直流充电桩功能板块的高寒环境适应性研究

郭琳，王智东，张紫凡，周长鹏，李志锋，王登全

（1.广州城市理工学院，广州 510800； 2.华南理工大学电力学院，广州 510640）

引言

随着电动汽车的日益普及，在大范围内建设配套充电装置势在必行。直流充电桩是一个复杂的电子设备，由功率模块、控制系统模块等构成，在不同的温度环境、尤其是在气候较特殊的东北地区高寒环境下，对于直流充电桩各组成模块能否良好运行，提出了更大的挑战。

直流充电桩在高寒地区运行过程中容易出现间歇性故障甚至异常故障导致充电桩无法正常运行情况，当前检测多采用逐一置换充电桩各个板块以查找失效模块的解决方法，但该方法主要借助于运维人员的工程经验，而且充电桩各个板块逐一排查存在工作量大、效率低的缺点。

本文针对上述问题，从理论上提出利用一种基于故障树的分析方法，通过深入分析直流充电桩元件组成，研究充电桩各个板块的温度的自适应性，从而分析出直流充电桩易受温度影响的模块，确定直流充电桩高寒环境运行的薄弱环节，为指导高寒环境下充电桩的生产和运维提供参考。

1 基于故障树分析的直流充电桩模块结构

故障树分析方法（FTA）是一种通过分门别类的形式描述直流充电桩模块故障状态的结构树[1,2]，是对系统故障形成的原因采用从整体至局部、逐渐细化的分析方法，它便于从不同的维度去发现和挖掘直流电桩模块故障产生的原因。同时，FTA从结构上表现出层次性和关联性：层次性主要体现充电桩模块故障分析的深度，以及同一层不同节点的聚焦维度；关联性体现在上下各个层与层之间的逻辑关系，是直流充电桩模块宏观特征与微观故障的联系与纽带。

直流充电桩主要由电源板、控制板、功率板、IGBT驱动板等构成[3-5]，内部结构如图1所示。

图1 直流充电桩结构图

充电桩模块故障树中，以顶事件（Top Event）表述直流充电桩故障的宏观现象，以底事件（或基本事件）表述直流充电桩模块的故障原因，以中间事件表述直流充电桩模块故障的某种中间状态，顶事件与底事件通过中间事件构建关联关系。在直流充电桩实际故障事件中，可得到各种故障类型和现象，通过梳理、整合，即可得到稳定的故障树模型，以此作为后续故障诊断的工具，为直流充电桩故障分析提供了更快速的判断方法。

在本文实际分析过程中，故障树顶事件为直流充电桩故障，中间事件为主要部件故障和轻故障；按照故障程度及故障源的不同，直流充电桩的主要故障可分为控制板故障、电源板故障、驱动板故障等6种类型，轻故障可以分为交流接触器故障、触摸屏故障 、IC刷卡器故障等4种类型，将这10种故障做为底事件。这样通过对各类故障细分并依据其逻辑关系建立的故障树如图2所示[6]。

图2 直流充电桩的故障树

2 板块分析

2.1 控制板

由直流充电桩结构图可以看出，微处理器是控制板块的核心，主要由微处理器单元、时钟电路和看门狗电路构成，其构造及元器件正常工作温度范围如图3所示。

图3 控制板结构及元器件正常工作温度范围示意图

以控制板各电路模块故障为中间事件，组成模块的各元件故障为底事件，所建立的控制板故障树如图4所示。

由图4可见，底事件之间及中间事件之间逻辑关系均为“与”，即MCU和时钟、复位监控芯片以及任一电阻或电容故障均可导致控制板障，因此，该控制系统的工作温度范围，取决于各元器件正常工作温度范围内低温的最大值、高温的最小值，即系统的正常工作温度范围为（-40～85）℃。

图4 控制板故障树图

2.2 IGBT驱动板

IGBT驱动板是直流充电桩的重要组成部分，主要由线性控制器（PI）、脉冲宽度调制电路（PWM)和驱动电路三个部分组成，其结构及元器件工作温度范围如图5所示。

图5 驱动板结构及元器件正常工作温度范围示意图

以驱动板各电路模块故障为中间事件，构成模块的各元件故障为底事件，所建立的IGBT驱动板故障树如图6所示。

由图6可见，底事件之间及中间事件之间逻辑关系均为“与”，即PI、PWM和驱动芯片以及任一电阻电容或二极管故障均可导致驱动板故障，因此，驱动系统的正常工作温度范围，仍取决于各元器件正常工作温度范围内低温的最大值、高温的最小值，即系统的正常工作温度范围为（-25～85）℃。

图6 IGBT驱动板故障树图

2.3 功率板

功率板是直流充电桩的关键部分，主要由三相桥式整流电路、全桥功率变换电路、放电去极化电路等部分组成，其结构及元器件正常工作温度范围如图7所示。

图7 功率板结构及元器件正常工作温度范围示意图

建立功率板故障树的过程与驱动板故障树类似，故省略功率板故障树图。分析可得功率板块系统的正常工作温度范围为（-40～85）℃。

2.4 通讯板

当前充电桩主要的通讯板包括232通讯电路、458通讯电路和CNA通讯电路，以458通讯电路作为代表，分析其结构和组成元件，通讯板结构及元器件正常工作温度范围如图8所示。

图8 485通讯板结构及元器件正常工作温度范围示意图

与功率板同样地采用故障树法分析，得出通讯系统的正常工作温度范围为（-40～85）℃。

2.5 检测板

检测板包括温湿度检测电路、电压电流检测电路两部分。检测板结构及元件正常工作温度范围[7]如图9所示。

图9 检测板结构及元器件正常工作温度范围示意图

与功率板、通讯板同样地采用故障树法分析，得出检测系统的正常工作温度范围为（-20～70）℃。

2.6 电源板

电源板为直流充电桩各模块内部芯片提供直流电，其结构及元器件正常工作温度范围如图10所示。

图10 电源板结构及元器件正常工作温度范围示意图

同理采用故障树法分析可得电源系统的正常工作温度范围为（-55～105）℃。

2.7 其它模块（元器件）

交流接触器连接于三相交流电源与功率板之间，起到电源开关作用，正常工作温度范围为（-25～55）℃[8]；电能计量模块即电能表，通过485通讯模块连接MCU，为电动汽车充电计费，正常工作温度范围为（-40～80）℃；人机交互模块是直流充电桩与用户交互的平台，由触摸屏和IC刷卡器组成，两器件的正常工作温度范围分别为（0～50）℃和（-10～60）℃。

2.8 直流充电桩各板块正常工作温度范围

综上所述，各板块的工作温度范围如图11所示。

图11 各板块工作温度范围示意图

3 温度对充电桩模块的影响分析

由图11可见，直流充电桩的触摸屏及内部含芯片的模块电路较易受环境低温影响，这是由于：

在低温环境下，若触摸屏内置电池、且环境温度低于零下10 ℃，电池的放电能力及寿命会迅速下降；同时触摸屏的响应可能较迟缓，出现拖影甚至无法启动的情况。

目前芯片由多种电子器件构成，元件的基础材料为半导体，其导电能力、极限电压、极限电流以及开关特性等受环境低温的影响很大，严重时可直接导致芯片不能正常工作。

4 环境低温对充电桩影响的改善措施

由以上分析可见，提高直流充电桩电子部件的抗寒能力尤为重要。

为了保证电子元器件的质量，国家标准按照使用温度、辐射、抗干扰不同，将电子器件分为军工级、工业级、汽车工业级和商业级器件四个等级[9]，正常工作温度范围分别为（0～70）℃、（-40～85）℃、（-40～125）℃和（-55～150）℃。

直流充电桩在较为寒冷地区需要重点考虑下列器件的温度适应等级：电源板、IGBT驱动板、控制板内的芯片。检测板的电压电流测量模块以及IC刷卡器、交流接触器其工作温度范围通常较窄、受低温影响较为严重，在寒冷地区可优先考虑工作温度更优的元件；电感、电容电阻、二极管、三极管等受低温的影响相对较小，在寒冷天气下也都具有较好的适应性。

为提高直流充电桩的抗寒能力，还可采取以下措施：

1）充电桩内部放置加热装置。通过MCU检测主要部件的工作温度，将低温状态下的主要部件加热至正常工作温度范围内，关闭加热装置后开启充电桩充电功能；通过MCU检测运行过程中的环境温度，若温度低于预设值，则启动热风装置、加热板等改善环境温度，通过热循环的方式保证充电桩正常运行。

2）采用加保护层的方法达到保温目的。可选用塑料泡漠等导热性能差的材料固定在充电桩外壳上，通常为加强保温效果还可采用双层或夹层形式等。

5 结论

1）通过故障树的分析方法得出：直流充电桩的触摸屏受低温影响最严重；内部含芯片的模块电路及IC刷卡器、交流接触器受低温影响较为严重；电感、电容、电阻、二极管等元器件受低温的影响相对较小。

2）通过提高元器件的质量等级可降低高寒环境对直流充电桩板块的影响，保证充电桩正常运行。

3）今后可以继续研究的方向为：将易受低温影响的元器件更换为高质量等级后，通过故障树方法进行定量分析，得出在高寒环境中直流充电桩各板块故障概率、从而得到充电桩整体故障概率，同时采取相应措施以防范易损元件及模块的故障，从而进一步提高充电桩的寿命。