直流充電樁概述
2019/6/4 10:06:42??????點擊：
在《“充電樁之芯及其它”系列之三—電動汽車動力電池及其充放電原理：交流充電樁or直流充電樁？》一文中，我們簡單提到了直流充電樁和交流充電樁的區別，本文將從下面5個方面概述直流充電樁，以期和同行一起交流切磋！
1.什么叫直流充電樁
2.直流充電樁的分類
3.直流充電樁的相關標準
4.直流充電樁的基本構成及基本工作原理
5.直流充電樁的發展趨勢
(1)超大功率充電堆-功率動態分配-柔性充電
(2)社區停車場環行智能充電
(3)家用型壁掛式充電樁進家用電器賣場，進家庭
(4)“光充儲”充放電一體化
(5)共享充電、免費充電
文中拋出了11個關于充電樁設計的技術問題，充電樁同行技術從業者需要對此感興趣：
1.充電模塊組的輸出端是否可以只用一個熔斷器？ 是否可以只用一個直流接觸器？
2.直流接觸器是否可以不通過繼電器來控制，直接由控制器的I/O信號來控制？
3.輔助電源的輸入端加了漏電開關，這是否可以省去？ 三相交流輸入端卻沒有加漏電開關，這是否可以接受？
4.風扇是否可以不用繼電器控制？
5.輔助電源是否可以由兩個合并為一個？
6.是否可以只要一種12V的輔助電源？
7.電子鎖是否可以不用通過繼電器切合？
8.圖中沒有電壓和電流檢測單元，這是否可以接受？
9.電表在采集電壓和電流信息，BMS也在采集電壓和電流信息，每個充電模塊本身也給充電控制器上報電壓和電流信息，他們之間的差異是什么？
10.充電模塊組整體端接了一個120歐電阻，那么在充電模塊內部是否需要在每個模塊CAN輸出接口端接120歐電阻匹配？
11.圖中總共用了幾個CAN通訊口？幾個RS485通訊口？如果是雙槍，需要幾個CAN通訊口？
1.什么叫直流充電樁
筆者沒有考證出“直流充電樁”這個詞最早是怎么出現的。在一些國家標準、行業標準中，相類似的名詞術語是“非車載充電機”，“非車載傳導式充電機”，“傳導充電系統”，“電池汽車直流充電系統”等，“樁”這個字也許很難上大雅之堂？但是，在國內的行業語境中，人們已經習慣叫“直流充電樁”，而不是叫“直流充電機”或“非車載充電機”；“車載充電機”則成了一個固定的術語，而且和國際上的表述On-boardCharger是一致的。
在能源局頒發的行業標準《NB/T33001-2010：電動汽車非車載傳導式充電機技術條件》中，對于“非車載充電機”給出了這樣的定義：
非車載充電機：固定安裝在地面，將電網交流電能變換為直流電能，采用傳導方式為電動汽車動力蓄電池充電的專用裝置。 （用了“蓄電池“這個字樣，讓人不舒服，可能是因為這個標準比較老了。）
在業內人士逐字研讀、最受關注的國家標準《GB/T18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》中，沒有專門定義“非車載充電機”術語，但它對“充電”術語給了定義。這個定義很不接地氣，很別扭，像是從英文“直譯”過來的：
充電：將交流或直流電網（電源）調整為校準的電壓/電流，為電動汽車動力電池提供電能，也可額外地為車載電氣設備供電。
直流充電樁，俗稱“快充”，顧名思義，就是可以快速地對電動汽車充電。特斯拉取了個名字“SuperCharger”，翻譯為中文是“超級充電樁”之意。國外是似乎已將超級充電樁作為直流充電樁的代名詞了，筆者看到ABB發布的新產品新聞稿標題也就叫SuperCharger。
“快充”有多快？主要取決于充電樁的功率大小和電池的充電倍率。一個簡單的算術題：假如以250A電流給287KWh的純電動大巴充電，電池電壓標稱值為556.8V，多長時間可以充滿，需要多大功率的充電樁？（“充滿”不是一個嚴肅的學術概念。專業的表達應該是，充電80%SOC之類的。實際使用中，也不可能是電池的電被放光了再充電，往往是“補電”，每次補上60%SOC的電。）
充電的過程中電池電壓其實是在變化的，我們就以556.8V這個固定的電壓估算，250A*556.8V=139200W，因此，需要150KW的充電樁。有了150KW的充電樁，它能輸出多大的電流呢？ 高斯寶電氣“充電樁之芯”的單個功率是15KW，是一種“恒功率充電模塊”，對于750V模塊，它可以在200V-600V范圍之內恒定輸出25A電流。150KW充電樁是10個“充電樁之芯”組成的，正好可以輸出250A電流，粗略估算，它充滿287KWh的大巴需要將近2小時（287KWh/150KW=1.913小時）。這并不夠快！所以，對于純電動大巴的充電方案，其技術路線還在演進中。
2.直流充電樁的分類
可以從功率大小、充電槍的多少、結構形式、安裝方式等不同維度對直流充電樁進行分類：
功率大小：
現在主流的充電樁功率大小有30KW、60KW、120KW、150KW、180KW等。出租車、物流車、乘運車一般使用30KW、60KW的，公交大巴則使用120KW甚至更大功率的。因為充電模塊主流的都是15KW了，所以充電樁的功率總是15KW的倍數。功率大小的不同也許不能算為一種分類方式，只是代表了充電樁的規格。
充電槍的多少：
直流充電樁通常有單槍和雙槍之分。從市場的需求和實用角度來看，將來應該是雙槍為主，因為單槍的效益太低：安裝了一個充電樁，占了那么大的空間，花費那么多費用，同時能給兩輛車充電不是更好嗎？當然，除了雙槍還可以有更多的槍。
雙槍充電有輪充和均充之分。譬如180KW的充電樁，當只給一輛車充電時，一個槍上的功率是180KW，這是輪充；給兩輛車充電時，兩個槍上的功率分別是90KW，這是均充。
結構形式：
一直以來，比較主流的分類是將直流充電樁分為兩種：一體式直流充電樁和分體式直流充電樁。
所謂一體式，就是充電樁的所有構成單元是一體的。分體式則將控制單元、計費單元、充電接口、人機交互界面等部分單獨做到一起，這部分除了充電槍之外都是弱電部分電路，將功率單元主要包括充電模塊，強電的配電電路部分等集中在一起，對于超大功率的充電樁，采取這種方式的比較多。
功率更大的充電樁甚至被定義為另外一種產品形態，被稱為“充電堆”，總功率高達幾百KW的充電模塊集中在一起，看起來像一個集裝箱一樣，從這個超大的箱體中拉出2個或者更多的充電槍，形成多個充電終端。
安裝方式：
大多數直流充電樁是落地式的，不管是一體式還是分體式都是落地的，甚至在前述的行業標準中，對“非車載充電機”的定義就是“固定安裝在地面”。但是，在其它的一些應用場合也需要便攜式和移動式。
便攜式充電樁外形小巧，安裝有滑輪及電源電線，可根據需要移動到充電的位置。適合于乘用型電動汽車充電。壁掛式充電樁安裝在墻上，不占用車輛停車空間，適合于家庭和公共停車場、居民小區。
3.直流充電樁的相關標準
和直流充電樁相關的標準有三類：國家標準、行業標準和企業標準。
國家標準：
由中國電力企業聯合會提出并歸口，以國家標準形式發布的直流充電樁相關的國家標準有四個：
1．GB/T18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統 第1部分：通用要求
2．GB/T20234.1-2015：電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分：通用要求
3.GB/T20234.3-2015：電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分：直流充電接口
4.GB/T27930-2015：電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議
此外，還有一個和交流充電樁相關的標準：
5.GB/T20234.2-2015：電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分：交流充電接口
行業標準：
由中國電力企業聯合會提出，由能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會歸口，由國家能源局發布的直流充電直流充電樁相關的行業標準有二個：
1.NB/T33001-2010：電動汽車非車載傳導式充電機技術條件
2.NB/T33008.1-2013電動汽車充電設備檢驗試驗規范第1部分：非車載充電機
企業標準：
由國家電網公司營銷部提出，由國家電網公司科技部歸口，由國家電網公司發布的直流充電樁相關的企業標準有三個：
1．Q/GDW1233-201：電動汽車非車載充電機通用要求
2．Q/GDW1235-2014：電動汽車非車載充電機-通信協議
3．Q/GDW1591-2014：電動汽車非車載充電機檢驗技術規范
此外，國家電網還發布了針對計費控制單元與充電控制器通信協議標準。
由南方電網公司生產設備管理部歸口，南方電網公司發布的直流充電樁企業標準有二個：
1． Q/CSG1211013-2016：電動汽車非車載充電機技術規范
2．電動汽車非車載充電機檢驗技術規范
此外，南方電網公司還發布了和交流充電樁相關的技術規范《Q/CSG1211013-2016：電動汽車交流充電樁技術規范》
以上充電樁相關標準在網上容易搜索到。各位如果需要，可以來電來函向我索取，聯系方式見上面署名欄。
4. 直流充電樁的基本構成及基本工作原理
在NB/T33001-2010標準中指出，直流充電樁基本構成包括：功率單元、控制單元、計量單元、充電接口、供電接口及人機交互界面等。
根據各種標準設計出的直流充電樁，早期是五花八門的，主要差別在于強電的各種開關、繼電器、接觸器、漏電保護器、防雷等細節不太一樣。隨著直流充電樁的普及，直流充電樁的具體設計細節逐漸雷同。網絡上可以找到直流充電樁的結構圖和原理框圖。將來這類信息更加變得沒有任何保密價值。
直流充電樁本身作為一種系統集成產品，除了“充電樁之核”和“充電樁之芯”這兩個技術核心之外，主要的設計難點在于結構設計，風道設計是整樁可靠性設計的關鍵點之一，此外，還包括“防塵、防水”和“防潮濕、防霉變、防鹽霧、防腐蝕”設計。
“充電樁之核”是比較基礎的嵌入式硬件和軟件技術，“充電樁之芯”則代表了電力電子技術在AC/DC領域的最高成就。充電樁的產業鏈包括五個部分，詳情請看筆者的《充電樁之芯系列之四：云-核-芯-樁-站：充電樁產業鏈，專注還是整合？-怎么玩？》
“充電樁之芯”對于整個直流充電樁的意義，就如DSP芯片之于DSP控制產品的意義。如果將“充電樁之芯”比作一顆關鍵“芯片”，高斯寶電氣有義務提供基于芯片的參考設計，包括提供源于長期市場檢驗的充電樁系統原理圖，結構圖和BOM清單，提供市場上久經考驗的直流充電樁控制器方案，提供充電站運營管理云平臺方案。
充電的過程似乎本不該這么復雜：在電池兩端加載電壓，以恒定大電流對電池充電，電池的電壓漸漸地緩慢地上升，上升到一定程度，電池電壓達到標稱值，SOC達到95%（針對不同電池，不一樣）以上，繼續以恒壓小電流對電池充電。“電壓上去了，但電量沒有充滿，就是沒有充實，如果有時間，可以改用小電流充實。” 因此，充電樁里面需要有充電模塊提供直流電能，需要有控制器控制充電模塊的“開機、關機、輸出電壓、輸出電流”，需要有觸摸屏作為人機界面下發指令，通過控制器將“開機、關機、輸出電壓、輸出電流”等指令下發給充電模塊。從電氣層面理解的最簡充電樁只要有充電模塊，控制板和觸摸屏就可以了；如果開機、關機和輸出電壓]輸出電流等指令在充電模塊上做成幾個鍵盤，那么一個充電模塊就可以對電池充電了。
下圖為直流充電樁工作原理框圖。
總結幾點有助于大家理解這個原理框圖：
1.單個的充電模塊目前只有15KW，不能滿足功率要求，需要多個充電模塊并聯在一起工作，需要有CAN總線來實現多個模塊的均流。
2.充電模塊的輸入來自電網，是大功率供電，涉及到電網和人身安全，特別是人身安全，需要在輸入端安裝空氣開關（學名是“塑殼斷路器”），防雷開關甚至漏電開關。
3.充電樁的輸出是高壓、大電流，電池是電化學品，容易爆炸，要防止誤操作的安全問題，輸出要有熔斷器。
4.安全問題是最高優先級的，除了有輸入端的措施之外，機械鎖和電子鎖是一定要有的，絕緣檢測是一定要有的，泄放電阻是一定要有的。
5.電池是否接受充電，這不是由充電樁決定的，是由電池的大腦、BMS決定的。BMS下發“是否允許充電，是否終止充電，可以接受多大電壓，多大電流充電”的指令給控制器，控制器再下發給充電模塊。因此，需要有實現控制器和BMS之間的CAN通信，控制器和充電模塊之間的CAN通信。
6.充電樁還要接受監控管理，控制器需要通過WiFi或3G/4G等網絡通訊模塊和后臺連接。
7.充電的電費不是免費的，需要安裝電表，需要讀卡器實現計費功能。
8.充電樁殼體上需要有一目了然的指示燈，通常是三個指示燈，分別表示充電，故障，電源。
9.直流充電樁的風道設計是關鍵。風道設計除了結構上的學問，需要在充電樁里面安裝有風扇，雖然每個充電模塊里面都有風扇。
這樣一來，直流充電樁作為一個系統，就顯得比較復雜了。下面給出某單槍直流充電樁更詳細的電氣原理框圖：
筆者認為這個原理圖有一些值得商榷的地方。筆者拋出以下幾個問題，從事充電樁研發的朋友對這些問題一定會很感興趣:
1.充電模塊組的輸出端是否可以只用一個熔斷器？ 是否可以只用一個直流接觸器？
2.直流接觸器是否可以不通過繼電器來控制，直接由控制器的I/O信號來控制？
3.輔助電源的輸入端加了漏電開關，這是否可以省去？ 三相交流輸入端卻沒有加漏電開關，這是否可以接受？
4.風扇是否可以不用繼電器控制？
5.輔助電源是否可以由兩個合并為一個？
6.是否可以只要一種12V的輔助電源？
7.電子鎖是否可以不用通過繼電器切合？
8.圖中沒有電壓和電流檢測單元，這是否可以接受？
9.電表在采集電壓和電流信息，BMS也在采集電壓和電流信息，每個充電模塊本身也給充電控制器上報電壓和電流信息，它們之間的差異是什么？
10.充電模塊組整體端接了一個120歐電阻，那么在充電模塊內部是否需要在每個模塊CAN輸出接口端接120歐電阻匹配？
11.圖中總共用了幾個CAN通訊口？幾個RS485通訊口？如果是雙槍，需要幾個CAN通訊口？
將這些的電氣原理圖設計成一個樁體，結構設計上的一些問題顯然更值得討論。歡迎交流！諸位看客，歡迎來電來函和我討論。
5.直流充電樁的發展趨勢
關于直流充電樁的發展趨勢，也許有5個方向值得關注：
1. 超大功率充電堆-功率動態分配-柔性充電
2．社區停車場環行智能充電
3. 家用型壁掛式充電樁進家用電器賣場，進家庭
4．“光充儲”充放電一體化
5. 共享充電、免費充電
1超大功率充電堆-功率動態分配-柔性充電
純電動公交充電站集中停放、運營路線充電的特點決定了其充電解決方案可能朝超大功率充電堆的方向演進。純電動出租車和物流車甚至也可能朝這個方向演進。30KW充電模塊需求變得急迫，其主要推動力就是充電堆的需求正變得急迫。
功率動態分配最先是某公司提出來的，每兩個模塊后面用一個功率繼電器，可以把這兩個模塊投在左槍也可以投在右槍使用；后來另外一家公司提出新的名詞柔性充電，需要大功率充，電流很大的時候，將其它模塊投過來使用，小車來的時候可以分開使用，這樣做是有一定的道理；柔性在電網中有加大功率這樣一層意思在里面，所以提出柔性充電概念也說的過去。不同叫法，實際上是同一意思。
筆者認為對于180KW及以下的直流充電樁，談功率動態分配和柔性充電是個偽需求，甚至分體式的意義都不大，但是雙槍輪充和均充也許有點實際意義。
充電堆的應用場景是，可以根據當前待充電車輛數量來自動分配給每個車多大功率。這樣確保將充電模塊的功率用到極致，在車輛不多的時候，每輛車被分配的功率很大，可以更快速地充滿。這種應用就需要更多的繼電器切換充電模塊的功率流向，這會增加一些硬件成本，可靠性難度也增加了一些，當然，也需要對充電控制器的軟件進行升級。
2社區停車場環行智能充電
所謂環行智能充電，這是個很時髦的概念。具體應用場景是：在一個社區停車場停放了很多電動汽車，中央處理單元主動地巡回檢測每臺車的電池電量，在夜間自動地輪流將每臺車充滿。這其實也是一種柔性充電，也需要在社區停車場安裝超級充電堆。這種做法的好處是：比交流充電的效率更高，比安裝若干個直流充電樁，車主排隊等待直流充電的靈活性大，成本也低很多。將來甚至每臺電動汽車不再需要配置“車載充電機”了？
3家用型壁掛式充電樁進家用電器賣場，進家庭
也許我們可以更加樂觀，在解決了電力配送之后，就是將來有能力將中國過量的電力供應輸送到每個居民小區的時候，消費者為了追求更快速的充電體驗，個人可以自主決定是安裝直流充電樁還是交流充電樁，直流充電樁將做得像家電產品一樣小巧、漂亮。壁掛式直流充電樁將是一種剛需。這種產品的銷售模式就像賣電熱器這類商品一樣，在商場里面賣，在JD，TMALL上面賣。這種像家電一樣的產品將去掉直流充電樁組成中一些不太緊要的部件，將充電控制器和觸摸屏功能做到一個充電模塊大小的外殼里面，但模具會做得很精致。隨著電力電子技術的進步，充電模塊功率密度越來高，這個趨勢將成為可能。
4“光充儲”充放電一體化
光伏、充電、儲能三者組合在一起的概念已經有了具體的產品，就是PowerWall，將來PowerWall進一步發展，構成新型充電站形態，電能在光伏電池板、電動汽車、電網、儲能電池四者之間自由地流動。直流充電樁既可以由電網提供電能給電動汽車充電，也可由光伏電池板提供，還可以由儲能電池提供。儲能電池，電池汽車電池和光伏電池板的電能也可以賣給電網。
5共享充電、免費充電
如果以互聯網的共享思維來思考未來，任何個人安裝的充電樁可以提供給任何其他車主充電，也就是說所有的充電樁都是可以隨時開放的。通過互聯網工具，車主很容易找到閑置的個人充電樁。
將來充電站可能在互聯網的思維下做成了O2O的Off-Line的重要連接節點，只要有車主來充電，可能就要在充電站等待15分鐘。充電站將是非常美妙的地方，美妙得你不得不流連忘返，消費一把。當然，充電站是重要的廣告場地資源，這是不難想象的。
充電(dian)基礎設施作為國家戰略下的(de)(de)新(xin)能源(yuan)汽車產(chan)業(ye)的(de)(de)重要組成部(bu)分，在不久(jiu)的(de)(de)未來一(yi)定會(hui)出(chu)現(xian)我(wo)們(men)現(xian)在還沒有(you)(you)想(xiang)到的(de)(de)商業(ye)模式。新(xin)生事物出(chu)現(xian)時，我(wo)們(men)往往拍著(zhu)大腿說，“我(wo)靠，我(wo)之前怎么沒有(you)(you)想(xiang)到呢？！”總會(hui)有(you)(you)人想(xiang)到。若(ruo)論中國人的(de)(de)創造(zao)力，不要妄自尊大，也(ye)不可妄自菲薄。
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