动汽车的动力电池充电。因直流充电桩供电采用三相五线制，能提供足够大的功率且输出的电压及电流调整范围大，可以实现快充的要求。
图1直流充电系统框图
动力BMS负责对动力电池所有单体进行电压采集、温度采集，根据采集结果估算当前电池的SOC，并依据电池状体调试充电策略。充电控制单元通过CAN通信和BMS建立实时信息交互，BMS将需求的充电电压和充电电流通过CAN通信传递给充电控制单元。充电控制单元将BMS申请的充电电压和充电电流值传递给功率控制单元，功率控制单元对充电机进行功率调节，控制充电机输出相应的输出电压、电流值。充电控制单元同时对输出电压、电流进行采集，生成电量，用于充电计费。
由于社会公共充电站的大量建设，对充电桩计量交易提出更高的要求，目前已形成充电卡、微信、支付宝、手机APP支付等多种方式，费用由电费和服务费两部分构成，通讯方式多采用4G无线，历史数据存储在云端服务器，其中计量交易部分涉及峰谷电价、服务费、停车费、预约费、电度计量、第三方金融存管业务开通、云服务开通等内容，计量交易功能是新型充电桩设计不可或缺的一部分。
2.设计方案
通过对目前充电桩产品的架构分析，结合未来的技术发展趋势，提出将交易服务与电气控制各自独立，硬件采用两块板卡，其中一块板卡负责充电桩的电气控制部分，另一块板卡负责充电桩的交易服务。负责交易服务的板卡可以进行强制独立认证，这样做的好处是利用不同厂家充电桩的标准化，减少不同厂家充电产品差异性，提高充电系统产品稳定性。同时有利于建立统一规范的交易结算模式，提高了电动汽车充电用户操作的便利性与交易的安全性。新型充电桩产品架构是将充电桩分为电气控制单元和认证结算单元两个部分，硬件采用两块独立的板卡设计，充电认证结算单元板卡负责完成包括人机界面、读卡器和EASM认证、通信模块及增值服务等部分功能。其中通信模块负责同时与电气控制单元部分、监控运营系统及电度表等设备进行信息交互。电气控制单元板卡负责完成包括充电控制器及充电单元等部分功能。采用此种架构设计的充电桩，实现了充电技术与充电业务的分离，有利于充电桩进行标准化设计，任何用户业务需求的变动无需改动充电桩底层电气控制部分，利用充电桩产品的后期升级维护，降低充电桩维护成本。
充电桩在双枪同时输出模式时，直流回路接触器KM1和接触器KM2处于断开状态，将功率模块部分划分为两个60kW功率单元。每个60kW单元分别对应两路直流输出，系统默认A1枪和A2枪为一个单元，B1枪和B2枪为一个单元。两个单元中各取一路可以实现同时输出，例如A1枪和B1枪可以同时输出，A1枪和B2枪也可以同时输出。若需要4枪同时输出，则可将功率模块划分为4个单元，每个单元最大输出功率30kW，也可以不均等分配。划分越多系统配置与复杂，会降低系统的可靠性和安全性。
3.主动充电控制策略
充电机主动充电控制策略的目的是要求充电机对BMS下发的充电电压和充电电流具有判断能力，能够辨别BMS要求的充电电压和充电电流是否合理，如果不合理，应不响应BMS的需求，并报BMS故障。充电机主动充电控制策略的实现取决于充电数据库的导入。充电数据库包括以下信息：电池类型、电池健康程度（SOH，stateofhealth）、电池的充电电压和充电电流、电池容量、单体容量、电池电压、单体电压、电池温度、单体温度、各充电阶段的SOC以及充电时间等。这些数据都是标准电池的正常充电曲线，实际充电参数会通过BMS实时上传给充电机，与标准充电曲线进行实时对比，实际充电曲线一旦与标准充电曲线有偏离则表明当前充电有问题，应及时处理，处理流程如图2所示。每一次充电操作，充电时间由人为设定，电池信息由BMS上传，包括电池类型、电池容量、电池的SOH，将这些参数代入充电数据库，生成一个对应于当前电池的标准充电曲线。标准充电曲线是不同充电电流、不同环境温度下，电池SOC随充电时间的变化曲线。任意给定其中的3个变量，将得出第4个变量。该控制策略中，充电机实时地获取当前的充电电流、电池温度和电池SOC，在当前充电时间下，循环判断实际充电电流、电池温度和电池SOC与对应标准值的偏差，一旦偏差超过阈值，则停止充电机输出，并报告对应故障信息。
图2主动充电控制流程图
4.桩体电气部分设计
充电桩的电气部分主要完成充电的控制与充电过程的保护等功能。设计应该考虑完善的充电保护功能，防止车辆电池过充，安全性高；具备输入侧的过流保护和短路保护功能；具备防雷保护、防静电、防过热、绝缘检测保护、电池反接保护；具备交流输入的过压、欠压和缺相保护功能；具备输出侧的过流保护和短路保护功能；具备软启动功能，防止直流冲击电流输出；具备急停功能，能快速切断充电模块电源和分断直流输出开关；具备自动判断充电连接器、充电电缆是否正确连接的功能；双枪充电桩应具备双枪独立为2辆电动车同时充电的功能，同时具备双枪并机为一辆双充电座电动车快速充电的功能。
4.1采用无载切换防止接触器损坏
无载切换技术是指通过对直流回路电压电流检测，在控制逻辑中做到输出回路无功率时进行切换。在无功率的情况下控制直流接触器的吸合和断开，可保证直流回路无电流冲击，减少冲击电流对接触器触点和直流回路无损害，保证了系统安全和接触器的使用寿命。此外，在电气元件配置时，直流回路正负极分别配置直流接触器，防止只有一极配置接触器发生短路的情况。
4.2接触器故障带来的安全隐患
在双路同时输出工作模式时，直流输出回路配置的接触器较多，如果某个接触器出现故障，不能够正常断开或吸合，会导致充电回路短路或者过压，将造成不可估量的损失。
4.3采用通断反馈技术防止接触器故障安全隐患
通断反馈技术是指控制单元通过检测直流接触器的辅助触点状态，间接测量直流接触器主触点的通断状态。监控单元对条支路接触器的辅助触点进行检测，可以有效排除接触器触点不动作和触点粘连的故障，在确定接触器通断状态后进行回路控制，能够保证控制系统的可靠性。
5.控制系统任务流程设计说明
控制系统使用微型嵌入式实时操作系统ＨＣ／ＯＳ－ＩＩ，具有源码公开、可移植、可裁剪、调度策略灵活的特点，提高了系统实时性，降低了程序复杂度，易于开发。在ＨＣ／０Ｓ－ＩＩ下，系统会根据各个任务的优先级自动进行调度，双枪直流充电桩控制系统的主要任务如下。
5.1充电控制任务
具有符合2015充电新国标，满足GB/T18487、GB/T20234及GB/T27930标准的完整控制导引与通信交互，各枪能独立进行充电，互不影响。
5.2大功率360KW双枪充电控制任务
国标规定直流充电枪最大电流为250A，360KW双枪充电桩可满足同时双枪250A输出（电压DC720V以下范围），可满足同时为两台电动车独立充电。部分商用电动车辆具备DC260~500A受电能力，配置双直流充电座，此时可通过双枪并机同时为一辆电动车快速补电，充电桩输出电流0~500A，适应部分受电能力在DC260~500A之间的车型。
5.3中功率（120~300KW）双枪并机控制任务
该功率段充电桩具有两把充电枪，对应有两组电源模块，当一把枪在充电，另一把空闲时，可以将其所属的电源模块并入正在充电的充电枪，充分利用模块资源，达到整机满功率输出的能力，在对受电能力在DC160~250A的电动车，能大幅缩短充电时间。
5.4小功率（30~90KW）双枪控制任务
该功率段充电桩主要针对乘用电动车和特种电动车，单枪最大输出电流120A，可双枪同时为两辆车提供慢充，也可并机单枪输出，工作模式类似5.3。
结论
本文通过新型电动汽车充电桩方案设计，将充电桩中的交易服务与电气控制两部分各自独立，实现了充电技术与充电业务的分离，保证了两部分按照各自技术路径发展，有利于系统集成，灵活安装部署，利于充电桩产品的更新换代和技术改造，构建了充电桩与充电用户之间规范化和可信赖的充电交易模式，通过认证单元的独立认证，减少不同厂家充电产品差异性，提高充电系统产品稳定性。有利于建立统一规范的交易结算模式，提高了电动汽车充电用户操作的便利性与交易的安全性。满足了充电用户的充电交易规范性和充电信息的安全性，对充电产品的进一步推广具有重大意义。
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论文作者:杜长征
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/17
标签：接触器论文; 单元论文; 电流论文; 电池论文; 功率论文; 电压论文; 电动汽车论文; 《电力设备》2018年第15期论文;