高速公路电动汽车充电系统设计

单栋梁，李彩生，王聪慧，朱子庚，孟凡提，赵恒宇

（许继电源有限公司，河南 许昌 461000）

高速公路电动汽车充电系统设计

单栋梁，李彩生，王聪慧，朱子庚，孟凡提，赵恒宇

（许继电源有限公司，河南 许昌 461000）

为满足电动汽车跨区域（城市）行驶需求，加快建设高速公路充电服务网络，设计一款大功率直流快速充电系统，可以实现为多辆车同时进行充电，且可以根据车辆信息实现功率自动分配功能。介绍了充电系统的设计原理，刷卡充电流程及刷卡操作界面的设计。实现与不同车辆的成功对接充电，通过国网公司的验收。验收结果表明该产品运行可靠、各项指标均满足要求，且成本较低，具有很强的市场竞争力。

电动汽车；高速公路；充电系统；功率自动分配

面对日益紧迫的能源危机，电动汽车的发展已成为国家的重要发展战略。根据《国家电网公司“十一五”电力营销发展规划》、《国家电网公司“十一五”电动汽车推广实施方案》和《国家电网公司“十二五”电网智能化总体规划》要求，国网公司将按照《统一坚强智能电网第一阶段重点项目实施方案》的总体部署，本着“统一标准、统一规范、统一标识、优化分布、安全可靠、适度超前”的原则，建设节能环保的电动汽车充换电设施。

按照国家电网公司智能充换电网络发展规划，2020年将全面建成以“四纵四横”（四纵：沈海、京沪、京台、京港澳，四横：青银、连霍、沪蓉、沪昆）为支撑的、覆盖国家电网公司经营区内所有示范城市的城际快充网络。高速公路充电站建设的新问题，比如供电电网更弱、空间分布区域广、服务的车型更多等，这些都给产品开发和工程设计提出了新的需求，亟需对可能存在的工程技术问题进行研究。

针对现有充电设备充电速度慢，需排队充电的弊端，设计1款大功率充电机系统，充电机不但实现了1机多充功能，且实现了功率自动分配，对纯电动汽车的普及推广具有重要意义。

1 充电系统方案设计

研制灵活通用、高效经济、安全可靠的公共充电站用快速充电设备，研究智能支付加密系统，实现充电设备无缝接入国家电网智能充电设施运营服务平台，对纯电动汽车的普及推广具有重要意义。

充电站系统典型设计方案如图1所示，系统主要包括充电机系统、高压柜、变压器、低压柜、运营管理中心及电动汽车。充电机主要由充电机柜、直流充电桩及通讯部分组成。充电机柜将交流电转换为电动车所需的直流电，经由直流充电桩计量计费控制，实现为电动汽车充电。集中器手机充电机信息，通过以太网传送到后台的运营管理中心，能达到远程监控的效果。

图1 充电站系统典型设计方案Fig.1 Typical design scheme of charging station system

2 充电机原理设计

充电系统主要包括两部分：充电机柜和充电桩，下面分别介绍充电机柜及充电桩的原理设计。

2.1 充电机柜

充电机柜原理框图如图2所示，主要包括交流计量、交流进线开关、AC/DC变换器［1］、AΤS装置、开入装置、开出装置、辅助电源及充电控制单元。

图2 充电柜原理框图Fig.2 Schematic diagram of charging cabinet

三相交流电源经AC/DC变换器后，变换成可控的直流输出，经AΤS分配后接入充电桩，经充电电缆接口给电动汽车充电；开入装置采集AΤS状态信息并上送充电控制单元，控制单元下发命令经开出板控制AΤS装置的状态；充电控制单元根据车辆需求信息通过RS485通信控制AC/DC变换装置的输出。

2.2 充电桩［2-3］

充电桩原理框图如图3所示，主要包括熔断器、直流计量、泄放回路、采样回路、充电桩控制板、读卡器、操作界面及直流充电接口等。

图3 充电桩原理框图Fig.3 Schematic diagram of charging pile

在充电机端和车辆端均设置IMD（绝缘检测）电路，充电接口连接后到K2合闸充电之前，由充电机负责充电机内部（含充电电缆）的绝缘检查，K2合闸之后的充电过程期间由电动汽车负责整个系统的绝缘检查。充电直流回路DC+，PE之间的绝缘电阻，与DC-，PE之间的绝缘电阻取小值R，当R≥500 Ω/V视为安全；100 Ω/V＜R＜500 Ω/V时，宜进行绝缘异常报警，但仍可正常充电；R≤100 Ω/V视为绝缘故障，应停止充电。

充电机进行IMD检测后，应及时对充电输出电压进行泄放，避免在充电阶段对电池负载产生电压冲击。充电结束后，充电机应及时对充电输出电压进行泄放，避免对操作人员造成电击伤害。泄放回路的参数选择应保证在充电连接器断开后1 s内将充电接口电压降到DC 60 V以下。

3 充电系统功能

3.1 一机两充、两充电接口自动负荷分配

下面以图2中4组AC/DC转换器的供电单元为例进行说明：

模式1。仅对1辆车进行充电。当充电桩连接车辆进行充电时，监控单元通过控制AC/DC变换器及AΤS切换单元的状态实现输出功率的控制，满足接入车辆需求电流进行充电。如车辆1现接入1#充电桩，车辆需求电流I＜A时，开启AD/DC转换器1，且检测AΤS1状态并确保其与1#充电桩连接；车辆需求电流A＜I＜B时，开启前2个AC/DC转换器，且检测AΤS1和AΤS2状态并确保其与1#充电桩连接；车辆需求电流B＜I＜C时，开启前3个AC/DC转换器，且检测AΤS1，AΤS2及AΤS3状态并确保其与1#充电桩连接；车辆需求电流I＞C时，开启所有AC/DC转换器，且检测所有AΤS状态并确保其与1#充电桩连接，如图4中模态A所示。2#充电桩与此相同，但AΤS投入顺序与1#充电桩相反。

图4 充电机功率分配Fig.4 Charger power distribution

模式2。通过1#充电桩对车辆1非满负荷充电，车辆2接入2#充电桩。通过1#充电桩对车辆1非满负荷充电，系统尚有未启动的AC/DC转换器时，车辆2接入2#充电桩，监控单元根据车辆2需求信息控制未启动的AC/DC转换器，并控制对应的AΤS与2#充电桩接通，对车辆2进行充电。如车辆1只使用AC/DC转换器1，此时接入车辆2，且该车辆的需求电流I＜A时，启动AC/DC转换器4，且检测AΤS4状态并确保其与2#充电桩连接，对车辆2进行充电，AC/DC转换器2和AC/DC转换器3未启动，AΤS2和AΤS3保持原有状态，如图4中模态B所示。

模式3。对车辆1满负荷充电，车辆2接入充电。当1#充电桩对车辆1满负荷充电时，2#充电桩接入车辆2，不论车辆2需求电流为多少，系统自动将AC/DC转换器4通过AΤS4与2#充电桩连接，为车辆2进行充电，如图4中模态C所示。

模式4。车辆1功率需求电流下降，车辆2自动获得切出的功率。当车辆1对功率需求下降时，充电机自动释放功率单元为车辆2进行充电。1#充电桩切出功率顺序为AΤS4—AΤS1，2#充电桩获取功率顺序为AΤS1—AΤS2。

模式5。车辆1完成充电，车辆2充电排序提前。当车辆1完成充电时，车辆2自动在充电队列中变为车辆1，即2#充电桩优先级升为1#充电桩的优先级，1#充电桩变为2#充电桩的优先级，后续接入1#充电桩的车辆则自动变为车辆2。

3.2 充电操作流程

充电机界面操作流程如图5所示。

图5 充电界面示意图Fig.5 Schematic diagram of charging interface

下面就各界面做简介：

1）欢迎使用页面。在充电桩空闲状态下显示，用于向用户提供充电桩是否能正常提供服务以及故障原因信息，用于向用户提供查询卡内信息和完成异常交易记录的入口。

2）充电方式选择页面。用于向用户提供充电卡充电和验证码充电等支付方式。用户在该页面选择充电卡充电，则转入充电卡充电金额选择页面；用户在该页面选择验证码充电，则转入充电验证码输入页面。

3）充电卡充电金额选择页面。用于让用户选择充电卡充电金额。该页面显示的第1档和第2档充电金额参见计费模型数据中的相应信息。用户选择其他金额，则转入充电卡充电金额设置页面。

4）充电验证码输入页面。用于向用户提供验证码充电的入口，并对用户提供验证码是否有效以及无效原因信息。

5）充电卡充电金额设置页面。向充电卡用户提供自主设定充电金额的功能。

6）充电过程信息显示页面。向用户提供充电过程信息，应包括充电金额，充电电量，充电电压，充电电流等信息。在该页面下，充电卡充电用户可以通过刷卡终止充电过程，验证码充电用户可以通过输入验证码终止充电过程。

7）充电结算信息显示页面。用户在充电结束后，向用户提供本次充电统计信息，应包括充电金额，充电电量等信息。

8）充电卡信息显示页面。用于向用户显示卡号，卡内余额，异常交易记录数目等信息。当用户卡内存在异常交易记录，主站已经返回交易记录数据，则用户在该页面可以刷卡完成异常交易。

9）异常交易记录显示页面。用于向用户显示异常交易结算信息，主要包括交易是否成功，交易时间和交易金额等信息。

4 实验验证

4.1 测试环境

根据国际标准IEC 61851—23、国网企标Q/GDW 1234.3—2014《电动汽车充电接口规范第3部分：直流充电接口》技术要求及《NB/Τ 33001—2010电动汽车非车载传导式充电机技术条件》，并根据城市快充招标技术规范，进行产品设计，产品外形如图6所示。产品外观新颖，设计合理，人性化的界面设计，且具有IP54的高防护等级，适合户外安装运行。

图6 产品外形图Fig 6 Product outline

4.2 测试结果［4］

测量仪器包括示波器、功率分析仪、差分探头及多功能数字表等设备，主要用于对直流输出的通信信号、控制信号以及辅助电源进行测量。对车辆（启辰晨风）充电的实验波形如图7所示。图中，1为电池电压波形；2为充电机输出电压波形；3为充电机输出接触器（图3中的K2）的控制电压波形；4为充电机对车辆的充电电流波形。

图7 充电流程图Fig.7 Charging flow chart

从图7中可以看出，开始时K2闭合，充电机输出400V直流电压，对充电设备进行绝缘监测，绝缘监测结束后并在很短的时间内使电压降低为零；充电机监测到车辆侧电池电压后，充电机电压进入软启动状态，输出电压缓慢上升（避免对动力电池的过充），当电压上升至车辆电压附近时，输出继电器闭合，充电机电压继续升高，为电动车进行充电。

充电单元采用了文献［1］中的移相全桥软开关技术，对整个充电机的效率值进行了详细的测试，如图8所示。从图8中可以看出，充电机的峰值效率高达94.5%左右，已经超于同行不少。为确保充电机能安全快捷的给市场电动车辆进行充电，本款充电机完成与多种型号电动车充电，譬如：BYD E6，滕势；江淮4代；荣威；北汽EV200，EV150；启辰晨风等。

图8 充电机效率曲线Fig.8 Charging efficiency curve

5 结论

本款产品于2014年6月在国家电网项目，高速公路服务区充电站建设中的80个充电站得到大量的应用，为公司带来2亿元左右的产值，并通过了国家电网公司验收，运行1 a多来，运行稳定，事故率较低，得到了用户好评，具有很强的市场竞争力。

该款充电机具有结构紧凑，现场施工布局合理，性价比高，保护功能齐全，有独立风道等优点。对推动电动汽车的发展起到了很好的推动作用。

［1］单栋梁，邓长吉，王聪慧.基于IGBT并联技术的大功率充电机研制［J］.电力电子技术，2014，48（4）：41-43.

［2］中国电力企业联合会.GBT 27930—2015电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议［S］.北京：中国标准出版社，2015.

［3］中国电力企业联合会.GBT 18487.1—2015电动车辆传导充电系统电动车辆交流直流充电机（站）［S］.北京：中国标准出版社，2015.

［4］国家能源局.NB/T 33001—2010电动汽车非车载传导式充电机技术条件［S］.北京：中国电力出版社，2010.

Design of Electric Vehicle Charging System for Expressway

SHAN Dongliang，LI Caisheng，WANG Conghui，ZHU Zigeng，MENG Fanti，ZHAO Hengyu
（XJ Power Co.，Ltd.，Xuchang 461000，Henan，China）

In order to meet the demand of the electric vehicle（city），to speed up the construction of the highway charging service network，a high power DC fast charging system was designed，which could be charged simultaneously and could be automatically assigned according to vehicle information.Introduced the design principle of the charging system，the charging process and the design of the interface.Through the successful docking with different vehicles，the company passed through the acceptance of national network.The results show that the product is reliable and the indicators are met，and the cost is low，and has a strong market competitiveness.

electric vehicle；highway；charging system；automatic allocation of power

U469.72

A

10.19457/j.1001-2095.20170215

2015-12-07

修改稿日期：2016-06-15

单栋梁（1985-）；男，硕士，工程师，Email：lyzdh825@126.com