電動(dòng)汽車充電樁技術(shù)發(fā)展的策略分析

郭志波

(湖南省沙坪建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410028)

0 前言

隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，國(guó)家目前已明確了對(duì)充電樁建設(shè)規(guī)劃的要求。充電樁應(yīng)滿足不同客戶及多元化市場(chǎng)服務(wù)模式的需求，以適應(yīng)我國(guó)電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)布局具有相對(duì)集中、局域網(wǎng)專用、充電模式單一等特點(diǎn)，缺乏靈活性和多樣性，未形成網(wǎng)絡(luò)互連的模式，在一定程度上導(dǎo)致充電樁使用率較低，由此影響電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展。因此，研究推廣設(shè)置基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的充電樁，形成離散式、多樣化和互聯(lián)互通的充電模式，才能滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展要求。

1 概述

電動(dòng)汽車充電設(shè)施包括充電電池、充電電纜、充電接口，以及充電站建設(shè)中與電動(dòng)汽車充電相關(guān)的其他設(shè)施等。

1.1 電動(dòng)汽車充電機(jī)的分類

車載式充電機(jī)是電動(dòng)汽車的重要組成部分，它是保障電池安全和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。充電機(jī)對(duì)電池一般采用單相輸入的方式，充電機(jī)在運(yùn)行期間采用直流電即可滿足需求。充電時(shí)，最大程度地控制充電機(jī)的充電電流，有效地保障充電電池運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，在電池達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，充分保證充電機(jī)、電池管理系統(tǒng)與充電樁之間的協(xié)調(diào)，以提高充電效率。

電動(dòng)汽車的非車載式充電主要采用直流方式充電。利用監(jiān)控模塊管理充電狀態(tài)，通過控制器局域網(wǎng)(CAN)總線與充電機(jī)電池管理系統(tǒng)(BMS)通信，用戶可以及時(shí)了解電動(dòng)汽車的充電狀態(tài)并控制充電機(jī)。充電樁主要采用統(tǒng)一通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)CAN通信，統(tǒng)一通信協(xié)議將不同的請(qǐng)求、命令、廣播及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，常見的通信協(xié)議主要有確認(rèn)和請(qǐng)求這2項(xiàng)。

1.2 交流充電樁的工作原理

目前，電動(dòng)汽車一般選擇智能充電模式，即確保在充電過程中，始終圍繞充電電流曲線充電，通過采用濾波器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電電池的動(dòng)態(tài)跟蹤，根據(jù)充電量的變化自動(dòng)切換充電參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳充電效果。采用智能充電模式具有安全、可靠和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，符合各種類型和各種狀態(tài)蓄電池的充電要求。

對(duì)電動(dòng)汽車充電過程的控制方法主要有溫度控制法、時(shí)間控制法、電壓控制法和綜合控制法。

(1) 溫度控制法。該方法是指當(dāng)電池達(dá)到完全電量后，如果仍處于充電狀態(tài)，電能將會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使電池的溫度升高。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池溫度升高1 K需持續(xù)充電3 min時(shí)，即可認(rèn)為電池已充滿，此時(shí)應(yīng)停止充電。如果將溫度設(shè)定為45 ℃，當(dāng)電池在設(shè)定溫度范圍內(nèi)時(shí)，充電狀態(tài)正常；在充電期間，如果溫度超過45 ℃，電池將停止充電或進(jìn)入浮充狀態(tài)，即實(shí)際已停止充電。

(2) 時(shí)間控制法。該方法是在電池充電時(shí)，設(shè)置具體的充電時(shí)間，達(dá)到規(guī)定的充電時(shí)間后，將停止充電。

(3) 電壓控制法。該方法一般采用負(fù)電壓增量控制的方式，在電池蓄滿電量后，其電壓也達(dá)到了最大值，檢測(cè)電池充電的增量，如為負(fù)增量，表示電池已充滿。

(4) 綜合控制法。該方法綜合了上述溫度控制法、時(shí)間控制法和時(shí)間控制法的優(yōu)點(diǎn)，在確定基礎(chǔ)條件后，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的充電情況，以保證電池的安全。

完整的充電樁主要包括微控制單元、充電控制單元等模塊，如圖1所示。

圖1 充電樁控制結(jié)構(gòu)

充電時(shí)，交流電經(jīng)整流濾波轉(zhuǎn)為直流電，向絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)橋供電，經(jīng)過IGBT橋?yàn)V波后，經(jīng)過高頻變壓器對(duì)其進(jìn)行變壓隔離處理，形成直流脈沖，為電池組充電。在整個(gè)濾波處理的過程中，充電樁控制器能夠依據(jù)電池端電壓及電流的變化，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制處理，保證充電過程的安全性、可靠性及穩(wěn)定性。用戶刷集成電路(IC)卡后，按照屏幕上的提示選擇充電模式，充電樁的監(jiān)控單元會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)充電過程，如果在充電過程出現(xiàn)異常情況，監(jiān)控單元會(huì)發(fā)出告警。通過主程序多線程控制整個(gè)系統(tǒng)，在激活充電樁后，由主程序協(xié)調(diào)并控制各個(gè)控制模塊，使得充電樁能控制整個(gè)充電流程，且保證在工作時(shí)各個(gè)模塊之間不會(huì)相互干擾。

2 充電樁的發(fā)展現(xiàn)狀及問題

2.1 安全問題

新能源充電樁的電壓主要有220 V和380 V兩種，都超過了人體安全電壓，并且在充電時(shí)，產(chǎn)生的熱效應(yīng)會(huì)給汽車帶來安全隱患。目前，充電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)還存在諸多問題。為了保證電動(dòng)汽車的充電安全，充電站應(yīng)在安全管理上與傳統(tǒng)加油站的管理保持一致，嚴(yán)禁充電場(chǎng)內(nèi)有易燃、易爆的化學(xué)物品，避免發(fā)生事故。在充電的過程中，如果存在電線或電纜損壞、充電頭污染等情況，不僅會(huì)損壞電動(dòng)汽車，還會(huì)對(duì)人身安全造成傷害。另外，部分充電站業(yè)主缺乏維護(hù)設(shè)備的能力，私自拆卸充電樁，導(dǎo)致充電樁受損，帶來安全隱患。

2.2 時(shí)間問題

新能源汽車的充電樁太少是導(dǎo)致汽車充電困難的主要原因之一，其原因如下：① 尋找充電樁的時(shí)間問題，這主要是因?yàn)槌潆姌缎枰潆娋W(wǎng)絡(luò)提供電源，配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特殊性決定了充電樁的規(guī)劃與配置存在配電網(wǎng)未覆蓋到位的缺陷；隨著城市化的發(fā)展，配電網(wǎng)絡(luò)本身也出現(xiàn)了供電距離短的特點(diǎn)，因此應(yīng)合理規(guī)劃充電樁的位置，使其滿足需求。② 充電時(shí)間問題，這主要是因?yàn)樾履茉雌嚦潆娦枰欢ǖ臅r(shí)間，因此容易影響消費(fèi)者使用電動(dòng)汽車的積極性。

2.3 通信問題

充電樁的通信問題直接影響電動(dòng)汽車的充電效率，因充電樁屬于配電網(wǎng)側(cè)，在具體的通信設(shè)計(jì)過程中，需要考慮配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、不同區(qū)域的綜合條件、實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化等問題。電動(dòng)汽車充電樁的通信方式主要有無線通信和有線通信2種方式，為保證充電樁網(wǎng)絡(luò)通信的效率，可以綜合考慮應(yīng)用5G無線網(wǎng)絡(luò)。有線通信在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定，但靈活性較差，難以拓展，且布網(wǎng)較復(fù)雜、施工成本較高，在整個(gè)通信的過程中容量比較低。采用工業(yè)以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)存在著靈活性較差、網(wǎng)絡(luò)拓展較差的缺陷，網(wǎng)絡(luò)布線與施工困難，在一定程度上限制了充電樁的通信效率，影響用戶的充電效率。如果采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要將充電樁接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商需要支付昂貴的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，隨著充電樁的增加，網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用也會(huì)增加，在這種情況下，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性將直接影響充電樁設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。另外，如果充電樁接入移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)需要共享網(wǎng)絡(luò)帶寬，在大量設(shè)備接入?yún)^(qū)域的移動(dòng)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將會(huì)降低網(wǎng)絡(luò)帶寬，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，影響充電樁的數(shù)據(jù)傳輸效率。

3 提升充電樁應(yīng)用效率的策略

3.1 充電安全問題的處理

(1) 為保證安全的需求，易燃、易爆或化學(xué)物品、可燃性材料等危險(xiǎn)品要遠(yuǎn)離充電樁，同時(shí)應(yīng)采取安全防護(hù)措施。

(2) 及時(shí)對(duì)充電樁的充電頭進(jìn)行干燥清潔，如果充電頭出現(xiàn)污染，用干布將充電頭擦拭干凈，同時(shí)在帶電的情況應(yīng)禁止觸摸充電頭、擦拭電槍頭或者電槍芯。

(3) 在充電時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)充電線纜或充電槍存在破裂、破損、線路裸露、漏電等缺陷時(shí)，應(yīng)立即停止使用充電樁，同時(shí)聯(lián)系工作人員，及時(shí)維護(hù)充電樁。

(4) 認(rèn)真維護(hù)充電樁，嚴(yán)禁私自維修、拆卸、改造充電樁，避免損壞充電樁，導(dǎo)致充電樁不能正常工作。如有相關(guān)需求，應(yīng)聯(lián)系工作人員。

(5) 在充電過程中，為了保證充電的安全，不能隨意拔卸充電槍頭，如果需要中途斷電，應(yīng)嚴(yán)格遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 充電樁通信問題的解決

(1) 通信的可靠性。不管是采用有線網(wǎng)絡(luò)，還是無線網(wǎng)絡(luò)，均要求其在較強(qiáng)的電磁干擾和噪聲干擾，以及長(zhǎng)期的惡劣環(huán)境中，能保持通信系統(tǒng)暢通，且具有較高的可靠性及靈活性，可拓展性強(qiáng)，能適應(yīng)不同環(huán)境下充電樁的通信要求。

(2) 建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用。為了保證充電樁通信的可靠性，需要合理優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，綜合各方面因素合理規(guī)劃，建設(shè)具有靈活性的網(wǎng)絡(luò)，有利于降低后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的費(fèi)用。

(3) 雙向通信。采用雙向通信的方式保證充電樁通信的暢通，在實(shí)現(xiàn)充電樁通信信息上傳的同時(shí)，控制通信信息的下行。

(4) 多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率。在主站與子站之間、子站與終端之間的通信建設(shè)多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，逐步提高充電樁的通信效率，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

(5) 采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。由于充電樁的控制點(diǎn)較多，且分布覆蓋面廣且分散，采用標(biāo)準(zhǔn)的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，便于多種終端接入充電樁通信網(wǎng)絡(luò)中。

3.3 優(yōu)化充電樁充電時(shí)間

針對(duì)新能源汽車充電時(shí)間問題，根據(jù)不同情況為用戶提供快捷便利的充電方式。① 一般可以采用分段式快速充電模式。第1階段為預(yù)充電階段，當(dāng)電池的蓄電量不足10%時(shí)，預(yù)充電目標(biāo)是加強(qiáng)對(duì)電池的保護(hù)；第2階段可以借助恒流充電的方法快速充電，在短時(shí)間內(nèi)快速向電池提供電量，并減少對(duì)電池的傷害，快速完成電池的充電；第3階段需要利用大電量對(duì)電池充電，由于接近充滿電量的電池電壓較高，可采用高電壓充電，提高充電效率，同時(shí)迅速實(shí)現(xiàn)去極化負(fù)脈沖，縮短充電時(shí)間，減少客戶的等待時(shí)間。② 采用新技術(shù)提高充電效率。例如，采用車輛到電網(wǎng)(V2G)技術(shù)，在插電式混動(dòng)汽車或純電動(dòng)車未運(yùn)行時(shí)，可以將其電池的能量傳送到電網(wǎng)，為其他需要用電的電動(dòng)汽車充電。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車、混動(dòng)汽車等新能源汽車已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)交通工具。隨著我國(guó)電動(dòng)、混動(dòng)汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源技術(shù)日益成熟，在充電技術(shù)、電動(dòng)汽車的電池技術(shù)等方面均取得到了新的突破，同時(shí)充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的搭建及新能源汽車的專利方式也取得了良好的成果，對(duì)促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有十分重要的作用。相信在不久的將來，充電樁的問題也能得到有效解決。