電動汽車直流充電模塊內部功能結構圖

從目前的技術路線來看，直流充電是解決快速充電的主要途徑，運營類車輛對快速充電依賴很大，因為他們的時間機會成本較高。

由于直流非車載充電樁（簡稱直流充電樁）是通過內部 AC-DC 模塊，將交流電轉換成直流電，給電動汽車的動力電池進行充電，所以內部的AC-DC 模塊性能，是決定直流充電樁性能的關鍵因素。

直流充電樁主要在大功率充電中應用，采用三相輸入的直流充電樁產品功率從11kW到500kW以上。當然隨著一些電動汽車取消OBC的配置，小功率220V單相輸入的直流充電樁產品也開始增多，比如7kW的壁掛直流家充樁等。直流充電樁截止目前已經經歷了幾次功率提升，從20kW到180kW、240kW、360kW、480kW、600kW及以上。

同時，新能源汽車的充電電壓平臺也在快速發(fā)生變化，像乘用車從300V 左右的充電電壓，已經越過600V 電壓，許多主機廠已有800V平臺的產品面市。同時充電電流也在迅速提高，部分公司發(fā)布的600kW大功率充電平臺，已經達到1000V 電壓和600A電流，甚至更高。

直流充電樁輸出的電壓電流，是由AC-DC 模塊性能決定的。以前乘用車的電壓范圍是200-450V，商用車的電壓范圍是300-750V，后來出來了通用型的200-750V，國內充電市場的電壓范圍隨著輔助電壓12V 的統一，模塊輸出電壓200-1000V逐步成為主流。

一、 充電模塊

充電模塊在充電樁中起到對輸入交流電整流濾波、升壓穩(wěn)壓（控制、轉換）等作用，充電模塊的功率和數量，決定了充電樁的輸出功率。其核心技術在于電力電子功率變換電路、拓撲技術創(chuàng)新能力、嵌入式軟件實時控制算法的可靠性、電氣系統設計的安全性及大功率散熱技術的結構設計能力和高功率密度的集成化能力。

1、充電模塊工作原理??直流充電的關鍵核心部件是充電模塊，雖然不同模塊可能存在不同的工作方式，但是交直流的變化與控制原理，萬變不離其宗，充電模塊原理框圖如下圖示：

充電模塊由三相有源PFC、DC/DC變換、輔助電源、輸入/輸出檢測及保護電路組成。前級三相有源PFC電路和EMI輸入電路實現交流輸入的整流濾波和功率因素的校正，以滿足EMC標準和得到小于5%的電流總諧波含量（THDi）；三相有源PFC由單獨的DSP進行控制，根據交流輸入電壓，對輸入電流進行校正，使其跟隨交流輸入電壓，并按照環(huán)路計算的結果產生PWM波進行驅動主電路，并執(zhí)行相關的保護措施；后級的DC/DC變換器由DSP產生PWM波控制前級PFC輸出的直流電壓、經過高頻變壓器輸出后再整流濾波輸出電流電壓，從而將前級整流電壓轉換成充電模塊要求的穩(wěn)定直流電壓。輔助電源利用三相有源PFC的直流輸出，產生控制電路所需的各路電源。輸入檢測電路實現交流輸入電壓、電流等檢測功能，用于PFC的控制和保護。DC/DC的檢測保護電路包括輸出電壓電流的檢測，溫度的檢測等，這些信號用于DC/DC的控制和保護。CAN 總線實現整流模塊與控制模塊的通信以及多個整流模塊之間的均流作用。

設備接入380Vac 三相電（三相三線制），經EMC 濾波，三電平有源PFC 對輸入電壓和電流進行校正，其輸出供全橋三電平DC-DC 變換電路；當輔助電源正常工作后，電源指示燈顯示，輔助電源給控制電路供電，控制電路控制模塊啟動。APFC 部分、DC-DC 部分工作均由DSP 控制。設備可以直接通過CAN 與BMS 通信，當設備檢測到有CAN 通信時，設備轉由BMS 控制，充電電壓和電流由BMS 控制。

這里的控制板，一方面可以幫助我們理解輸出的電壓電流是如何變化的，另一方面可以幫助我們理解為什么不同的模塊在不同的充電樁上不容易互換，因為控制板有軟件兼容性問題。

2、充電模塊的功率曲線（30kW/200-1000V）

二、直流充電樁

主要組成部分：充電模塊、主控制器、絕緣檢測模塊、智能電表、刷卡模塊、通信模塊、空氣開關、主繼電器、輔助開關電源等。

1、主要性能參數（480kW液冷）：

?

2、充電連接裝置

直流充電接口滿足 GB/T 20234.1 和 GB/T 20234.3 的規(guī)定，配備標準 9 芯插頭（如下圖），插頭的要求如下表所示，充電插頭支持電磁鎖鎖緊功能，充電線纜長度依據項目需求進行配置。

插頭基本參數：

電氣接口觸頭說明：

?

三、保護功能

3.1 輸入保護

具備輸入過欠壓、三相不平衡、缺相等保護功能。

3.2 輸出保護

具備輸出過欠壓、過流、過溫、過載、短路、絕緣檢測、電池反接、電流倒灌等保護功能。

3.3 遠程控制

當有異常發(fā)生，可通過后臺實現遠程啟?？刂?、遠程升級。

3.4 系統異常保護

充電過程中,當發(fā)生（啟動急停開關、與電池管理系統通信故障、控制導引、輸入失電故障等情形）緊急情況下，充電樁能在 100ms 內斷開直流輸出接觸器，且輸出電壓在 1s 內下降至 60V以下。

3.5 過溫保護

如過濾網堵塞、冷卻風扇失效或其他情況，充電樁內部溫度超過過溫保護閥值，充電樁降低輸出功率或切斷直流輸出，并發(fā)出告警提示；當直流充電接口溫度超過過溫保護值（充電槍上的溫度傳感器），充電樁降低輸出功率或切斷直流輸出，并發(fā)出告警提示；當電池溫度超過過溫保護值，BMS 需求會降低，充電樁會根據需求自動降低輸出功率，從而保護電池，延長電池使用壽命。

3.6 接觸器粘連

充電控制器會自動檢測接觸器的斷開與閉合狀態(tài)，任何一個接觸器主觸點為常閉狀態(tài)（無法斷開）或者常開狀態(tài)，啟動充電時充電樁停止絕緣檢測過程，并發(fā)出告警提示。

3.7 電池二重保護

在充電過程中，當輸出電壓超出車輛最高允許充電總電壓，或輸出電流大于車輛當前需求電流，充電樁在 1 s 內斷開輸出接觸器，并發(fā)出告警提示。

3.8 門禁保護

在充電前，如打開充電樁前門，充電樁無法啟動充電；

在充電過程中，如樁門打開，充電樁立即切斷功率輸入和直流輸出；

3.9 充電槍鎖止功能

當電子鎖未可靠鎖止時，充電樁不允許充電，在整個充電過程中（包括絕緣檢測過程），電子鎖應可靠鎖止，不允許帶電解鎖；具備應急解鎖功能，因故障不能繼續(xù)充電、充電完成時，解除電子鎖時車輛接口電壓降至60VDC以下。

3.10 絕緣檢測功能

充電樁設置有絕緣檢測電路，在車輛接口連接后到車輛充電回路接觸器閉合前，充電樁閉合直流輸出回路接觸器對內部（含充電電纜）進行絕緣檢測，如絕緣性能有異常，不會啟動充電。

四、大功率充電

大功率充電是個復雜的系統工程，不單單是直流充電模塊的問題，它是整個線路的電流在各個關鍵節(jié)點的散熱問題，包括電池本身的散熱。依據 P=I*I*R，從 60A 的充電電流提升到 360A，電流變成 6 倍，發(fā)熱功率變成 36 倍。所以熱管理系統是整個大功率充電系統中最重要的部分。有些人認為國家標準的滯后，制約著大功率充電的發(fā)展，這個觀點不太準確。標準的產生，需要經過大量的測試和數據積累，在系統沒有完成之前，去設想一個標準，本身就是錯誤的行為，所以標準的制定者，需要行業(yè)的領頭羊，需要依靠他們投入人力、財力和物力從事研發(fā)活動和測試活動獲得大量數據。例如，歐洲的基本方案是冷卻循環(huán)系統的驅動端在充電樁內，在纜上未必采用冷卻，冷卻液送達連接器端，形成循環(huán)。帶纜上冷卻的德國電纜制造商表示，他們可以做到 25 平方的線纜載流 350A，實際上他們已經經過了一系列的測試，來觀測電纜的溫升。充電接口的溫升同樣非常重要，DC+與 DC-兩個端子是熱量最大的地方，對每個端子進行獨立的溫度監(jiān)控就非常有必要。為了區(qū)分是否帶纜上冷卻，IEC 傾向于設定 RC1 和 RC2 兩類充電等級，其中 RC2 是指帶有冷卻方式的電流等級。?

在端子的溫度控制方面，充電接口的插針鍍層厚度是關鍵因素。在IEC 的會議中，中國代表主張取消下公差，因為8-5只有3 微米的厚度，同時主張取消ELECTROPLATING 的描述，因為在制造工藝中，LAYER 的形成不僅僅是電鍍法。參會人員在下公差的討論上發(fā)生了劇烈爭執(zhí)，反對方的理由是不想設定太嚴格的界限，但是背后有可能是在材料及制造技術上有差異，歐美不一定需要8 微米的鍍層厚度。

冷卻系統采用智能啟動，不可能全時段保持活躍，有企業(yè)選擇在200A啟動，使溫度控制在50度以內，這其實也依賴于測試，比如180A持續(xù)工作多久會導致多少溫升，200A持續(xù)工作多久會導致多少溫升，多久能達到90度的臨界點等等。除此以外，關于冷卻液體的缺失或者泄漏風險、可燃性、冷卻液與絕緣材料的兼容性，其他潛在威脅等等，也都是大功率充電需要研究的細節(jié)問題。

審核編輯：黃飛

?