电动汽车充电桩技术发展的策略分析

郭志波

(湖南省沙坪建设有限公司，湖南 长沙 410028)

0 前言

随着电动汽车的迅速发展，国家目前已明确了对充电桩建设规划的要求。充电桩应满足不同客户及多元化市场服务模式的需求，以适应我国电动汽车市场的发展趋势。传统的充电系统布局具有相对集中、局域网专用、充电模式单一等特点，缺乏灵活性和多样性，未形成网络互连的模式，在一定程度上导致充电桩使用率较低，由此影响电动汽车市场的发展。因此，研究推广设置基于移动互联网技术的充电桩，形成离散式、多样化和互联互通的充电模式，才能满足电动汽车市场的发展要求。

1 概述

电动汽车充电设施包括充电电池、充电电缆、充电接口，以及充电站建设中与电动汽车充电相关的其他设施等。

1.1 电动汽车充电机的分类

车载式充电机是电动汽车的重要组成部分，它是保障电池安全和稳定运行的关键。充电机对电池一般采用单相输入的方式，充电机在运行期间采用直流电即可满足需求。充电时，最大程度地控制充电机的充电电流，有效地保障充电电池运行的安全性和稳定性，在电池达到饱和状态时，充分保证充电机、电池管理系统与充电桩之间的协调，以提高充电效率。

电动汽车的非车载式充电主要采用直流方式充电。利用监控模块管理充电状态，通过控制器局域网(CAN)总线与充电机电池管理系统(BMS)通信，用户可以及时了解电动汽车的充电状态并控制充电机。充电桩主要采用统一通信协议实现CAN通信，统一通信协议将不同的请求、命令、广播及数据包转换为统一的格式。在CAN网络中，常见的通信协议主要有确认和请求这2项。

1.2 交流充电桩的工作原理

目前，电动汽车一般选择智能充电模式，即确保在充电过程中，始终围绕充电电流曲线充电，通过采用滤波器技术实现对电动汽车充电电池的动态跟踪，根据充电量的变化自动切换充电参数，以实现最佳充电效果。采用智能充电模式具有安全、可靠和节能的优势，符合各种类型和各种状态蓄电池的充电要求。

对电动汽车充电过程的控制方法主要有温度控制法、时间控制法、电压控制法和综合控制法。

(1) 温度控制法。该方法是指当电池达到完全电量后，如果仍处于充电状态，电能将会转化为热能，使电池的温度升高。研究发现，当电池温度升高1 K需持续充电3 min时，即可认为电池已充满，此时应停止充电。如果将温度设定为45 ℃，当电池在设定温度范围内时，充电状态正常；在充电期间，如果温度超过45 ℃，电池将停止充电或进入浮充状态，即实际已停止充电。

(2) 时间控制法。该方法是在电池充电时，设置具体的充电时间，达到规定的充电时间后，将停止充电。

(3) 电压控制法。该方法一般采用负电压增量控制的方式，在电池蓄满电量后，其电压也达到了最大值，检测电池充电的增量，如为负增量，表示电池已充满。

(4) 综合控制法。该方法综合了上述温度控制法、时间控制法和时间控制法的优点，在确定基础条件后，实时检测电池的充电情况，以保证电池的安全。

完整的充电桩主要包括微控制单元、充电控制单元等模块，如图1所示。

图1 充电桩控制结构

充电时，交流电经整流滤波转为直流电，向绝缘栅双极型晶体管(IGBT)桥供电，经过IGBT桥滤波后，经过高频变压器对其进行变压隔离处理，形成直流脉冲，为电池组充电。在整个滤波处理的过程中，充电桩控制器能够依据电池端电压及电流的变化，对控制参数进行动态控制处理，保证充电过程的安全性、可靠性及稳定性。用户刷集成电路(IC)卡后，按照屏幕上的提示选择充电模式，充电桩的监控单元会实时监控整个充电过程，如果在充电过程出现异常情况，监控单元会发出告警。通过主程序多线程控制整个系统，在激活充电桩后，由主程序协调并控制各个控制模块，使得充电桩能控制整个充电流程，且保证在工作时各个模块之间不会相互干扰。

2 充电桩的发展现状及问题

2.1 安全问题

新能源充电桩的电压主要有220 V和380 V两种，都超过了人体安全电压，并且在充电时，产生的热效应会给汽车带来安全隐患。目前，充电站的规划设计还存在诸多问题。为了保证电动汽车的充电安全，充电站应在安全管理上与传统加油站的管理保持一致，严禁充电场内有易燃、易爆的化学物品，避免发生事故。在充电的过程中，如果存在电线或电缆损坏、充电头污染等情况，不仅会损坏电动汽车，还会对人身安全造成伤害。另外，部分充电站业主缺乏维护设备的能力，私自拆卸充电桩，导致充电桩受损，带来安全隐患。

2.2 时间问题

新能源汽车的充电桩太少是导致汽车充电困难的主要原因之一，其原因如下：① 寻找充电桩的时间问题，这主要是因为充电桩需要配电网络提供电源，配电网络结构的特殊性决定了充电桩的规划与配置存在配电网未覆盖到位的缺陷；随着城市化的发展，配电网络本身也出现了供电距离短的特点，因此应合理规划充电桩的位置，使其满足需求。② 充电时间问题，这主要是因为新能源汽车充电需要一定的时间，因此容易影响消费者使用电动汽车的积极性。

2.3 通信问题

充电桩的通信问题直接影响电动汽车的充电效率，因充电桩属于配电网侧，在具体的通信设计过程中，需要考虑配电网的设计、不同区域的综合条件、实现配电网络自动化等问题。电动汽车充电桩的通信方式主要有无线通信和有线通信2种方式，为保证充电桩网络通信的效率，可以综合考虑应用5G无线网络。有线通信在结构上设计较简单、数据传输较稳定，但灵活性较差，难以拓展，且布网较复杂、施工成本较高，在整个通信的过程中容量比较低。采用工业以太网传输数据存在着灵活性较差、网络拓展较差的缺陷，网络布线与施工困难，在一定程度上限制了充电桩的通信效率，影响用户的充电效率。如果采用移动网络进行数据通信，需要将充电桩接入移动通信网络中，同时移动运营商需要支付昂贵的网络费用，随着充电桩的增加，网络费用也会增加，在这种情况下，移动网络的稳定性和可靠性将直接影响充电桩设备的稳定运行。另外，如果充电桩接入移动数据时需要共享网络带宽，在大量设备接入区域的移动区域网络时，将会降低网络带宽，导致网络性能下降，影响充电桩的数据传输效率。

3 提升充电桩应用效率的策略

3.1 充电安全问题的处理

(1) 为保证安全的需求，易燃、易爆或化学物品、可燃性材料等危险品要远离充电桩，同时应采取安全防护措施。

(2) 及时对充电桩的充电头进行干燥清洁，如果充电头出现污染，用干布将充电头擦拭干净，同时在带电的情况应禁止触摸充电头、擦拭电枪头或者电枪芯。

(3) 在充电时，如果发现充电线缆或充电枪存在破裂、破损、线路裸露、漏电等缺陷时，应立即停止使用充电桩，同时联系工作人员，及时维护充电桩。

(4) 认真维护充电桩，严禁私自维修、拆卸、改造充电桩，避免损坏充电桩，导致充电桩不能正常工作。如有相关需求，应联系工作人员。

(5) 在充电过程中，为了保证充电的安全，不能随意拔卸充电枪头，如果需要中途断电，应严格遵循相应的标准。

3.2 充电桩通信问题的解决

(1) 通信的可靠性。不管是采用有线网络，还是无线网络，均要求其在较强的电磁干扰和噪声干扰，以及长期的恶劣环境中，能保持通信系统畅通，且具有较高的可靠性及灵活性，可拓展性强，能适应不同环境下充电桩的通信要求。

(2) 建设及维护费用。为了保证充电桩通信的可靠性，需要合理优化网络结构，综合各方面因素合理规划，建设具有灵活性的网络，有利于降低后期网络维护的费用。

(3) 双向通信。采用双向通信的方式保证充电桩通信的畅通，在实现充电桩通信信息上传的同时，控制通信信息的下行。

(4) 多业务的数据传输速率。在主站与子站之间、子站与终端之间的通信建设多业务数据传输网络，逐步提高充电桩的通信效率，实现多业务数据传输。

(5) 采用标准的网络通信协议。由于充电桩的控制点较多，且分布覆盖面广且分散，采用标准的通信网络协议，便于多种终端接入充电桩通信网络中。

3.3 优化充电桩充电时间

针对新能源汽车充电时间问题，根据不同情况为用户提供快捷便利的充电方式。① 一般可以采用分段式快速充电模式。第1阶段为预充电阶段，当电池的蓄电量不足10%时，预充电目标是加强对电池的保护；第2阶段可以借助恒流充电的方法快速充电，在短时间内快速向电池提供电量，并减少对电池的伤害，快速完成电池的充电；第3阶段需要利用大电量对电池充电，由于接近充满电量的电池电压较高，可采用高电压充电，提高充电效率，同时迅速实现去极化负脉冲，缩短充电时间，减少客户的等待时间。② 采用新技术提高充电效率。例如，采用车辆到电网(V2G)技术，在插电式混动汽车或纯电动车未运行时，可以将其电池的能量传送到电网，为其他需要用电的电动汽车充电。

4 结语

电动汽车、混动汽车等新能源汽车已成为人们关注的重点交通工具。随着我国电动、混动汽车技术的不断发展，新能源技术日益成熟，在充电技术、电动汽车的电池技术等方面均取得到了新的突破，同时充电技术标准的搭建及新能源汽车的专利方式也取得了良好的成果，对促进我国电动汽车的发展具有十分重要的作用。相信在不久的将来，充电桩的问题也能得到有效解决。