汽车快充系统技术及未来发展前景「新能源汽车充电技术」

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原有的50kW充电站已不能满足新电动汽车更高充电速度的需求。

电池的能量密度技术是影响电动汽车（EV）普及的主要决定因素。2019年之前，电池的能量密度约为120~150Wh/kg；因此，电动汽车无法装载巨大的电池容量（如0.40kWh的 Nissan Leaf、0.42kWh 的 BMW i3 等）。

市场上大多数直流充电站也设计了50kW的能量输出，以满足市场上电动汽车的需求。

过去，由于功率要求为50kW，充电站的规模相对较小。充电站没有太多散热或噪音问题，充电站的外观大多采用一体化设计（图1）。

图 1：集成充电站。

现在，随着技术的进步，由于电池使用的材料，当今电动汽车使用的电池的能量密度已提高到160~200Wh/kg。自2021年起，所有电动汽车都将采用大容量电池设计，以增加续航里程，现在许多电动汽车可以超过 400 公里，例如奥迪 e-tron（额定功率为 71kWh）和奔驰 EQC 400（额定功率为 80kWh）等车辆。

充电速度慢，原有的50kW充电站已不能满足新车对更高充电速度的需求。为此，需要更大的充电电源，比如180kW甚至360kW。

因此，由于能量容量的增加，充电站的尺寸也越来越大。集成充电站通常占用大量停车位。更重要的是，充电站的功率越高，散热问题就越严重，需要更多更大的风扇来散热。这也会导致更大的风扇噪音，直接影响环境。因此，单独的充电站（图 2）通常设计用于大功率应用（如特斯拉充电器、飞鸿充电器等）。

图 2：单独的充电站通常设计用于高功率应用。

这种分离式充电站的优势在于两个方面：

远离噪音：一般充电站的噪音主要是电源模块的散热问题。独立的充电站设计有独立的电源柜，远离用户，让高分贝的噪音远离用户。或者，可以将电源柜设置在地下，使整个充电区整洁、方便。减少充电站占用面积：在单独充电站的设计中，只需要在停车场安装加油机。由于 2. 充电站基地面积的减少：在单独充电站的设计中，只需要在停车场安装加油机。由于点胶机只有屏幕显示和充电枪的功能，所以点胶机体积更薄、体积更小，不占用大的底座面积，可以更好地利用车位。

因此，大功率独立充电系统将成为未来市场上充电系统的主流。

全球充电站及主要技术法规

充电站的材料组成

一个直流充电器大约300~400个不同的组件组成，包括断路器、接触器、电源模块、控制器、风扇等（图 3）。这些部件按功能排列成一个电源柜进行能量转换（图4），主要完成以下功能： A）能量转换：部署多个电源单元，将交流电转换为直流电，为电动汽车充电；B) 保护：当系统检测到漏电过大或绝缘阻抗异常等情况时，立即切断电源，保护用户的人身安全；C) 控制：可以接受来自电动汽车和云平台的命令，以监控和控制车辆充电状态。也可外接遥控器，通过降低输出能量与电网平衡；D) 连接。

图 3：直流充电器的主要部件。

图 4：电源柜。

全球电动汽车充电标准

CHAdeMO充电标准，由日本工业联盟制定。CHAdeMO 已经在其 1.2 版（2017 年 3 月发布）中启用了高达 200kW（400A x 500V）的大功率充电。CHAdeMO 2.0 现在允许高达 400kW，使高达1kV的高压充电成为可能。GB/T 18487.1-2015 电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求；GB/T 27930-2015 电动汽车非车载导电充电机与电池管理系统通信协议。联合充电系统（CCS）：欧美厂商青睐。

充电站与电动车的连接

充电站的主要功能在于能量转换。在充电过程中必须特别注意控制大量的能量转换。因此，充电站和电动汽车之间的通信至关重要，尤其是插入充电枪进行车辆充电时的连接，因为连接决定了车辆充电的所有细节。

以CCS为例，EV充电涉及阶段A、B、C和D，以及从t0到t17的多个顺序动作。基本上，当充电站与 EV 连接时，阶段 A 和动作 t0 开始。在这个阶段，充电站的PLC和EV的PLC开始交换所有充电参数，包括EV发送的最大电压和电流的要求以及充电器发送的最大可用电压和电流容量。同时进行充电站漏电自检和电动汽车自检等动作，直至充电站和电动汽车分别完成准备工作。双方准备就绪后，两端相互发送READY信号，表示EV充电准备就绪。在连接过程中，如果出现数据丢失、参数不匹配或握手未能在时限内完成，则计费序列跳转到动作t16，结束计费过程。在 CHAdeMO 和 GB/T 的示例中，应用了类似的握手协议。三个例子的充电握手对比见表1。

表 1：直流充电握手的比较。

充电站主要技术

电源模块

目前，30kW风冷功率模块是充电站的主流产品。市面上的充电模块主要有三相PFC和DC/DC转换器。常见的PFC电路有三相六开关PFC电路和三相Vienna PFC，其主要控制方式有三角波比较法、磁滞电流控制和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。常见的DC/DC变换器有ZVS移相全桥变换器和LLC谐振变换器，其中ZVS移相全桥变换器的工作原理采用两个臂开关——一个是超前开关，一个是滞后开关——相位差为180°度，全桥LLC谐振变换器的工作原理采用频率控制——一个顶部和另一个底部的MOSFET——占空比为50%，每个MOSFET都基于谐振电感和变压器的漏感进行零电压开关。多个电源可以并联在不同类型的模块中，共同产生能量输出。例如，可以并联12个功率模块，最大可产生360kW的功率。

通常，电源模块的输入为三相三线三角形和三相四线 Y 两种类型之一，输入电压为 380Vac~480Vac，而电源模块的输出电压为多为150V~950V。这样的规格可以满足电动汽车（要求电压为300V~450V）和电动公交车（要求电压为600V~850V）等电动汽车的充电要求，同时达到95%或更高的能量转换效率。

为了应对大功率快充的需求，发热技术也需要攻克。传统充电系统采用风扇控制风冷，不仅散热效果差，而且风扇转速过快也会带来额外的噪音污染。有鉴于此，具有超强散热效果的水冷功率模块已成为直流快充站未来发展的技术之一。

CSU 控制器 (CSU)

CSU控制器是信号控制中心，负责与电动汽车的通信、电源模块等保护部件的控制、充电站内所有传感器的检测。最重要的是，CSU 控制器可以通过后端通信将数据传输到云端，例如开放充电点协议 (OCPP)，允许记录整个充电过程，包括任何错误消息。请参阅下面的图 5。

图 5：电动汽车充电桩和 CSU3.0。

由于快速充电站的充电容量大，安全保护和运行稳定性尤为重要。CSU作为快速充电站的大脑，不仅需要及时发现问题并正确实施解决方案，还需要配备硬件冗余机制来进行安全保护，保障功能有效性。

云后端

云后端的主要目的是记录充电过程中的所有信息。充电站通过OCPP将心跳包传输到云后端，保证充电站的正常工作。新版本的软件可以从云后端下载到充电站进行软件更新，也可以通过API将云后端上的数据传输到其他云平台。

充电站的应用

近年来，信息、通信、人工智能（AI）的突破性发展，以及这些突破与节能、减碳、环保的融合成为热门应用和话题。虽然电动汽车快速充电站的主要功能是为电动汽车提供电力，但充电站本身具有电能充足的优势，这也适用于当前流行的技术。

充电站与路灯一体化

节能减碳是全球共识。路灯与信息通信技术的融合，让路灯在需要的时候发挥其照明功能，同时补充路灯在照明功能之外的附加功能。

充电站与路灯的融合，让电动汽车在临时停在路边或停车场时，也能补充电能。这使得电动汽车可以利用碎片时间随时随地充电，从而使电动汽车不必在特定地点充电，这为传统汽油燃料汽车无法实现的电动汽车提供了突破性的供电方式。

充电站与绿色能源的融合

传统车辆使用汽油作为燃料，这是一种无法回收的消耗性燃料。汽油的生产也对环境产生了很大的不利影响。基于储能和电能转换技术的充电站与可再生绿色能源的融合，使太阳能、生物质能等向电动汽车供电。这种融合不仅节约了地球上有限资源的消耗，而且还减少了对环境的影响，同时为企业经营者节省了运营成本。

充电站与智能电网的融合

目前，分布式智能微电网与传统的集中式电网相比，能够提供稳定的电力供应，更好地响应能源容量需求，是当今世界的发展趋势。双向充电站与智能微电网的融合，既可以在电网电力稳定的情况下为电动汽车提供电力，也可以在危急或电网电力不稳定的情况下，从电动汽车向电网提供反方向的电力。

未来的趋势

电池技术不断发展、创新和突破壁垒。预计市场上将会出现更高能量密度和更高放电电流的电池，并且市场上将出现更新、更先进的电池。预计改进的电池技术可能会导致电池具有两倍或更高的电流能量密度。随着人们对电池充电时间越来越短的期待，可以预见，未来的趋势将根据市场需求而定。

预计对具有更高能量容量的充电站的需求。目前，最大容量360kW的充电站还不能满足未来的需求。据估计，充电枪的物理极限在800A左右，而目前市场上的充电枪则在500A左右。如果充电枪的电压限制像现在一样保持在850V，那么未来的能量转换可以达到680kW。因此，预计下一代充电站的功率有望达到720kW左右。

电网容量不足也会阻碍充电站向更高能量容量的发展，因为容量不足的电网将被迫过载，无法支持更高能量容量的充电站。另一个问题是增加电网容量的成本可能不经济。因此，需要将本地储能系统的部署纳入充电站的应用中，以补充电网容量不足，节约成本。

一旦电动汽车被设计为容纳更高的电池容量，相对而言，电动汽车将成为一个巨大的移动储能系统。因此，电动汽车内部的能量可以被送回电网进行能量再利用。利用电动汽车的能量反馈进行家庭储能，使电动汽车成为智能家居的电源供应商。此外，电动汽车还可以利用电动汽车向电网反馈的能量，成为智能电网的电源供应商。对此，充电站还起到了能量转换反向供电的作用。因此，双向充电系统将成为未来必不可少的设备。

结论

未来，能源转换、储能、能源管理与调度将构成城市生活用电的核心。依托城市建设中部署的所有公共充电站或家用充电站，发电厂的交流电或太阳能、风能等可再生绿色能源可转换为电动汽车或家庭储能系统用于家用电器。此外，存储在电动汽车中的电池能量可以传输回电网。可以预见，具有双向能量转换能力的充电站将成为未来的基础设施。相应地，将出现网络电力调度业务，这将受益于电力平衡和电力调度的部署，包括购电和售电。

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