關于群控小功率直流充電系統(tǒng)的研究與設計

摘 要：【目的】隨著電動汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，電動汽車的充電需求也日益增長，人們迫切需要一種成本更低、適用性更強、速度更快的充電方式。為了解決當前充電機設備利用率低、充電速度慢、建設成本高的問題，設計了一種新型的群控小功率直流充電系統(tǒng)?！痉椒ā客ㄟ^對比現(xiàn)有產品的優(yōu)缺點，分析了群控小功率充電機的功能和優(yōu)勢，歸納總結了產品的技術難點和要點。【結果】群控小功率充電技術同時結合了傳統(tǒng)直流樁和交流樁的技術優(yōu)勢，具有充電速度快、設備利用率高、環(huán)境適應性強及成本低的特點?！窘Y論】目前，小功率直流充電機主要存在功率分配策略的制定、散熱結構設計等難題。隨著相關技術的不斷發(fā)展和關鍵問題的攻克，在不久的將來，群控小功率直流充電系統(tǒng)將在市場中占據重要地位。

關鍵詞：電動汽車；群控小功率直流充電技術；功率互濟；快速充電

中圖分類號：TM910" " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0018-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.004

Research and Design of Group Control Low-Power DC Charging System

YIN Jiahao JIA Tian HU Mingyang FAN Xianbojun

（ Xuji Power" Supply Co.， Ltd.， Xuchang 461000，China）

Abstract： [Purposes] With the rapid development of the electric vehicle industry， the charging demand of electric vehicles is also increasing. Residents urgently need a charging method with lower cost， stronger applicability and faster speed. In order to solve the problems of low utilization rate， slow charging speed and high construction cost of current charger equipment， a new group control low-power DC charging system is designed. [Methods] By comparing and analyzing the advantages and disadvantages of existing products ， the functions and advantages of group control low-power chargers are pointed out， and the technical difficulties and key points of the product are summarized. [Findings] The group control low-power charging technology combines the advantages of traditional DC piles and AC piles， and has the characteristics of fast charging， high equipment utilization， strong environmental adaptability and low cost. [Conclusions] Currently， there are still issues with the formulation of power allocation strategies and the design of heat dissipation structures for low-power DC chargers. With the continuous development of research and development technology and the tackling of key issues， group control low-power DC charging systems will rapidly rise and occupy an important position in the market in the near future.

Keywords： electric vehicle; group control small DC technology; power mutual aid; fast charging

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展和我國能源架構的持續(xù)轉型，電動汽車數量呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，而作為電動汽車的主要補能設備，充電樁的發(fā)展也變得至關重要。而傳統(tǒng)的直流充電樁體積大、現(xiàn)場施工要求高、內部充電模塊利用率①低；交流充電樁功率小、充電時間長。因此，小功率直流充電技術作為一種前沿充電技術被開發(fā)出來并持續(xù)推廣，其結合了交流充電樁體積小、噪聲低、成本低、施工便利的特點，同時也具備傳統(tǒng)直流充電樁快速充電的能力，在電動汽車充電領域具有顯著優(yōu)勢。而在小功率直流充電機的基礎上，通過母線互聯(lián)的方式可以使其形成一個擁有功率互濟功能的群控小功率直流充電系統(tǒng)，從而進一步提高充電體驗。本研究重點對群控小功率直流充電系統(tǒng)的功能特性、技術難點、要點及未來應用的前景進行探討。

1 小功率直流充電技術研究現(xiàn)狀

隨著對小功率直流充電技術研究的不斷深入，各種不同形態(tài)的小功率直流充電產品被不斷推出。從2019年發(fā)布小功率充電機行業(yè)標準《20 kW及以下非車載充電機技術條件及安裝要求》至今，市面上已經出現(xiàn)了7 kW、20 kW、30 kW等不同規(guī)格的充電機，同時出現(xiàn)了防護等級高達IP67且靜音模式低至45 dB噪聲的高性能產品，小功率充電技術的優(yōu)越性已被行業(yè)廣泛接受。但目前小功率充電機的功率一般集中在20 kW，少數產品可以達到40 kW，充滿一輛40 kWh的電動汽車大約需要1～2 h，與部分大功率直流充電機30 min完成電池80%的充電速度相比仍然相形見絀。若能使小功率充電機之間相互進行功率互濟，則可以在保留小功率充電機自身優(yōu)勢的基礎上大幅縮減充電時間。截至目前，行業(yè)內還未出現(xiàn)功率互濟型的小功率直流充電機。若能實現(xiàn)小功率充電機之間的功率互濟，則可以形成一個一體式群控小功率直流充電系統(tǒng)，從理論上來講，單樁充電功率最高可達數百千瓦［1］。屆時，小功率充電產品的充電速度將得到大幅提升，甚至超過傳統(tǒng)直流充電樁。

2 群控小功率直流充電機系統(tǒng)定義及功能特性

2.1 系統(tǒng)定義

群控小功率直流充電機系統(tǒng)是由2臺或2臺以上小功率直流充電機通過直流母線互聯(lián)組成的。每個小功率充電機既能當作獨立的終端對車輛進行充電，又能使空閑樁的充電模塊通過互聯(lián)母線分配到正在充電的樁上，從而實現(xiàn)充電功率互濟，使小功率充電機也具備快速充電的優(yōu)勢，同時具備較強的靈活性。群控小功率直流充電系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 功能特性

2.2.1 快速充電能力。通過小功率充電機群組的功率互濟，獲得快速充電能力。根據電動汽車的充電需求及各個充電機的狀態(tài)進行實時功率分配調整，在滿足各個車輛需求的前提下使充電方式獲得最優(yōu)解［2］，從而使電動汽車迅速獲取電能。

2.2.2 可靠安全防護。提供全方位的安全保障措施，包括電壓互串防護、接觸器粘連檢測、過溫保護、輸出過流保護、輸出過壓保護等，確保充電過程的安全可靠。同時，擁有后臺實時監(jiān)控，可第一時間避免危險發(fā)生。

2.2.3 極高的模塊利用率。由于空閑樁的充電模塊會被需求大的終端樁②借用，而每個樁又是獨立的充電終端。當其他車輛來充電時，被借用的空閑樁會退出功率互濟，再次成為獨立終端為車輛提供電能。這樣可以充分利用系統(tǒng)內的各個充電模塊，不存在傳統(tǒng)樁內充電模塊浪費的情況。

2.2.4 施工方便。系統(tǒng)繼承了小功率充電機自身體積小的優(yōu)勢，現(xiàn)場施工方便，無須變壓器擴容。同時，支持立柱式和壁掛式安裝，只需預留一根直流母線，可快速部署于停車場、商業(yè)區(qū)、家屬院等。

2.2.5 環(huán)保節(jié)能。設備為電動汽車提供電能補給，輸出清潔能源，全過程低噪聲、無污染。同時，內部采用環(huán)保材料設計，可降低能耗、減少浪費，符合可持續(xù)發(fā)展理念。

以上功能將使群控小功率直流充電機產品在充電場景中的應用更加廣泛，為電動汽車提供更便捷、安全、高效的充電服務。隨著這種充電設備在商業(yè)和公共領域的推廣，將有效推動電動汽車的普及和充電基礎設施的完善，進一步推進可持續(xù)交通和能源的發(fā)展。

3 面臨的技術難點

3.1 一體式群控功率分配技術

一體式群控小功率直流充電控制系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)群控充電樁的集中式控制，是一種新型控制系統(tǒng)。由一根直流母線使每個充電機相互并聯(lián)，且相互之間保持通信，并都能當作獨立的終端對車輛進行充電。正在充電的終端樁能通過母線借用空閑樁的功率實現(xiàn)擴容，而被借用的空閑樁在插槍后可重新變?yōu)榻K端樁給車輛充電。由于系統(tǒng)共用一條直流母線，所以要對等待借用功率的充電樁進行優(yōu)先級處理，使其對母線輪流占用，以免造成電壓互串，損害汽車電池。同時，系統(tǒng)還應根據各槍口車輛的充電需求，實時進行功率變換。這就使得充電系統(tǒng)必須有一套強大的邏輯處理策略，在滿足各終端車輛需求實時變化的同時還要保證功率分配的有序進行。

3.2 小尺寸大功率下的散熱技術

小功率充電機內部空間相較于現(xiàn)有傳統(tǒng)式直流充電機大幅減小，長時間充電后，機殼內部容易出現(xiàn)熱量堆積。同時，由于功率互濟功能，終端樁輸出功率將成倍增加，充電過程產生的熱量也將遠超單樁。

根據電流發(fā)熱公式，進行終端樁發(fā)熱量計算見式（1）。

[Q=I2RT]" " " " " （1）

式中：I為單位時間內通過導體的輸出電流，A；R為導體阻值，Ω；T為電流流經導體的時間，s；Q為單位時間內導體的發(fā)熱量，J。

對于終端樁來說，I 為所有參與功率互濟的充電樁的輸出電流之和，R為終端樁自身充電回路電阻，近似看為定值。以一個6臺20 kW小功率直流充電機構成的群控小功率直流充電系統(tǒng)為例，假設每臺樁輸出500 V電壓、40 A電流，回路輸出電阻取50 ℃下的定值1 Ω，得出的相同條件下參與功率互濟的樁數量與終端樁發(fā)熱量的關系如圖2所示。

由圖2可知，終端樁的熱量根據所參與功率互濟樁的數量呈指數級增長，龐大的熱量會使殼體內的溫度迅速升高，長時間的高溫環(huán)境會使內部器件加速老化［3］。

利用仿真工具模擬50 ℃高溫，當小功率直流充電機內部充電模塊的出風口距離充電機殼體80 mm時，樁體底部溫度的分布如圖3所示。

通過仿真結果可知，此時充電機底部溫度最高點達到78.99 ℃，隨后繼續(xù)仿真90 mm、100 mm、110 mm、120 mm等多組數據，結果見表1。

由表1可知，當充電模塊出風口距離殼體越遠，充電機底部的溫度越低，熱量越不容易聚集。當小功率充電機內部空間小，各部位相距較近，充電模塊散發(fā)出的熱量容易被阻擋造成回流。因此，需要找到既可兼顧散熱又可以保持較小體積的合適尺寸，同時，采取更為有效的風道布局設計和散熱措施，以防止過高的充電溫度對樁體和車輛造成損害。

4 群控小功率直流充電技術要點

4.1 采用寬電壓輸出范圍設計

目前，市面上常見的電動汽車的電池最高允許充電電壓為380～750 V，也有部分車輛如蔚來、理想等支持900 V以上的高電壓充電。因此，群控小功率直流充電機的內部建議選用支持從200～1 000 V的寬電壓輸出模塊，恒功率電壓范圍300～1 000 V，峰值效率最好大于或等于96%，實現(xiàn)整機的高效輸出［4］。

4.2 IP防護與降噪性能

在考慮散熱性能的同時，需要保持小功率充電機自身的低噪聲優(yōu)勢。因此，樁體應采用隔音材質，使產品能夠滿足居民小區(qū)等對噪聲敏感的環(huán)境中使用，提高用戶充電體驗。在追求散熱性的同時，充電機應至少達到戶外IP54的標準。因此，需要綜合考慮，合理設計進、出風口面積和風道結構，并在進出風口加裝防塵棉、防護網等。

4.3 集成化設計

小功率充電機往往體積較小、內部空間有限，增加功率互濟功能后，元器件的數量和大小勢必要比之前有所增加，如增設母線接觸器、更換大容量熔斷器等。因此，建議使用集成化設計，盡量節(jié)省內部空間，以免造成內部空間擁擠，存在短路、干涉等風險，同時降低群控系統(tǒng)的成本。

4.4" 風險防范技術

系統(tǒng)內充電機共用直流母線，若控制不當，存在短路和電壓互串風險。因此，需要在充電回路上添加控制樁體與母線通斷的橋連接觸器、保護充電樁輸出過流的熔斷器、防止車輛電壓倒灌的防反二極管等防護措施，并時刻監(jiān)測各器件狀態(tài)和輸出電壓值。而且在大功率輸出情況下，需要時刻監(jiān)控槍頭和樁內溫度。因此，在程序上應設計槍口輸出電壓、母線電壓、接觸器狀態(tài)、槍頭溫度、樁內溫度等關鍵信息的高頻周期檢測。

4.5 智能運維技術

通過移動網絡，使充電系統(tǒng)與后臺建立通信，實現(xiàn)在遠程檢測充電機的實時狀態(tài)信息，以便及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取遠程停機、遠程禁用、遠程重啟、遠程升級等措施，第一時間保障系統(tǒng)和車輛的安全，從而實現(xiàn)快速、智能運維。因此，需要開發(fā)出配套的維護后臺。

5 應用前景

群控小功率直流充電機產品滿足工作地、目的地充電的需求和當前電動汽車市場中去除車載充電機（OBC）的趨勢［5］，解決了目前充電模塊利用率低、成本高等問題，其目標客戶明確，市場容量和應用前景樂觀。

電動汽車制造商。隨著越來越多的汽車制造商考慮取消OBC并不斷發(fā)展更快的車輛充電速度，他們將尋找支持大功率快充且成本較低的充電樁，以和自家產品進行配套［5］。

充電設施經銷商。私樁共享模式的推廣使交流充電樁越來越無法滿足網約車等快速補電的需求，個人車主對充電樁功率的需求也增大，他們可能會尋找充電速度快、施工便利且日常維護簡單的群控小功率充電機來滿足相應的用戶需求。

政府和能源企業(yè)公司。工作地、目的地的充電需求量增長迅猛，投資收益率低，市場需要更高性價比的充電系統(tǒng)解決方案。全國公共交流樁占比19.9%，群控小功率直流樁可替代現(xiàn)有的交流樁，提高充電服務能力。

在國內，隨著政府對電動汽車產業(yè)的大力支持和電動汽車銷量的不斷增加，群控小功率直流充電機作為一種能夠滿足用戶多方面充電需求的產品，將具有廣闊的市場前景。

在海外市場，電動汽車的普及程度和政策支持程度因國家而異。一些先進的國家和地區(qū)，如歐洲、北美和一些亞洲國家，對電動汽車的發(fā)展給予了積極的支持，電動汽車的銷量逐漸增加。尤其是在住宅區(qū)域和城市停車場等地方，對群控小功率直流充電機的需求潛力較大。無論是較早開始推廣電動汽車的國家，如歐洲和北美，還是新興的電動汽車市場，如印度和東南亞地區(qū)，群控小功率直流充電機的市場前景都未來可期［6］。

6 結語

隨著電動汽車目的地充電市場的不斷增長和對去除OBC的趨勢，小功率直流充電機將成為未來充電產業(yè)生態(tài)中的重要組成部分。 該群控小功率直流充電機系統(tǒng)在繼承了小功率直流充電機體積小、噪聲低、成本低、施工便利的同時，還擁有傳統(tǒng)直流樁的大功率輸出能力和極高的設備使用率，應用前景廣闊。因此，對群控小功率直流充電機各項關鍵技術開展深入研究就顯得尤為迫切，隨著社會發(fā)展和技術的進步，在不久的將來，群控小功率直流充電機會憑借著種種優(yōu)勢在充電市場中取得顯赫成績。

注釋：

①充電模塊利用率是指同一時刻，一臺充電樁內正在被使用的充電模塊數量與樁內總共的充電模塊數量的比值。一臺充電樁內有多個充電模塊，如果插槍充電的車輛功率需求較小則僅會啟動少量模塊，剩余大量模塊處于空閑狀態(tài)，但由于充電車位已經被占，其他車輛同樣無法使用這些模塊，因此過低的設備利用率會造成設備資源浪費，群控小功率直流充電機可以有效解決這一問題。

②終端樁是指插槍后與車輛直接連接提供電能的充電樁。

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