電動(dòng)汽車直流與交流充電樁技術(shù)研究和應(yīng)用

摘要:發(fā)展充電樁技術(shù)能夠支撐電動(dòng)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(duì)充電技術(shù)行業(yè)的發(fā)展起著重要作用,文章基于電動(dòng)汽車充電樁的特點(diǎn),對(duì)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(guò)程及各結(jié)構(gòu)功能,并研究了其未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞:直流充電;交流充電;充電樁; 電動(dòng)汽車

一、引言

新能源汽車充電樁是維持新能源電動(dòng)汽車能源補(bǔ)給，保障新能源汽車便利暢行的重要后勤部分。為早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo)，推動(dòng)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康、穩(wěn)定、持續(xù)的發(fā)展，新能源電動(dòng)汽車配套的能源補(bǔ)給設(shè)施——充電樁，受到國(guó)內(nèi)外商業(yè)資本關(guān)注。在商場(chǎng)、居民停車場(chǎng)、公共樓宇等地方，設(shè)置合理的充電樁，將有利于新能源汽車的推廣與增長(zhǎng)，刺激下沉市場(chǎng)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)有利于推動(dòng)清潔能源的使用和能源節(jié)能。為進(jìn)一步促進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)健全發(fā)展，加快新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局，全國(guó)各地新能源汽車扶持政策陸續(xù)出臺(tái)，伴隨著新能源汽車扶持政策的加持，新能源充電配套發(fā)展需求提上日程。

二、交流充電樁與直流充電樁的工作原理及優(yōu)點(diǎn)

電動(dòng)汽車的充電過(guò)程需要將外部電源的交流電(AC)轉(zhuǎn)化為電池儲(chǔ)存的直流電(DC)。交流充電樁將這一轉(zhuǎn)換過(guò)程交給了車載充電器，它將外界的交流電源轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)行儲(chǔ)存。而直流充電則在充電樁內(nèi)部完成了交流到直流的轉(zhuǎn)換過(guò)程，直接向電動(dòng)汽車電池供應(yīng)直流電。

2.1 交流充電樁優(yōu)點(diǎn)

交流充電樁(俗稱“慢充")則通過(guò)車載充電機(jī)為電動(dòng)汽車的電池充電，充電過(guò)程需要車載充電機(jī)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。這種方式的充電速度相對(duì)較慢，但對(duì)電池的損耗較小。

（1）成本較低:由于交流充電樁的轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單，且主要的電力轉(zhuǎn)換在車載充電器內(nèi)部完成，所以相比直流充電樁，交流充電樁的造價(jià)更低。

（2）安裝維護(hù)簡(jiǎn)便:交流充電樁體積較小，安裝靈活，對(duì)地面承載力的要求相對(duì)較低，便于在個(gè)人住宅、商業(yè)建筑等場(chǎng)所安裝使用。

（3）廣泛適用:幾乎所有電動(dòng)汽車均支持交流充電，使得交流充電具有更廣泛的適用性。

然而，交流充電樁充電效率相對(duì)較低，一般需要數(shù)小時(shí)才能完成充電，更適合家用或工作地點(diǎn)停留時(shí)間較長(zhǎng)的情景。

2.2 直流充電樁優(yōu)點(diǎn)

直流充電(俗稱“快充"）直接將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以高功率為電動(dòng)汽車的電池快速充電。這種方式可以繞過(guò)車載充電機(jī)的限制，直接對(duì)電池進(jìn)行充電，因此充電速度較快。

1. 充電速度快:顯著的優(yōu)勢(shì)是充電速度迅速。對(duì)于急需快速補(bǔ)充電量的消費(fèi)者，直流充電樁可以在30分鐘之內(nèi)將電動(dòng)汽車的電量充至80%左右，提高了充電效率。

2. 高效能轉(zhuǎn)換:由于電力轉(zhuǎn)換過(guò)程在充電樁內(nèi)完成，減少了能量的傳輸損失，提高了充電效率。

3. 智能化程度高:直流充電樁一般配有更的控制系統(tǒng)和用戶界面，可以提供更多充電管理和支付方面的功能。直流充電樁的主要缺點(diǎn)是成本較高，安裝和維護(hù)要求相對(duì)更為嚴(yán)格，因此，它們更多地被安裝在公共充電站和快速充電網(wǎng)絡(luò)中。

三、直流充電樁與交流充電樁核心區(qū)別對(duì)比

3.1充電速度

直流充電樁:由于直流充電樁具有較高的充電功率，通常在60KW以上，其他也有30kW、120kW、160kW、360kW、480KW等規(guī)格，因此充電速度較快，在理想情況下，可以在20-150分鐘內(nèi)將電池充至滿電狀態(tài)。

交流充電樁:交流充電樁的充電功率一般較低，通常為7kW左右，其他也有3.5kW、11KW等規(guī)格因此充電時(shí)間較長(zhǎng)，通常需要8-15小時(shí)才能將電池充滿。

3.2充電樁成本

直流充電樁:直流充電樁的制造和安裝成本較高，需要大體積變壓器和交直流轉(zhuǎn)換模塊，造價(jià)遠(yuǎn)超交流充電樁。

交流充電樁:交流充電樁的制造和安裝成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便于安裝和普及。

3.3充電樁體積

直流充電樁:由于內(nèi)部組成模塊較多，直流樁的體積都比較大，其充電槍頭是九孔的。交流充電樁:交流樁的模塊相對(duì)較少，體積比較小，其充電槍頭是七孔的。

3.4適應(yīng)場(chǎng)景

直流充電樁:由于充電速度快，直流充電適合安裝在高速公路旁的充電站、出租車和公交車站等對(duì)充電時(shí)間要求較高的場(chǎng)景。

交流充電樁:交流充電樁適合安裝在小區(qū)、停車場(chǎng)等場(chǎng)所，滿足日常充電需求，尤其適合夜間充電，因?yàn)橛脩艨梢栽谝归g充電，使用車輛時(shí)電池已充滿。

四、應(yīng)用方案

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

充電運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過(guò)APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時(shí)也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過(guò)平臺(tái)可對(duì)充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對(duì)充電樁的功率進(jìn)行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的負(fù)荷。

五、安科瑞充電樁云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對(duì)充電樁的監(jiān)控外，還對(duì)充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計(jì)、使用率排行、運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

圖3 大屏展示界面

站點(diǎn)監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖4 站點(diǎn)監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實(shí)時(shí)曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5 設(shè)備監(jiān)控界面

運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營(yíng)信息查詢、站點(diǎn)對(duì)比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對(duì)比列表等功能。

圖6 運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)界面

收益查詢：提供收益匯總、實(shí)際收益報(bào)表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢(shì)分析、故障類型餅圖等功能。

圖8 故障分析界面

訂單記錄：提供實(shí)時(shí)/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運(yùn)營(yíng)商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖9 訂單查詢界面

六、產(chǎn)品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來(lái)滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟(jì)、智能運(yùn)營(yíng)管理的市場(chǎng)需求。實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池快速、高效、安全、合理的電量補(bǔ)給，同時(shí)為提高公共充電樁的效率和實(shí)用性，具有有智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能；智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能；云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等；遠(yuǎn)程升級(jí)：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備軟件進(jìn)行升級(jí)；保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能；適配車型：滿足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號(hào)和技術(shù)參數(shù)。

七、現(xiàn)場(chǎng)圖片

八、結(jié)論

直流充電樁的市場(chǎng)集中度較高，主要運(yùn)營(yíng)商的達(dá)到85.2%，且公共直流的保有量持續(xù)增長(zhǎng)，但占比有所下降。交流充電樁由于成本較低，易于普及推廣，因此在小區(qū)、停車場(chǎng)等場(chǎng)所建設(shè)較為普遍。

隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的持續(xù)擴(kuò)大，直流充電和交流充電都將迎來(lái)更為廣泛的應(yīng)用。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，二者在充電速度、智能化水平、成本效益等方面都將有所改善。同時(shí)，新的充電技術(shù)，如無(wú)線充電等也將逐步走向成熟，為電動(dòng)汽車用戶帶來(lái)更多更便捷的選擇。