高速公路電動汽車充電系統(tǒng)設(shè)計

單棟梁，李彩生，王聰慧，朱子庚，孟凡提，趙恒宇

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

高速公路電動汽車充電系統(tǒng)設(shè)計

單棟梁，李彩生，王聰慧，朱子庚，孟凡提，趙恒宇

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

為滿足電動汽車跨區(qū)域（城市）行駛需求，加快建設(shè)高速公路充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計一款大功率直流快速充電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)為多輛車同時進(jìn)行充電，且可以根據(jù)車輛信息實現(xiàn)功率自動分配功能。介紹了充電系統(tǒng)的設(shè)計原理，刷卡充電流程及刷卡操作界面的設(shè)計。實現(xiàn)與不同車輛的成功對接充電，通過國網(wǎng)公司的驗收。驗收結(jié)果表明該產(chǎn)品運行可靠、各項指標(biāo)均滿足要求，且成本較低，具有很強的市場競爭力。

電動汽車；高速公路；充電系統(tǒng)；功率自動分配

面對日益緊迫的能源危機，電動汽車的發(fā)展已成為國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司“十一五”電力營銷發(fā)展規(guī)劃》、《國家電網(wǎng)公司“十一五”電動汽車推廣實施方案》和《國家電網(wǎng)公司“十二五”電網(wǎng)智能化總體規(guī)劃》要求，國網(wǎng)公司將按照《統(tǒng)一堅強智能電網(wǎng)第一階段重點項目實施方案》的總體部署，本著“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一標(biāo)識、優(yōu)化分布、安全可靠、適度超前”的原則，建設(shè)節(jié)能環(huán)保的電動汽車充換電設(shè)施。

按照國家電網(wǎng)公司智能充換電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃，2020年將全面建成以“四縱四橫”（四縱：沈海、京滬、京臺、京港澳，四橫：青銀、連霍、滬蓉、滬昆）為支撐的、覆蓋國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)內(nèi)所有示范城市的城際快充網(wǎng)絡(luò)。高速公路充電站建設(shè)的新問題，比如供電電網(wǎng)更弱、空間分布區(qū)域廣、服務(wù)的車型更多等，這些都給產(chǎn)品開發(fā)和工程設(shè)計提出了新的需求，亟需對可能存在的工程技術(shù)問題進(jìn)行研究。

針對現(xiàn)有充電設(shè)備充電速度慢，需排隊充電的弊端，設(shè)計1款大功率充電機系統(tǒng)，充電機不但實現(xiàn)了1機多充功能，且實現(xiàn)了功率自動分配，對純電動汽車的普及推廣具有重要意義。

1 充電系統(tǒng)方案設(shè)計

研制靈活通用、高效經(jīng)濟、安全可靠的公共充電站用快速充電設(shè)備，研究智能支付加密系統(tǒng)，實現(xiàn)充電設(shè)備無縫接入國家電網(wǎng)智能充電設(shè)施運營服務(wù)平臺，對純電動汽車的普及推廣具有重要意義。

充電站系統(tǒng)典型設(shè)計方案如圖1所示，系統(tǒng)主要包括充電機系統(tǒng)、高壓柜、變壓器、低壓柜、運營管理中心及電動汽車。充電機主要由充電機柜、直流充電樁及通訊部分組成。充電機柜將交流電轉(zhuǎn)換為電動車所需的直流電，經(jīng)由直流充電樁計量計費控制，實現(xiàn)為電動汽車充電。集中器手機充電機信息，通過以太網(wǎng)傳送到后臺的運營管理中心，能達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的效果。

圖1 充電站系統(tǒng)典型設(shè)計方案Fig.1 Typical design scheme of charging station system

2 充電機原理設(shè)計

充電系統(tǒng)主要包括兩部分：充電機柜和充電樁，下面分別介紹充電機柜及充電樁的原理設(shè)計。

2.1 充電機柜

充電機柜原理框圖如圖2所示，主要包括交流計量、交流進(jìn)線開關(guān)、AC/DC變換器［1］、AΤS裝置、開入裝置、開出裝置、輔助電源及充電控制單元。

圖2 充電柜原理框圖Fig.2 Schematic diagram of charging cabinet

三相交流電源經(jīng)AC/DC變換器后，變換成可控的直流輸出，經(jīng)AΤS分配后接入充電樁，經(jīng)充電電纜接口給電動汽車充電；開入裝置采集AΤS狀態(tài)信息并上送充電控制單元，控制單元下發(fā)命令經(jīng)開出板控制AΤS裝置的狀態(tài)；充電控制單元根據(jù)車輛需求信息通過RS485通信控制AC/DC變換裝置的輸出。

2.2 充電樁［2-3］

充電樁原理框圖如圖3所示，主要包括熔斷器、直流計量、泄放回路、采樣回路、充電樁控制板、讀卡器、操作界面及直流充電接口等。

圖3 充電樁原理框圖Fig.3 Schematic diagram of charging pile

在充電機端和車輛端均設(shè)置IMD（絕緣檢測）電路，充電接口連接后到K2合閘充電之前，由充電機負(fù)責(zé)充電機內(nèi)部（含充電電纜）的絕緣檢查，K2合閘之后的充電過程期間由電動汽車負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的絕緣檢查。充電直流回路DC+，PE之間的絕緣電阻，與DC-，PE之間的絕緣電阻取小值R，當(dāng)R≥500 Ω/V視為安全；100 Ω/V＜R＜500 Ω/V時，宜進(jìn)行絕緣異常報警，但仍可正常充電；R≤100 Ω/V視為絕緣故障，應(yīng)停止充電。

充電機進(jìn)行IMD檢測后，應(yīng)及時對充電輸出電壓進(jìn)行泄放，避免在充電階段對電池負(fù)載產(chǎn)生電壓沖擊。充電結(jié)束后，充電機應(yīng)及時對充電輸出電壓進(jìn)行泄放，避免對操作人員造成電擊傷害。泄放回路的參數(shù)選擇應(yīng)保證在充電連接器斷開后1 s內(nèi)將充電接口電壓降到DC 60 V以下。

3 充電系統(tǒng)功能

3.1 一機兩充、兩充電接口自動負(fù)荷分配

下面以圖2中4組AC/DC轉(zhuǎn)換器的供電單元為例進(jìn)行說明：

模式1。僅對1輛車進(jìn)行充電。當(dāng)充電樁連接車輛進(jìn)行充電時，監(jiān)控單元通過控制AC/DC變換器及AΤS切換單元的狀態(tài)實現(xiàn)輸出功率的控制，滿足接入車輛需求電流進(jìn)行充電。如車輛1現(xiàn)接入1#充電樁，車輛需求電流I＜A時，開啟AD/DC轉(zhuǎn)換器1，且檢測AΤS1狀態(tài)并確保其與1#充電樁連接；車輛需求電流A＜I＜B時，開啟前2個AC/DC轉(zhuǎn)換器，且檢測AΤS1和AΤS2狀態(tài)并確保其與1#充電樁連接；車輛需求電流B＜I＜C時，開啟前3個AC/DC轉(zhuǎn)換器，且檢測AΤS1，AΤS2及AΤS3狀態(tài)并確保其與1#充電樁連接；車輛需求電流I＞C時，開啟所有AC/DC轉(zhuǎn)換器，且檢測所有AΤS狀態(tài)并確保其與1#充電樁連接，如圖4中模態(tài)A所示。2#充電樁與此相同，但AΤS投入順序與1#充電樁相反。

圖4 充電機功率分配Fig.4 Charger power distribution

模式2。通過1#充電樁對車輛1非滿負(fù)荷充電，車輛2接入2#充電樁。通過1#充電樁對車輛1非滿負(fù)荷充電，系統(tǒng)尚有未啟動的AC/DC轉(zhuǎn)換器時，車輛2接入2#充電樁，監(jiān)控單元根據(jù)車輛2需求信息控制未啟動的AC/DC轉(zhuǎn)換器，并控制對應(yīng)的AΤS與2#充電樁接通，對車輛2進(jìn)行充電。如車輛1只使用AC/DC轉(zhuǎn)換器1，此時接入車輛2，且該車輛的需求電流I＜A時，啟動AC/DC轉(zhuǎn)換器4，且檢測AΤS4狀態(tài)并確保其與2#充電樁連接，對車輛2進(jìn)行充電，AC/DC轉(zhuǎn)換器2和AC/DC轉(zhuǎn)換器3未啟動，AΤS2和AΤS3保持原有狀態(tài)，如圖4中模態(tài)B所示。

模式3。對車輛1滿負(fù)荷充電，車輛2接入充電。當(dāng)1#充電樁對車輛1滿負(fù)荷充電時，2#充電樁接入車輛2，不論車輛2需求電流為多少，系統(tǒng)自動將AC/DC轉(zhuǎn)換器4通過AΤS4與2#充電樁連接，為車輛2進(jìn)行充電，如圖4中模態(tài)C所示。

模式4。車輛1功率需求電流下降，車輛2自動獲得切出的功率。當(dāng)車輛1對功率需求下降時，充電機自動釋放功率單元為車輛2進(jìn)行充電。1#充電樁切出功率順序為AΤS4—AΤS1，2#充電樁獲取功率順序為AΤS1—AΤS2。

模式5。車輛1完成充電，車輛2充電排序提前。當(dāng)車輛1完成充電時，車輛2自動在充電隊列中變?yōu)檐囕v1，即2#充電樁優(yōu)先級升為1#充電樁的優(yōu)先級，1#充電樁變?yōu)?#充電樁的優(yōu)先級，后續(xù)接入1#充電樁的車輛則自動變?yōu)檐囕v2。

3.2 充電操作流程

充電機界面操作流程如圖5所示。

圖5 充電界面示意圖Fig.5 Schematic diagram of charging interface

下面就各界面做簡介：

1）歡迎使用頁面。在充電樁空閑狀態(tài)下顯示，用于向用戶提供充電樁是否能正常提供服務(wù)以及故障原因信息，用于向用戶提供查詢卡內(nèi)信息和完成異常交易記錄的入口。

2）充電方式選擇頁面。用于向用戶提供充電卡充電和驗證碼充電等支付方式。用戶在該頁面選擇充電卡充電，則轉(zhuǎn)入充電卡充電金額選擇頁面；用戶在該頁面選擇驗證碼充電，則轉(zhuǎn)入充電驗證碼輸入頁面。

3）充電卡充電金額選擇頁面。用于讓用戶選擇充電卡充電金額。該頁面顯示的第1檔和第2檔充電金額參見計費模型數(shù)據(jù)中的相應(yīng)信息。用戶選擇其他金額，則轉(zhuǎn)入充電卡充電金額設(shè)置頁面。

4）充電驗證碼輸入頁面。用于向用戶提供驗證碼充電的入口，并對用戶提供驗證碼是否有效以及無效原因信息。

5）充電卡充電金額設(shè)置頁面。向充電卡用戶提供自主設(shè)定充電金額的功能。

6）充電過程信息顯示頁面。向用戶提供充電過程信息，應(yīng)包括充電金額，充電電量，充電電壓，充電電流等信息。在該頁面下，充電卡充電用戶可以通過刷卡終止充電過程，驗證碼充電用戶可以通過輸入驗證碼終止充電過程。

7）充電結(jié)算信息顯示頁面。用戶在充電結(jié)束后，向用戶提供本次充電統(tǒng)計信息，應(yīng)包括充電金額，充電電量等信息。

8）充電卡信息顯示頁面。用于向用戶顯示卡號，卡內(nèi)余額，異常交易記錄數(shù)目等信息。當(dāng)用戶卡內(nèi)存在異常交易記錄，主站已經(jīng)返回交易記錄數(shù)據(jù)，則用戶在該頁面可以刷卡完成異常交易。

9）異常交易記錄顯示頁面。用于向用戶顯示異常交易結(jié)算信息，主要包括交易是否成功，交易時間和交易金額等信息。

4 實驗驗證

4.1 測試環(huán)境

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851—23、國網(wǎng)企標(biāo)Q/GDW 1234.3—2014《電動汽車充電接口規(guī)范第3部分：直流充電接口》技術(shù)要求及《NB/Τ 33001—2010電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機技術(shù)條件》，并根據(jù)城市快充招標(biāo)技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，產(chǎn)品外形如圖6所示。產(chǎn)品外觀新穎，設(shè)計合理，人性化的界面設(shè)計，且具有IP54的高防護(hù)等級，適合戶外安裝運行。

圖6 產(chǎn)品外形圖Fig 6 Product outline

4.2 測試結(jié)果［4］

測量儀器包括示波器、功率分析儀、差分探頭及多功能數(shù)字表等設(shè)備，主要用于對直流輸出的通信信號、控制信號以及輔助電源進(jìn)行測量。對車輛（啟辰晨風(fēng)）充電的實驗波形如圖7所示。圖中，1為電池電壓波形；2為充電機輸出電壓波形；3為充電機輸出接觸器（圖3中的K2）的控制電壓波形；4為充電機對車輛的充電電流波形。

圖7 充電流程圖Fig.7 Charging flow chart

從圖7中可以看出，開始時K2閉合，充電機輸出400V直流電壓，對充電設(shè)備進(jìn)行絕緣監(jiān)測，絕緣監(jiān)測結(jié)束后并在很短的時間內(nèi)使電壓降低為零；充電機監(jiān)測到車輛側(cè)電池電壓后，充電機電壓進(jìn)入軟啟動狀態(tài)，輸出電壓緩慢上升（避免對動力電池的過充），當(dāng)電壓上升至車輛電壓附近時，輸出繼電器閉合，充電機電壓繼續(xù)升高，為電動車進(jìn)行充電。

充電單元采用了文獻(xiàn)［1］中的移相全橋軟開關(guān)技術(shù)，對整個充電機的效率值進(jìn)行了詳細(xì)的測試，如圖8所示。從圖8中可以看出，充電機的峰值效率高達(dá)94.5%左右，已經(jīng)超于同行不少。為確保充電機能安全快捷的給市場電動車輛進(jìn)行充電，本款充電機完成與多種型號電動車充電，譬如：BYD E6，滕勢；江淮4代；榮威；北汽EV200，EV150；啟辰晨風(fēng)等。

圖8 充電機效率曲線Fig.8 Charging efficiency curve

5 結(jié)論

本款產(chǎn)品于2014年6月在國家電網(wǎng)項目，高速公路服務(wù)區(qū)充電站建設(shè)中的80個充電站得到大量的應(yīng)用，為公司帶來2億元左右的產(chǎn)值，并通過了國家電網(wǎng)公司驗收，運行1 a多來，運行穩(wěn)定，事故率較低，得到了用戶好評，具有很強的市場競爭力。

該款充電機具有結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場施工布局合理，性價比高，保護(hù)功能齊全，有獨立風(fēng)道等優(yōu)點。對推動電動汽車的發(fā)展起到了很好的推動作用。

［1］單棟梁，鄧長吉，王聰慧.基于IGBT并聯(lián)技術(shù)的大功率充電機研制［J］.電力電子技術(shù)，2014，48（4）：41-43.

［2］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GBT 27930—2015電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

［3］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GBT 18487.1—2015電動車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)電動車輛交流直流充電機（站）［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

［4］國家能源局.NB/T 33001—2010電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機技術(shù)條件［S］.北京：中國電力出版社，2010.

Design of Electric Vehicle Charging System for Expressway

SHAN Dongliang，LI Caisheng，WANG Conghui，ZHU Zigeng，MENG Fanti，ZHAO Hengyu
（XJ Power Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

In order to meet the demand of the electric vehicle（city），to speed up the construction of the highway charging service network，a high power DC fast charging system was designed，which could be charged simultaneously and could be automatically assigned according to vehicle information.Introduced the design principle of the charging system，the charging process and the design of the interface.Through the successful docking with different vehicles，the company passed through the acceptance of national network.The results show that the product is reliable and the indicators are met，and the cost is low，and has a strong market competitiveness.

electric vehicle；highway；charging system；automatic allocation of power

U469.72

A

10.19457/j.1001-2095.20170215

2015-12-07

修改稿日期：2016-06-15

單棟梁（1985-）；男，碩士，工程師，Email：lyzdh825@126.com