第一部分：直流充電樁的構造

 

直流充電樁又稱“非車載充電機”，對應于電動汽車內車載充電機的充電設施，其功能類似于加油站里面的加油機。根據對電動汽車的充電方式，充電樁可分為交流充電樁和直流充電樁兩大類。交流充電樁主要安裝在停車場，造價低廉，適合家用，給普通純電動轎車充滿電需要4~5個小時，俗稱“慢充”。直流充電樁具備直接給電池充電的能力，以三相四線制的方式連接電網，能夠提供充足的電力，輸出的電壓和電流調整范圍大，俗稱“快充”。本文將重點介紹直流充電樁。

 

直流充電系統是一個整體，是把交流功率系統轉化成直流的裝置。從構成開看，分變壓器、配電柜、直流充電機和充電樁。其特點是：

充電樁只負責與車輛對接和傳輸能量，損耗較小

配電系統的設計主要是配線、計量和熔絲保護，可以在一個設計單元中擴展和檢查

直流充電機與充電樁一一配置，遠離客戶，走線通過地下傳輸

 

充電電源模塊：完成AC=>DC的電壓和能量轉換

智能控制模塊：包含電源供給和控制部分，基本的功能是完成與電動汽車通信，根據電動汽車的需要來實現充電控制的功能

遠程監控：需要接收遠程監控主機的指令，傳送相關數據信息，執行控制指令

溫度控制：現有功率比較大時，充電電源模塊需要散熱功能溫度控制

直流負載接觸器

漏電保護器：保證交流端和直流端的絕緣檢測

計費模塊：按照國標要求，完成對電能的計量。按照現有的實際情況，一般計費模塊包含兩部分，與電能表通信，獲取充電電量信息，與智能模塊進行通信，供給刷卡、二維碼計費等信息

HMI&顯示屏：為直流充電樁對外交互的接口，給用戶輸入信息和顯示狀態的接口，由于現在普遍支持多種支付的接口（銀行卡、IC卡、二維碼等內容），也作為HMI的一部分，讀取卡內信息，識別用戶身份及相關信息，這也是重要的組成部分

 

從充電電源模塊而言，分為整流、PFC、DC/DC變壓幾個部分，有1~2獨立的控制器整流和變壓部分，針對充電機系統，羅姆可提供以下解決方案及元器件：

 

SiC-SBD：羅姆不斷改善元器件工藝，隨著產品的更新換代，實現了低VF。開發出使用SiC的SBD（肖特基勢壘二極管），最適合PFC（Power Factor Correction）電路及逆變器用途。實現了Si-FRD（Fast Recovery Diodes）難以實現的極短的反向恢復時間（trr），使得高速開關成為可能。由于反向恢復電荷量（Qrr）小，為降低開關損耗和設備小型化做出貢獻。

 

GateDriver：內置絕緣元器件的柵極驅動器，可實現與SiC相應的高速工作，輸入輸出延遲時間為Max.150ns的高速工作，使用無鐵芯變壓器，內置2,500Vrms絕緣元器件，利用獨創的噪聲消除技術實現了共模抑制，支持高VGS、負電源※BM6101FV-C，BM6104FV-C

 

第二部分：充電樁的實際工作過程

 

車輛與充電樁的交互 · 準備階段主要分三步

 

第一步，車輛接口連接確認階段：當我們按下槍頭按鍵，插入車輛插座，再放開槍頭按鍵。直流充電樁將檢測到直流充電槍插入的過程（12V-6V-4V）的電平變化。充電樁檢測到充電槍插入成功，判定車輛接口完全連接，充電槍中的電子鎖會進行鎖止，防止槍頭脫落。

 

第二步，直流充電樁自檢階段：在車輛接口完全連接后，充電樁將閉合K3、K4，使低壓輔助供電回路導通（車輛將根據監測點2的電壓判斷車輛接口是否連接，若電壓值為6V，則車輛裝置開始周期發送通信握手報文），接著閉合K1、K2，進行絕緣檢測（即檢測DC線路的絕緣電阻），保證后續充電過程的安全性。絕緣檢測結束后，將投入泄放回路泄放能量，并斷開K1、K2，同時開始周期發送通信握手報文。

 

第三步，充電準備就緒階段：電動汽車與直流充電樁相互配置的階段，車輛控制K5、K6閉合，使充電回路導通，充電樁檢測到車輛端電池電壓正常（電壓與通信報文描述的電池電壓誤差≤±5%，且在充電樁輸出最大、最小電壓的范圍內）后閉合K1、K2，那么直流充電線路導通，電動汽車就準備開始充電了。

 

充電階段：車輛向充電樁實時發送電池充電需求的參數，充電樁會根據該參數實時調整充電電壓和電流，并相互發送各自的狀態信息（充電樁輸出電壓電流、車輛電池電壓電流、SOC等）。這里是由車輛根據自身的情況向充電機索取電流。

 

充電結束階段：車輛會根據電池管理系統計算得到的電池狀態來判斷是否結束充電。

車輛會發送“車輛中止充電報文”，在確認充電電流小于5A后斷開K5、K6。

充電樁在達到充電樁設定的充電結束條件，或車輛發來的“車輛中止充電報文”后，控制充電樁停止充電，在確認充電電流小于5A后斷開K1、K2，并再次投入泄放電路，然后再斷開K3、K4。

 

第三部分：直流充電樁的分布和未來發展

 

從全球來看， 2015年充電供電設施（包含四種充電模式，1&2為線纜，3&4分別為交流和直流充電樁）總數達145萬個,公共充電站19萬個,慢充交流樁超過161802個,快充樁超過27707個,私人充電設施126萬個.備注：這里的數據是EVI提供，IEA分析的，估計分析值全球電動汽車保有量為126萬輛完全一致，存在一些考慮。特別是評估2015年底，中國有25%的自有樁，31.5萬充電樁，這里明顯有些高估了。

 

從整個城市來看，我們可以分兩類，

1）目的地充電：購物場所、名勝觀光區、游樂場、醫院、公園、美術館、高爾夫球場、旅館、酒店、飯館。

2）應急充電：加油站、高速公路、高架道路、鐵路、空港。

 

從性質上分，運營實體都在嘗試，車主在哪里，車主會在哪些地方大量使用充電樁，如果這個利用率提不上去，也就完全沒有安裝充電樁的商業可能性。

 

應急的充電站，其實是一個雙刃劍。要車主等在邊上不能久離的。有個很有趣的概念是，車主在快速充電的時候干嘛，說到底，應急充電也要給車主一個目的性他才會常去，否則這些應急的利用率就可想而知。

 

未來很長一段時間，車企都在解決兩個和充電樁密切相關的問題，第一個是通過不斷提高電池的容量來不斷加大車輛的續航里程；第二個是盡可能縮短充電時間，目前一兩個小時的快充，未來有可能要控制在十分鐘之內。對于未來的充電樁提出了更高的挑戰，未來直流充電樁的最高充電功率是設計成350kW

 

今日小結：經過品牌電動汽車的長期市場教育，中國消費者已經了解并接受電動汽車，多地政府也最大限度地賦予電動汽車在上牌指標、購置補貼、城市道路不限行等政策性優惠和傾斜，也使得電動車市場愈見火熱。同時，新能源汽車的“充電難”也日益突顯，為緩解城市范圍內電動汽車車主的“缺電焦慮”，必將在城區主要路段升級覆蓋直流充電樁，這必然孕育著直流充電樁的廣闊發展前景，在未來的電動汽車的發展中非常重要，有著廣闊的發展前景。