电动汽车的“高效加油站”——直流充电桩

直流充电桩又称“非车载充电机”,对应于电动汽车内车载充电机的充电设施,其功能类似于加油站里面的加油机。根据对电动汽车的充电方式,充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩两大类。交流充电桩主要安装在停车场,造价低廉,适合家用,给普通纯电动轿车充满电需要4~5个小时,俗称“慢充”。直流充电桩具备直接给电池充电的能力,以三相四线制的方式连接电网,能够提供充足的电力,输出的电压和电流调整范围大,俗称“快充”。

第一部分:直流充电桩的构造

直流充电系统是一个整体,是把交流功率系统转化成直流的装置。从构成开看,分变压器、配电柜、直流充电机和充电桩。其特点是:

• 充电桩只负责与车辆对接和传输能量,损耗较小

• 配电系统的设计主要是配线、计量和熔丝保护,可以在一个设计单元中扩展和检查

• 直流充电机与充电桩一一配置,远离客户,走线通过地下传输

“图示2-直流充电的设施概览”

图示2-直流充电的设施概览

如图所示,整个直流充电机包括:

• 充电电源模块:完成AC=>DC的电压和能量转换

• 智能控制模块:包含电源供给和控制部分,基本的功能是完成与电动汽车通信,根据电动汽车的需要来实现充电控制的功能

• 远程监控:需要接收远程监控主机的指令,传送相关数据信息,执行控制指令

• 温度控制:现有功率比较大时,充电电源模块需要散热功能温度控制

• 直流负载接触器

• 漏电保护器:保证交流端和直流端的绝缘检测

• 计费模块:按照国标要求,完成对电能的计量。按照现有的实际情况,一般计费模块包含两部分,与电能表通信,获取充电电量信息,与智能模块进行通信,供给刷卡、二维码计费等信息

• HMI&显示屏:为直流充电桩对外交互的接口,给用户输入信息和显示状态的接口,由于现在普遍支持多种支付的接口(银行卡、IC卡、二维码等内容),也作为HMI的一部分,读取卡内信息,识别用户身份及相关信息,这也是重要的组成部分

“图示3-直流充电桩的原理图”

图示3-直流充电桩的原理图

从充电电源模块而言,分为整流、PFC、DC/DC变压几个部分,有1~2独立的控制器整流和变压部分,如下图所示。以下蓝色的部分为罗姆可以提供的一些器件。

“图示4-充电机系统的核心部件概览”

图示4-充电机系统的核心部件概览

针对充电机系统,罗姆可提供以下解决方案及元器件:

SiC-SBD:罗姆不断改善元器件工艺,随着产品的更新换代,实现了低VF。开发出使用SiC的SBD(肖特基势垒二极管),最适合PFC(Power Factor Correction)电路及逆变器用途。实现了Si-FRD(Fast Recovery Diodes)难以实现的极短的反向恢复时间(trr),使得高速开关成为可能。由于反向恢复电荷量(Qrr)小,为降低开关损耗和设备小型化做出贡献。

GateDriver:内置绝缘元器件的栅极驱动器,可实现与SiC相应的高速工作,输入输出延迟时间为Max.150ns的高速工作,使用无铁芯变压器,内置2,500Vrms绝缘元器件,利用独创的噪声消除技术实现了共模抑制,支持高VGS、负电源※BM6101FV-C,BM6104FV-C。

“图示5-IPM工作波形(BM6101FV-C)”

图示5-IPM工作波形(BM6101FV-C)

第二部分:充电桩的实际工作过程

我们首先来看一下整个直流充电桩和电动汽车的交互过程。

“图示6-GBT18487.1的交互过程”

图示6-GBT18487.1的交互过程

车辆与充电桩的交互 · 准备阶段主要分三步

第一步,车辆接口连接确认阶段:当我们按下枪头按键,插入车辆插座,再放开枪头按键。直流充电桩将检测到直流充电枪插入的过程(12V-6V-4V)的电平变化。充电桩检测到充电枪插入成功,判定车辆接口完全连接,充电枪中的电子锁会进行锁止,防止枪头脱落。

第二步,直流充电桩自检阶段:在车辆接口完全连接后,充电桩将闭合K3、K4,使低压辅助供电回路导通(车辆将根据监测点2的电压判断车辆接口是否连接,若电压值为6V,则车辆装置开始周期发送通信握手报文),接着闭合K1、K2,进行绝缘检测(即检测DC线路的绝缘电阻),保证后续充电过程的安全性。绝缘检测结束后,将投入泄放回路泄放能量,并断开K1、K2,同时开始周期发送通信握手报文。

第三步,充电准备就绪阶段:电动汽车与直流充电桩相互配置的阶段,车辆控制K5、K6闭合,使充电回路导通,充电桩检测到车辆端电池电压正常(电压与通信报文描述的电池电压误差≤±5%,且在充电桩输出最大、最小电压的范围内)后闭合K1、K2,那么直流充电线路导通,电动汽车就准备开始充电了。

充电阶段:车辆向充电桩实时发送电池充电需求的参数,充电桩会根据该参数实时调整充电电压和电流,并相互发送各自的状态信息(充电桩输出电压电流、车辆电池电压电流、SOC等)。这里是由车辆根据自身的情况向充电机索取电流。

“表1-直流充电的过程”

表1-直流充电的过程

充电结束阶段:车辆会根据电池管理系统计算得到的电池状态来判断是否结束充电。

• 车辆会发送“车辆中止充电报文”,在确认充电电流小于5A后断开K5、K6。

• 充电桩在达到充电桩设定的充电结束条件,或车辆发来的“车辆中止充电报文”后,控制充电桩停止充电,在确认充电电流小于5A后断开K1、K2,并再次投入泄放电路,然后再断开K3、K4。

“图示7-充电过程概览”

图示7-充电过程概览

第三部分:直流充电桩的分布和未来发展

从全球来看, 2015年充电供电设施(包含四种充电模式,1&2为线缆,3&4分别为交流和直流充电桩)总数达145万个。

• 公共充电站19万个
 慢充交流桩超过161802个
 快充桩超过27707个

• 私人充电设施126万个
备注:这里的数据是EVI提供,IEA分析的,估计分析值全球电动汽车保有量为126万辆完全一致,存在一些考虑。特别是评估2015年底,中国有25%的自有桩,31.5万充电桩,这里明显有些高估了。

“图示8-主要国家的充电桩计量”

图示8-主要国家的充电桩计量

从整个城市来看,我们可以分两类,

1)目的地充电:购物场所、名胜观光区、游乐场、医院、公园、美术馆、高尔夫球场、旅馆、酒店、饭馆。

2)应急充电:加油站、高速公路、高架道路、铁路、空港。

从性质上分,运营实体都在尝试,车主在哪里,车主会在哪些地方大量使用充电桩,如果这个利用率提不上去,也就完全没有安装充电桩的商业可能性。

应急的充电站,其实是一个双刃剑。要车主等在边上不能久离的。有个很有趣的概念是,车主在快速充电的时候干嘛,说到底,应急充电也要给车主一个目的性他才会常去,否则这些应急的利用率就可想而知。

未来很长一段时间,车企都在解决两个和充电桩密切相关的问题,第一个是通过不断提高电池的容量来不断加大车辆的续航里程;第二个是尽可能缩短充电时间,目前一两个小时的快充,未来有可能要控制在十分钟之内。对于未来的充电桩提出了更高的挑战,未来直流充电桩的最高充电功率是设计成350kW。

“图示9-直流充电将往高功率发展”

图示9-直流充电将往高功率发展

今日小结:经过品牌电动汽车的长期市场教育,中国消费者已经了解并接受电动汽车,多地政府也最大限度地赋予电动汽车在上牌指标、购置补贴、城市道路不限行等政策性优惠和倾斜,也使得电动车市场愈见火热。同时,新能源汽车的“充电难”也日益突显,为缓解城市范围内电动汽车车主的“缺电焦虑”,必将在城区主要路段升级覆盖直流充电桩,这必然孕育着直流充电桩的广阔发展前景,在未来的电动汽车的发展中非常重要,有着广阔的发展前景。

本文转载自 罗姆半导体集团

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