淺談電動汽車直流與交流充電樁區(qū)別

摘要：發(fā)展充電樁技術(shù)能夠支撐電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。直流與交流充電作為兩種主要補(bǔ)能方式，對充電技術(shù)行業(yè)的發(fā)展起著重要作用。文章基于電動汽車充電樁的特點(diǎn)，對直流充電樁與交流充電樁的電氣原理進(jìn)行分析，介紹了充電樁充電過程及各結(jié)構(gòu)功能，并研究了其未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：直流充電；交流充電；充電樁；電動汽車

0引言

2023年6月，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步構(gòu)建高質(zhì)量充電基礎(chǔ)設(shè)施體系的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2023〕19號）。意見指出，應(yīng)大力推廣應(yīng)用智能充電基礎(chǔ)設(shè)施，推動既有充電基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造，鼓勵新技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，持續(xù)優(yōu)化電動汽車電池技術(shù)性能并提升車網(wǎng)雙向互動能力，充分發(fā)揮電動汽車在電化學(xué)儲能體系中的重要作用。文章從電動汽車充電樁的充電技術(shù)角度出發(fā)，簡述直流充電與交流充電的特點(diǎn)及二者充電樁電氣原理，預(yù)測了充電技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，對直流與交流充電技術(shù)的兼容性、適應(yīng)性、安全性做出進(jìn)一步研究。

1 電動汽車的直流、交流充電

1.1 直流充電

直流充電是指將電能以直流形式傳輸?shù)诫妱悠嚨碾姵刂羞M(jìn)行充電的技術(shù)。這是一種需要充電設(shè)備將電網(wǎng)的交流電整流后再輸入電動汽車的充電行為，直流充電的充電功率包括 20 kW、40 kW、60 kW、200 kW、250 kW。常見的直流充電樁功率主要為60 kW。在直流充電中，電能從電源經(jīng)過變壓器和整流器轉(zhuǎn)換為直流電流，然后通過充電插頭連接到汽車的電池系統(tǒng)。直流充電具有高充電效率和充電速度快的優(yōu)勢，適用于長途旅行和緊急充電等場景。直流充電的核心設(shè)備是充電樁，其通常包括變壓器、整流器、充電控制器、充電插座等部分。變壓器用于將交流電源的電壓調(diào)整到適合電池充電的電壓，整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，充電控制器負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制充電過程，充電插座則用于與車輛的充電接口連接。

1.2 交流充電

交流充電是指將單相或三相交流電通過標(biāo)準(zhǔn)充電插頭、插座等交流電源輸送到電動汽車車載充電機(jī)，經(jīng)過車載充電器整流后將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，并輸送到動力電池，實(shí)現(xiàn)電動汽車的充電技術(shù)。充電設(shè)施通過脈沖寬度調(diào)制限制電動汽車允許的最大可用電流，可以是220 V AC 單相電或380 V AC 三相電，該電流不應(yīng)超過其額定電流、連接點(diǎn)額定電流及電源額定電流中的最小值。這種方式可以使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。實(shí)現(xiàn)交流充電的主要部件包括交流充電插座、車輛控制器、車載充電機(jī)、交流電源及交流充電樁。其中交流充電樁是固定不動在電動汽車外界，與溝通交流電力網(wǎng)相接，為電動汽車車載充電器提供交流電的供電系統(tǒng)設(shè)備。

2直流、交流充電樁技術(shù)分析

2.1 直流充電樁電氣原理

直流充電樁的交流輸入端由斷路器、防雷保護(hù)器 及漏電開關(guān)組成，輸出是高壓、大電流，應(yīng)設(shè)置熔斷 器。直流充電樁的主回路由塑殼斷路器、交流接觸器、 充電模塊、直流接觸器、直流充電槍構(gòu)成。主回路的輸入是三相交流電，交流電流經(jīng)斷路器與智能電表后， 被充電模塊轉(zhuǎn)化為直流電，然后連接充電槍和熔斷器， 給新能源汽車充電。直流充電樁主回路中的電表是三 相四線制電表，起著監(jiān)控整個充電機(jī)工作時實(shí)際充電 電量的作用。由于單個充電模塊的功率過小，所以充 電樁內(nèi)部并聯(lián)著多個充電模塊，采用 CAN 控制器局 域網(wǎng)總線來實(shí)現(xiàn)多個模塊的均流。

直流充電樁的充電過程如圖1所示。首先，檢測點(diǎn)1檢測到4 V電壓后，認(rèn)定充電接口連接成功，鎖定充電槍中的充電鎖，進(jìn)入自檢階段，在確認(rèn)車輛接 口接通后，通過閉合開關(guān) K3 、K4，使輔助電源給控 制系統(tǒng)供電，電流經(jīng)過檢測點(diǎn)，若該電流電壓為 6 V， 車樁通過 CAN 控制器局域網(wǎng)總線周期性開始報(bào)文交 互， 內(nèi)容為通信握手報(bào)文，直流接觸器 K1、K2 閉合， 進(jìn)行絕緣檢測。檢測結(jié)束后，則停止電壓輸出，導(dǎo) 通泄放回路，泄放直流回路中殘余的電壓，斷開 K1、 K2，若電壓小于 60 V，則進(jìn)入充電準(zhǔn)備就緒階段， 閉合 K5 、K6，動力電池電壓反送至 K1 、K2，導(dǎo)通 充電回路，進(jìn)行預(yù)充嘗試，檢驗(yàn)車輛端動力電池電壓 是否正常，閉合 K1 、K2，主回路導(dǎo)通，進(jìn)入充電階 段。在該階段，充電樁的電壓電流會根據(jù)動力電池管理系統(tǒng)（BMS）的充電需求變化而調(diào)整，相互交換充電狀態(tài)，判斷達(dá)到結(jié)束條件后進(jìn)入充電結(jié)束階段。在 該階段車輛會根據(jù) BMS 是否達(dá)到充滿狀態(tài)或收到充 電樁發(fā)來的“充電樁中止充電報(bào)文”來判斷是否結(jié)束充電，滿足以上充電結(jié)束條件，車輛控制裝置會發(fā)送 “車輛中止充電報(bào)文”，在確認(rèn)充電電流達(dá)到 5A 以下 后斷開 K5 、K6，發(fā)送“充電樁中止充電報(bào)文”，并 控制充電樁停止充電，在確認(rèn)充電電流小于 5A 后斷 開 K1 、K2，進(jìn)行泄放，再斷開輔助電源繼電器 K3、 K4，解鎖充電槍中的電子鎖，用戶按下機(jī)械鎖將槍 拔出并歸位，充電完成。

2.2 交流充電樁電氣原理

交流充電樁主回路的輸入可以為單相電或三相電，由空氣開關(guān)、交流電表、交流控制接觸器及充電樁槍頭組成。在主回路中，電流通過空氣開關(guān)QF給主控板通電，隨后流經(jīng)交流電表和交流控制接觸器， 最終到達(dá)充電槍頭。充電槍頭連接新能源汽車車載充 電機(jī)，獲取充電參數(shù)，完成充電槍的上電。在二次回路部分，由充電樁智能控制器來調(diào)整整個充電流程， 車主刷卡結(jié)算選擇結(jié)束充電后，交流控制接觸器斷開，充電完成。首先，交流充電樁開始初始化并自檢，車主刷卡后，充電樁會判斷該卡是否有效，若有效就進(jìn) 入用戶確認(rèn)環(huán)節(jié)，接上插頭后定時識別，確認(rèn)是否連接，若連接，則設(shè)置充電模式，確認(rèn)加電，扣除預(yù)售 金額，將未結(jié)算標(biāo)志置位，若沒有充電加電超時或充 電電纜斷升，則充電完成后將充電完成標(biāo)志置位，結(jié)束充電階段，顯示充電結(jié)束界面，結(jié)算金額后將結(jié)算標(biāo)志清零。

2.2.1 交流充電樁充電過程

交流充電樁充電過程如圖2 所示 ：①連接確認(rèn)。 車輛控制器通過檢測離其最近檢測點(diǎn)與地線之間的電阻判斷插座與插頭是否接上。②充電樁控制器通過 分析離其最近的檢測點(diǎn)電壓值判斷插座與插頭是否接 上。③判定已完全連接后，開始充電。先用小電流激活電池活性，使蓄電池內(nèi)部充分建立化學(xué)反應(yīng)，使其滿足后面持續(xù)大電流充電。在該過程中，確保連接裝 置的連接和車輛處于可充電狀態(tài)，檢測周期不大于50 ms 。充電樁的最大充電電流可通過檢測 PWM波占空比來實(shí)現(xiàn)。車輛判斷充滿電后，斷開并聯(lián)電阻旁的開關(guān)，提升電壓，充電結(jié)束。此時，車主可通過按下機(jī)械鎖，拔出充電槍。

2.2.2 交流充電樁各結(jié)構(gòu)功能

交流充電樁一般由漏電保護(hù)開關(guān)、防雷器、智能 控制器、人機(jī)交互界面等部件組成。智能控制器具備實(shí)時監(jiān)控車輛狀態(tài)的能力，能夠敏銳感知電壓、電流變化，確保插頭、插座保持連接， 保護(hù)各元件的安全。 常見的人機(jī)交互界面是 LCD 顯示屏，供車主選擇不同的模式，如時間、電量、金額及充電啟動方式（如 立即充電和預(yù)約充電）。顯示屏上會顯示充電過程的實(shí)時狀態(tài)。交流充電樁的防雷器位于交流輸入側(cè)端， 通常以并聯(lián)的形式接入電路，可將過量電流導(dǎo)入大地，防止系統(tǒng)發(fā)生故障。

3電動汽車充電技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展方向

未來將繼續(xù)研究和開發(fā)更高效能的能量轉(zhuǎn)換器和電源管理系統(tǒng)，以減少能量損耗并提高充電效率。例如，采用高效能的半導(dǎo)體器件和磁性材料，減少能量 轉(zhuǎn)換過程中的熱損耗。高效能轉(zhuǎn)換技術(shù)還可以通過改進(jìn)轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，提高能量轉(zhuǎn)換的效率和穩(wěn)定性。如采用多級轉(zhuǎn)換器或諧振轉(zhuǎn)換器等新型 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低開關(guān)損耗和提高功率因數(shù)。最后，在充電過程中，可以通過能量回收技術(shù)將部分能量轉(zhuǎn)化為可再利用的形式回饋到電網(wǎng)或供應(yīng)其他設(shè)備使用，這有助于提高能源利用效率和降低能源消耗。

4安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺

4.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時可查看每個站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時監(jiān)控

實(shí)時監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動上報(bào)故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

4.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

5結(jié)語

充電基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)迎來新機(jī)遇，高效且安全的充 電技術(shù)發(fā)展具有重要意義。直流充電與交流充電技術(shù) 都是電動汽車能源供給的重要模式，著重分析其優(yōu)勢與劣勢，深入研究其充電原理、各結(jié)構(gòu)功能，把握高效能轉(zhuǎn)換技術(shù)、智能充電管理系統(tǒng)、V2G 技術(shù)等充 電技術(shù)發(fā)展方向，能夠?yàn)槌潆娂夹g(shù)智能化、數(shù)字化注入新動力，推動充電運(yùn)營產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革和優(yōu)化升級。

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審核編輯 黃宇