直流充電樁電氣原理 充電樁技術是電動車充電的關鍵環節,它包括直流充電樁和交流充電樁兩種類型。直流充電樁是一種將交流電源轉換為適合電動車充電的直流電源的設備。它的電氣原理圖通常包括以下幾個主要組件:
直流充電樁的電氣原理圖是實現充電功能的基礎,不同廠商和型號的充電樁可能會有所不同。總體而言,直流充電樁的電路原理分為強電迴路和弱電控制部分。強電迴路負責將交流電源轉換為直流電源,而弱電控制部分則負責控制充電過程和保護置的工作。 充電樁技術的發展對電動車的普及和推廣起到了重要作用。隨著電動車市場的不斷擴大,充電樁技術也在不斷創新和改進,以滿足用戶的需求。未來,隨著技術的進一步發展,充電樁將更加智能化和便捷化,為電動車的充電提供更好的體驗。 如圖2.1所示,380V三相動力電源首先經過塑殼斷路器和交流接觸器,作為樁體內的輸入端總斷點。由於自然災害中的直擊雷或者感應雷產生的浪涌對電子產品的破壞極大,所以需要一個防雷器將瞬間的大能量釋放到大地,防止雷擊帶來的破壞。經過導通和保護,380VAC安全電壓連接到充電樁之“芯”(充電模塊)的輸入端。 充電模塊可並聯工作。例如,一個120kW充電樁如果用15KW模塊,總共就需要8個充電模塊並聯輸出才能達到120kW。雙槍直流充電樁上有兩把充電槍。充電模塊分成兩組,每組由四個模塊組成,兩組模塊輸出分別接到兩把充電槍上即可實現“均充”。兩組模塊分別輸出,輸出電壓可達200-750V,輸出電流0-150A。為了保證充電安全,需要在輸出迴路上連接熔斷器和直流接觸器。如果充電樁用來作為運營,還需要在輸出端加上一個符合入網資質的直流電錶。直流電錶需要採集電壓和電流,所以在輸出側還要接上一個分流器。分流器是為了採集輸出電流。 雙槍充電樁除了實現均充,還要能實現輪充,也就是“全部充電模塊”先同時並聯輸出給第一輛車充電; 如果有另外一輛車加入,就將”全部充電模塊”分成兩組, 分別給兩輛車充電。為了實現這種功率的動態分配,需要在兩組模塊的輸出DC+和DC-之間加上兩個個拓展接觸器。所謂均充和輪充的切換,具體有6種模式,後文將予以說明。圖2.1 雙槍充電樁電氣原理圖 通過對強電迴路的了解,可能會產生幾個問題: 電動汽車發展步入高速增長階段。EVTank數據顯示,2021年,全球新能源汽車銷量達到670萬輛,同比大幅度增長102.4%,全球汽車電動化滲透率也由2015年0.8%增長到2021年的7.74%,預計2022年、2025年全球新能源汽車銷量將分別超過850萬輛、2200萬輛。乘聯會數據顯示,9月新能汽車零售滲透率達到31.8%,預計2022年、2025年我國新能源汽車銷量將超過600萬輛、1000萬輛。截止2022年9月底,新能源汽車保有量達1149萬輛,前三季度新註冊登記371.3萬輛。2022年前三季度,全國新註冊登記新能源汽車371.3萬輛,同比增加184.2萬輛,增長98.48%。預計到2025年國內新能源汽車保有量將達到4000萬輛,保有量占比將達到10%。 充電樁的工作原理是什麼? 充電設備是整個充電站電氣系統的核心部分,一般分直流充電裝置(樁)和交流充電裝置(樁)。直流充電裝置,即非車載充電機,實現電池快速充電功能。交流充電樁主要提供車輛慢充的功能,輸出為交流電,連接車載充電器。那麼,直流充電樁和交流充電樁的工作原理有哪些區別呢? 直流充電樁的工作原理: 大功率電動汽車充電機(快速充電模式),通過三相電網輸入交流電,經過三相橋式不可控整流電路整流變成直流電,濾波後提供給高頻DC-DC功率變換器,功率變換器經過直直變換輸出需要的直流,再次濾波後為電動汽車動力蓄電池充電。 交流充電樁的工作原理: 交流充電樁一般為常規充電模式其人機交互界面採用大螢幕LCD彩色觸摸屏,充電可選擇定電量、定時間、定金額、自動(充滿為止)四種模式。充電樁的交流工作電壓220V±15%,額度輸出功率3.5KW、7KW,普通純電動轎車用充電樁充滿電需要4-5個小時,由於充電樁造價低廉、主要安裝在停車場,適用於慢充動力電池。 充電樁技術要求有哪些? 充電樁作為發展新能源汽車不可缺少的基礎配套設備,對它的安全性、可靠性的要求都非常高。嚴苛的生產技術要求可以保障充電設施建設的使用安全,最大程度保障充電設施建設使用安全。充電樁的技術要求主要包含以下幾個方面: 環境條件要求: 1、工作環境溫度:-20℃~+50℃; 2、相對濕度:5%~95%; 3、海拔高度:≤1000m; 4、安裝地點:戶外; 5、抗震能力:地面水平加速度 0.3g;地面垂直加速度 0.15g;設備應能承受同時作用持續三個正弦波,並且安全係數大於1.67。 結構要求: 1、交流充電樁殼體應堅固; 2、結構上須防止手輕易觸及露電部分; 3、交流充電樁應選用厚度1.0以上鋼組合結構,表面採用浸塑處理,並充分考慮散熱的要求。充電樁應有良好的防電磁干擾的屏蔽功能; 4、充電樁應有足夠的支撐強度,應提供必要設施,以保證能夠正確起吊、運輸、存放和安裝設備,且應提供地腳螺栓孔;樁體底部應固定安裝在高於地面不小於200mm的基座上。基座面積不應大於500mm×500mm; 5、樁體外殼應採用抗衝擊力強、防盜性能好、抗老化的材質; 6、非絕緣材料外殼應可靠接地。 電源要求: 直流樁 1、輸入電壓:AC380V; 2、輸出功率:120KW; 3、頻率:50±1Hz; 4、允許電壓波動範圍為:AC380V±15%。 交流樁 1、輸入電壓:AC220V; 2、輸出功率:7KW; 3、頻率:50±1Hz; 4、允許電壓波動範圍為:AC220±15%V。 電氣要求: 1、插頭與插座正確連接確認成功後,帶負載可分合電路方可閉合,實現對插座的供電; 2、漏電保護裝置應安裝在供電電纜進線側; 3、低壓配電設備及線路的保護應滿足《低壓配電設計規範》(GB/50053)中的相關規定; 4、對IT系統配電線路,當第一次接地故障時,應由絕緣監察裝置發出音響或燈光信號,當發生第二次異相接地故障時應由過電流保護電器或漏電電流動作保護器切斷故障電路; 5、照明配電系統中,照明和插座迴路不宜由同一迴路供電。插座迴路的電源側應設置剩餘 電流動作保護裝置,其額定動作電流為30mA。
充電樁在城市專用充電站(公交車、出租車、公務車、環衛車、物流車等);城市公共充電站(私家車、通勤車、大巴車);城際高速公路充電站、城市綜合、公交集團、汽車租賃企業、商業區CBD、公交站、機場、火車站、碼頭、公園廣場、休閒場所、旅遊景點、居民小區、餐飲行業。日常使用過程中,需要在安全情況下進行使用,來看看哪些需要注意的事項。 1、檢查周圍壞境,有無易燃易爆物品; 2、觀查充電樁及充電電源顯示狀態是否正常; 3、檢查充電槍是否完好無損,充電接口標準是否匹配; 4、按使用說明正確操作充電樁,對便攜式充電器,充電時,一般來說應先插車身插頭,再插電源插頭; 5、檢查確認充電槍是否已連接到位。 使用中: 1、檢查充電樁顯示是否正常,便攜式充電器指示燈是否正常等,充電過程中及時對充電車輛,充電導線進行觀察,查看是否有過熱現象; 2、注意:充電過程中便攜式充電器指示燈狀態是否正常; 3、注意:充電過程中禁止將充電槍拔出; 4、注意:充電過程中禁止啟動汽車。 使用後: 1、先切斷電源後,再確認充電樁停止工作; 2、先拔除電源端插頭,再拔出充電槍,將充電槍整理好放回充電口; 3、將電動車充電口封好; 4、整理充電現場。 5、光儲充檢一體化系統,集合光伏、儲能、充電、檢測、換電五大功能於一體,實現對電動汽車進行穩定且快捷的充電功能。其中,光伏提供發電,儲能系統能夠按照實際情況對光伏發電和電動汽車的充電需求進行分析,緩解配電網的壓力。此外,檢測系統還能實現決速地檢測新能源汽車的電池,為車主提供電池檢測的報告和風險預警等,確保電池的安全、可靠,延長電池的壽命。 6、高低壓成套開關設備,高電壓、大電流液冷超級充電樁,以實現充電與加油一樣快,適應市場發展。 模塊器件採用液冷技術,在充電樁散熱系統上增加了液冷環路,冷卻單元可以與模塊風道分離,關聯性較弱,不必跟著模塊安裝位置走,提供了更高的防護,有助於降低因鹽霧、灰塵、綿絮、氣候等環境因素影響而產生故障造成的經濟損失。另外,使用液冷技術,模塊器件降溫比強制風冷要低10~20℃;最高效率>96%,綜合效率>93%,更節約電量,降低了運營成本,使用壽命5-10年;待機功耗小於10W;模塊輸出電壓可達1000V,更符合超級充的建設布局趨勢。 電樁行業研究報告:充電樁市場空間持續擴大充電費用+服務費運營市場規模持續擴大。充電樁運營商集中度高,行業市場空間持續擴大。2021年估算我國新能源汽車充電電費市場規模約為141.3億元,服務費市場規模約為17—34億元。假設電價不發生巨大變化,到2025年市場規模將會擴大3倍,電費+服務市場規模將突破460億;到2030年市場規模將會擴大10倍,電費+服務市場規模將突破千億。 3.1、充電樁保有量快速提升 隨著我國新能源汽車行業高速發展,電動汽車銷售量與保有量迅速增長,充電需求快速增長,同時充電樁產業支撐政策不斷推出,政府補貼從補車轉向補樁,從建設補貼拓展到運營補貼,推動新能源充電樁行業加速發展。截止到2022年9月底,我國充電樁保有量已從2015年的6.6萬台上漲到448.8萬台,8年來擴張了68倍。其中,公共充電樁保有量已達163.6萬台,占比36%,私人充電樁保有量上升至285.2萬台,占比64%,私人充電樁保持更快增長。在區域分布看,目前我國公共充電基礎設施主要集中在廣東、江蘇、上海、浙江、北京等東部沿海地區。 3.2、充電樁建設市場規模 充電樁建設市場規模是一個不斷增長的市場,隨著電動車的普及和政府對電動車充電基礎設施的支持,充電樁建設市場呈現出巨大的潛力。 根據市場研究機構的數據,全球充電樁市場規模預計將在未來幾年內持續增長。根據一些報告,到2030年,全球充電樁市場規模有望超過1000億美元 中國是全球最大的電動車市場之一,也是充電樁建設市場規模最大的國家之一。根據中國汽車工業協會的數據,截至2020年底,中國的充電樁數量已經超過60萬個。中國政府也制定了一系列政策和計劃,以推動充電樁建設,預計未來幾年內充電樁市場規模將繼續增長。 除了中國,歐洲、美國和日本等地也是充電樁建設市場的重要地區。這些地區的政府和企業也在積極推動充電樁建設,以滿足電動車的充電需求。 此外,隨著電動車技術的不斷發展和電池技術的進步,充電樁市場也在不斷創新和演進。例如,快速充電技術的發展和超級充電站的建設,為電動車提供了更快速、更便捷的充電體驗。 根據國家有關規劃和預測,到2025年,全國新能源汽車新車保有量將超過4000萬輛。政策要求適度超前建設充電樁,充電樁建設支持力度將提升,參考歷年車樁比值,我們預計2022-2025年車樁比將由3:1左右提升至2.5:1,預計到2025年充電樁保有量將達到1654萬台(包含公共樁及私人樁),其中公共樁保有量將達到661.44萬台,私人樁保有量將達到992萬台。根據中國充電聯盟公布數據,直流充電樁普遍充電功率≥60kW。依照當前直流充電模塊單價0.37元/W,根據2015年至2021年直流充電模塊價格走勢,擬合出2023年至2025年間每瓦價格均價大約在0.35元/W,2025年至2030年間每瓦價格均價大約在0.30元/W。 二、新能源汽車OBC 帶來的便利 很多乘用電動汽車主已經習慣了這種操作,下班回到家,把汽車連接在家用慢充充電樁上,但很多電動汽車車主不知道的是,為電動汽車充電的,其實不是充電樁,而是汽車上的車載充電機(On-board charger;OBC),家用的慢充充電樁,只是提供了一個標準充電接口。 電動汽車充電機,按照其所在位置,劃分為車載充電機和非車載充電機兩類。車載充電機以交流電源作為輸入,輸出為直流電,直接給動力電池包充電,與地面的交流充電樁適配。 車載充電機的輸入端以標準充電接口的形式固定在車體上,用於連接外部電源,車載充電機的輸出端直接連接動力電池包慢充電接口。 同樣地,根據實際設計功率需求的不同,可採用多級DC/DC電路並聯進行擴容,另外比較常見的DC/DC級電路拓撲有移相全橋和LLC兩種。 直流充電樁的主要功能就是將電網的交流電轉換成動力電池可以接受的直流電,並具備有人機交互,網絡連接,互聯互通,後台計費,遠程升級,遠程遙控等一系列當代大數據特點的功能。 直流充電樁由充電樁之“芯”,充電樁之“核”,充電樁之“雲”三大核心技術組成。相對而言,充電樁之“芯”的技術門檻最高。 電網的交流電轉換成新能源汽車電池所需的直流電需要一個電能轉換單元,也就是充電樁之“芯”,俗稱充電模塊。大功率的充電模塊是電力電子整流技術的集大成者。業內常見的是三相四線制(三根相線,一根地線)輸入,充電模塊功率等級主要15KW、20KW和30KW模塊。直流充電樁輸出電壓主流是200VDC-750VDC,常見大巴電池電壓在600V左右,物流車電池電壓550V左右,小車電池電壓380V左右。 電動汽車的電池電壓是變化的。以BYD e5舉例, 在SOC 23%時,電壓388V,SOC 62%時,電壓422V,SOC 90%時,電壓450V,SOC 100%時,電壓454V。動力電池是一種非常敏感的組件,充電樁輸出的電壓不能超過電池最高允許電壓,電流不能超過它的允許電流。需要一套複雜的控制系統來確保充電的安全。這就需要以充電樁之“核”, 即充電控制器。充電樁之“核”接受來自BMS的指令,實現對充電模塊的控制。 在網際網路大數據的時代背景下,充電樁除了實現充電功能,還需要具有智能化的網絡功能。網絡功能的實現需要有 充電樁之“雲”,也就是雲平台,從而實現電動汽車充電樁位置共享、手機查看充電信息、費用結算等功能。 充電樁整個系統的工作過程原理就是以充電樁“芯”,“核”,“雲”三者為核心,打造了一套安全,嚴謹,智能化的新能源充電系統。 直流充電樁應滿足如下三個標準: 2.NB/T33001-2018(電動汽車非車載傳導式充電機技術條件),標準詳細的規定直流充電樁的功能和性能的要求。 3. GBT27930-2015(電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議),標準詳細的描述CAN通訊協議及報文解析 |