大功率直流充电桩总体结构的设计

陈伟明 王靖友

摘要：充电桩作为电动汽车普及的基础设施，其设计质量关系到电动汽车领域的发展。而传统的交流充电桩由于充电速度较慢、无法调节输出等问题，已经无法满足当前用户的需求。因此，研发大功率直流充电桩已经成为当前热门研究课题。相较于交流充电桩，直流充电桩输出直流电可调且调整范围大，实现了快速充电的要求。对大功率直流充电桩进行研究，提出了针对总体结构的设计。

关键词：大功率；直流快充；充电桩

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A

0 引言

随着当前全球范围内出现的能源危机现象不断增多，为实现节能减排，很多国家开始大力推广电动汽车，降低油车排放量。而完善的充电装置是电动汽车快速发展的关键。我国的直流充电桩覆盖率较高，但依旧以小功率充电桩为主，无法满足用户快速充电的需求[1]。因此，研究功率更高、充电更快的充电桩成为充电桩领域的重点。本文针对当前充电桩存在的问题，提出大功率直流充电桩，以解决充电时间长、电池续航短等问题，从而促进电动汽车领域的发展。

1 大功率直流充电桩设备的总体布局

在结构设计上，直流充电桩仍有一定的优势。在设计充电桩的整体结构时，应根据充电模块的大小和数量确定其结构尺寸，充电桩的整体结构尺寸控制在1 800 mm×750 mm×450 mm（高× 宽×深）。为了控制充电桩整体的重量和成本，充电桩的外壳结构需要具有承重的功能。充电桩底部为一块整体厚度为3.0 mm 钢板，以保证固定强度，充电桩外壳和箱门使用钢板制作，板材厚度＞1.5 mm，以提高外壳结构的稳定性。直流充电桩的结构采用双层设计，这解决了充电桩在室外使用时的绝缘和保护问题[2]。考虑到上述充电桩的结构设计，在充电桩顶部安装顶棚（图1），可以有效达到通风、装饰和防雨的效果。在充电桩的左右两侧板预留充电枪线出口。

2 充电桩的结构设计

2.1 结构设计要求

为了满足新能源车主随时随地的充电需求，在室内与室外均放置了直流充电桩。如果将充电桩摆放在室外，则需要提高对充电桩材料的质量要求。同时考虑到充电桩可能会受到碰撞等意外损害，所以对充电桩的稳定性也提出了更高的要求。在设计充电桩时，需要考虑充电桩尺寸、外观、人机工程学等方面[3]。另外，还需要对充电桩结构进行强度与模态分析，保障充电桩结构强度与稳定性。

在此基础上，本文设计了一种新型充电桩结构，该结构的实用性更强，具有一定的参考价值。充电桩的底部结构采用底部框架的形式，其主要优点是便于后续设备的安装。为了保证充电桩内部结构的稳定性，在充电桩内部安装了一定数量的骨架。骨架的最大功能是支撑充电桩，同时在充电桩的骨架上部还可以安装电气部件。在设计充电桩的桩体架构时，可以采用长方形结構，但需要注意的是，长方形结构的局部需要经过曲面或圆角处理，降低危险性[4]。同时，在设计充电桩内部框架时，还应注意内部电气元件的安装和内部布线的空间设计。

2.2 充电桩材料选择

在设计充电桩外观时，需要考虑环境、气候因素可能造成的影响。所以，户外安装的充电桩对于表面材料的耐腐蚀性要求非常强，表面材料需满足防尘和防雨的基本要求，可以承受极端天气条件带来的影响。基于以上的设计要求，本文设计的充电桩使用不锈钢材料。因为用户会经常接触充电桩的人机交互界面，为了方便用户操作，充电桩的数据显示区和刷卡区可以使用聚碳酸酯（polycarbonate，PC）材料，以防止漏电和短路，保护用户。PC 材料的阻燃性、自熄性、耐腐蚀性较好，还具有高耐压性的特点。在充电桩刷卡区使用PC 材料，可以满足功能分区的要求，为用户提供安全的操作空间[5]。

充电桩框架使用钢板焊接，钢材料可以满足高温、暴雨、暴风、暴雪等各种极端天气的使用需求。同时，考虑到设计成本，充电桩框架选择Q235A 钢，该材料具有显著的塑性和韧性，易于焊接和热处理，可以用作充电桩外壳承重柱的框架材料。

在制作钢板时，通过焊接成型，钣金折弯工艺可以极大地控制充电桩的结构变形。在桩体表面喷涂静电粉末，以确保充电桩外壳具有抗静电作用，并且保护充电桩结构免受外部腐蚀。

2.3 充电桩模块设计

充电桩结构应用模块化设计方法，由人机交互系统模块、主控制器模块、交流输入模块、功率变换模块、直流输出模块等共同构成充电桩结构，如图2 所示。其中，人机交互系统模块负责充电桩的信息显示，如充电状态、电池损耗和充电成本等。该模块是由充电指示灯、刷卡扫描区、液晶触摸屏等构成，其设计在充电桩正面的位置，方便用户观察充电情况。人机交互系统模块可以为用户提供简洁明了的操作和人机界面，大大提高了用户的充电效率。主控制器模块是充电桩提供充电功能的核心，其由如下3 个模块构成。①安全控制模块：包括漏电保护断路器、紧急停止按钮、熔断器等，在充电期间一旦出现意外情况，用户按下紧急停止按钮，能够快速断开电动汽车和充电桩的连接；②控制器模块：包括一个微控制器，并且含有多个通信接口，这大大方便了电路设计；③数据收集模块：负责充电桩与汽车之间的通信，采用控制器局域网总线（controller area network，CAN）接口，通过物理连接实现数据的收集和传输。交流输入模块位于充电桩正面下部，包含交流断路器和交流接触器，为功率变换模块提供交流电的输入。功率变换模块位于充电桩后侧单独的舱体，主要功能是将外部输入的交流电转换为直流电，并根据电动汽车电池的需求实时调节输出直流电的电压和电流。直流输出模块使用直流多功能电表，电表读数作为充电桩的能量值，通过读取电压、电流等数据，可以判断电压与电流值是否正常。如果超过额定值，充电连接器会将信号返回到主控制器，由主控制器负责执行断电，有效避免过流和过压。

2.4 充电桩的外形建模

根据设计要求，本文使用Creo Parametric 软件对充电桩的桩体结构进行建模。其中，对充电桩最外层的4 个立柱进行弧形处理，避免运输过程中充电桩互相碰撞而导致的损伤。充电枪位于充电桩的两侧，便于操作和收纳。根据人机工程学原理，人机交互处采用平面处理，防止在操作过程中与用户发生碰撞和损坏。

3 模块散热结构设计

为了提高充电桩内部的支撑件性能，电子元件可以与支撑元件一起安装在充电桩外壳中。金属外壳的吸热能力非常强，在高温天气下，户外充电桩总是暴露在阳光下，温度较高。如果电子元件连接充电桩的金属外壳，表面温度会直接到达充电桩内部元件，进一步增加充电桩运行产生的热量。通过在充电桩外壳和电子元件之间留有孔隙，能够有效解决电子元件的散热问题。在充电桩的实际运行中，内部的主要热源为功率变换模块，为了避免功率变换模块散出的热量对其他电气元件的影响，通过结构设计，将功率变换模块放置在单独的舱体中。通过计算确定合适的风量、风压参数，并结合实际结构外形尺寸选取合适型号、数量的散热风机，以增加模块的通风量，对模块进行强迫风冷散热，避免电子元件出现高温或老化问题，延长充电桩的使用寿命。

4 防水防尘设计

为了避免在恶劣天气对充电桩表面造成的锈蚀，防止日常灰尘堆积，充电桩的整机结构都需要进行防水防尘设计，设计的重点部位包括电气柜的各结构件连接处、柜门门板、通风孔、锁具、铰链等部位。

充电桩外壳采用焊接组装方式，减少了壳体外表面的拼接缝；外壳采用高聚氨酯粉末喷涂，喷粉厚度不低于80 μm，从而进一步提高外壳的防水防尘性能。其他措施包括：外漏的需要导电的结构件及紧固件采用304 不锈钢材质；接地铜块采用T2材质，表面采用镀锡处理。

充电桩外壳门板锁紧采用满足IPX5 防水等级的户外把手连杆门锁，至少采用4 个锁紧点；门板采用外挂设计，将门框完全覆盖，门板与门框之间的缝隙不超过3 mm；门框采用外翻的导水结构，同时安装三元乙丙橡胶材质密封条，保证其具有可靠的防水性能；铰链采用锌镍合金材质，满足96 h中性盐雾测试要求且不出现白锈。

由于充电桩功率模块采用风冷散热，因此充电桩外壳需要设计通风散热孔，通风散热孔结构需要满足不低于IPX4 的防水等级，且空气过滤器占送风墙面积的40% 以上，以保证良好的通风效果。通过理论计算和试验测试，如图3 所示的截面造型的双Z 型百叶窗能够满足上述要求。同时百叶窗叶片应采用铝合金材质或钢板喷涂材质且铆接于壳体上，避免由于焊接导致焊缝位置处理不完全而出现锈蚀现象。

防水防尘设计步骤如下。

（1）防尘过滤材质选择。防尘过滤材质需要兼顾透气与防尘的效果，具有微小交错小孔的一类材质主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate，PET）无纺布、尼龙网、聚氨酯过滤棉等。本文选用带有铝合金骨架的聚氨酯过滤棉，其具有初始阻力小、过滤效率高等特点，还可以清洗以重复使用。

（2）防水防尘结构设计。通风窗位置兼顾防尘防雨设计，可通过交错排列的百叶窗达到防水的目的，同时该百叶窗能够改变气流流向，使重量较大的灰尘自然沉降，以达到减少灰尘的效果。

5 降噪设计

充电桩在运行时，其噪声主要来源于功率变换模块内部自带风机及机柜上安装的散热风机，因此降噪的主要任务是通过有效的措施降低风机自转产生的噪声，并通过合理结构设计来延长噪声在柜体内部的传播路径，通过在噪声传播中进行反复多次的反射，最大限度地削弱噪声音量。降噪主要有以下不同的设计方法。

5.1 基于PWM 技术的模块内置风机调速

根据环境温度和输出功率对模块风机进行脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）调速研究，建立合理的环境温度、模块输出功率与风机转速的控制模型，优化风机转速控制策略，以降低模块本体运行噪声。

5.2 机柜内外风道结构

根据充电设备内部主要噪声源的布局及噪声频谱，设计合理的风道结构，错开布置进风口位置与模块位置，出风口通过外挂防雨罩的方式，延长噪声的传播路径，改变噪声的传播方向，降低整机噪声。

5.3 机柜内置吸音棉

通过对噪声频谱的分析，选用合适的吸音棉，粘贴在噪声的传播路径上，对噪声进行反射和吸收，以降低噪声。

6 结论

综上，随着我国经济的快速发展，新能源行业也经历了飞速的发展。电动汽车作为传统燃油汽车的绿色替代品，其发展得到了国家政策的大力支持和推动。但电动汽车如何实现快速、安全充电一直是研究热点。本文重点研究了大功率直流快充桩的结构总体设计，包括外壳的材質及加工工艺，模块化元件的结构布局，包括防水防尘、通风散热、降噪结构等。本文设计的充电桩可以满足电动汽车快速、安全充电的需求，并且应用范围广泛。

参考文献

[1] 张栋，熊萌，尤国建，等. 电动汽车大功率直流快充充电桩充电模块的设计及性能测试[J]. 科学技术创新，2023（20）：213-216.

[2] 吴冬，王兵，孙木，等. 大功率直流快充充电桩关键技术及性能测试[J]. 科学技术创新，2021（27）：56-57.

[3] 杨国安，赵恒纬，杨亚雄. 大功率直流充电桩多路输出模式分析[J]. 电力系统装备，2020（8）：73-74.

[4] 陆乐. 直流充电桩PFC 和DC-DC 电路功率开关管开路故障诊断研究[D]. 天津：河北工业大学，2021.

[5] 周磊. 便携式高精度直流充电桩计量检定系统的研究与实现[D]. 成都：电子科技大学，2020.