吳漢輝 張宗浩

比亞迪豐田電動(dòng)車科技有限公司 廣東省深圳市 518100

1 引言

近年來(lái)新能源車的銷售量爆發(fā)增長(zhǎng)，新能源車的普及程度愈發(fā)提高。燃油車與新能源車的占比開(kāi)始發(fā)生變化，新車主在面臨選擇新能源車還是燃油車時(shí)，充電以及續(xù)航問(wèn)題必定是重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一。而在充電問(wèn)題中充電適應(yīng)性的問(wèn)題會(huì)是較為關(guān)注的一點(diǎn)，因?yàn)殡m然目前部分車企有提供自建充電樁及場(chǎng)站，但布點(diǎn)并不足夠廣泛，在車主實(shí)際使用中仍會(huì)有較大可能使用第三方公共充電樁。因此如何保證車與樁之間充電系統(tǒng)的泛適應(yīng)性應(yīng)是每個(gè)車企、樁企以及標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)關(guān)注的課題。本文旨在從目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景分析充電系統(tǒng)一些新技術(shù)的應(yīng)用和在社會(huì)應(yīng)用時(shí)遇到的故障，為車企在設(shè)計(jì)時(shí)提供改善充電適應(yīng)性的方向。

2 直流充電系統(tǒng)的組成

新能源汽車傳導(dǎo)式直流充電系統(tǒng)的拓?fù)鋱D可參照GB/T 18487.1-2015 中圖B1 內(nèi)容。

充電系統(tǒng)包含的重要零部件有動(dòng)力電池，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS），12V/24V 蓄電池，電源模塊。其中電源模塊負(fù)責(zé)將電網(wǎng)中的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能后為負(fù)載供能。動(dòng)力電池作為充電系統(tǒng)的負(fù)載，存儲(chǔ)由電源模塊整流后的電能。BMS 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)判斷動(dòng)力電池的情況，根據(jù)策略控制向充電樁發(fā)送需求，并在意外情況發(fā)生時(shí)緊急停止充電。

附圖為充電系統(tǒng)中簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)，實(shí)際大部分主機(jī)廠會(huì)對(duì)以上拓?fù)渥隽撕芏嘣鰷p。如會(huì)增加電池溫控系統(tǒng)、增加升壓系統(tǒng)、增加DCDC 轉(zhuǎn)換器，減少車端充電接觸器等。

3 充電系統(tǒng)新技術(shù)點(diǎn)

3.1 充電樁新技術(shù)點(diǎn)

直流充電樁也稱為非車載式充電器，簡(jiǎn)單描述其工作原理是通過(guò)PFC 整流再通過(guò)DCDC 調(diào)整電壓輸出。還有一種是通過(guò)電容實(shí)現(xiàn)，但此類充電樁由于售后維修成本高目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上基本不存在。

充電樁按照其布置類型可分為一體式和分體式。其主要區(qū)別是分體式在圖一拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加了功率分配模塊（PDU），使其能靈活調(diào)用主機(jī)內(nèi)的模塊數(shù)量再分配至對(duì)應(yīng)終端。分體式充電樁的終端由于體積小，造型靈活，整體成本低，已在市場(chǎng)上有大范圍應(yīng)用。隨著充電樁的輸出功率提高，模塊的數(shù)量也會(huì)增加，對(duì)應(yīng)PDU 的接觸器數(shù)量會(huì)給整個(gè)產(chǎn)品帶來(lái)沉重的成本壓力。根據(jù)圖2 可知接觸器的數(shù)量P=2nf，n 為模塊的數(shù)量，f為分體樁的數(shù)量。所以現(xiàn)在部分樁企會(huì)將模塊包裝成組或減少一極接觸器，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，如功率顆粒度增加，功率分配策略的復(fù)雜，兩極阻抗不等導(dǎo)致電橋法檢測(cè)絕緣異常等。

圖1 充電系統(tǒng)基本拓?fù)?/p>

圖2 分體式充電樁基本原理

直流充電樁的新技術(shù)方向之一還有冷卻化，包括模塊冷卻和線纜冷卻。這個(gè)技術(shù)嚴(yán)格來(lái)講不算新，在2015 年左右就已經(jīng)有企業(yè)做過(guò)技術(shù)預(yù)研，但直到2022 年才商用化。這其中原因有三。

原因一是在GB/T 18487.1-2015 中規(guī)定了充電電流不能大于250A，包括在GB/T 27930-2015 中在應(yīng)用層方面就決定了電池?zé)o法請(qǐng)求大電流充電。但隨著這幾年來(lái)新能源車的快速發(fā)展，大功率充電已成車企配置差異化的要點(diǎn)之一，在逼近IGBT 的耐壓后，提升充電電流就是勢(shì)在必行的路。根據(jù)歐姆定律，大電流充電最直接帶來(lái)的問(wèn)題是溫升，有數(shù)據(jù)表明使用風(fēng)冷的充電線纜在大電流充電時(shí)的溫升有20℃以上，而使用液冷的約只有9℃。

因此模塊及線纜液冷技術(shù)是如今充電樁企業(yè)密集探討的一個(gè)方向，相信在2022 年會(huì)迎來(lái)全面的增長(zhǎng)及鋪設(shè)。

充電樁近年才推動(dòng)冷卻化還有個(gè)原因是在2021 年以前，電池的充電倍率基本只能做到1.5C 以下。隨著811 電池問(wèn)世，電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的進(jìn)步，如今最高充電倍率已能嘗試至5C 甚至6C。以135Ah 的電芯舉例，6C理論上的最大充電電流能達(dá)到810A，根據(jù)焦耳定律，將線纜簡(jiǎn)單視為阻值約0.01Ω 等效電阻，則Q=IR=6.5kJ。這個(gè)量級(jí)決定了線纜使用液冷技術(shù)的必要性。在冷卻介質(zhì)上，誕生了了水冷以及油冷兩個(gè)方向。由于可靠性等原因，現(xiàn)在在大部分做液冷充電樁的樁企都使用了水冷作為介質(zhì)，但冷卻水的散熱能力在一定情況下不如油，因此在往后的發(fā)展中，冷卻油會(huì)成為充電樁發(fā)展的一個(gè)方向。

圖3 某品牌液冷充電線纜溫升測(cè)試

3.2 充電車新技術(shù)點(diǎn)

為了提升充電功率緩解車主里程焦慮，主機(jī)廠可通過(guò)提升充電電壓和充電電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中提升充電電壓會(huì)帶來(lái)無(wú)法滿充問(wèn)題。因?yàn)榍拔奶峒半娫茨K在開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)材料選型會(huì)按照一定耐壓標(biāo)準(zhǔn)，常見(jiàn)規(guī)格有500V，750V，1000V。當(dāng)車的需求電壓高于模塊設(shè)計(jì)極限時(shí)，模塊即無(wú)法工作。通俗舉例一臺(tái)設(shè)計(jì)滿充電壓800V 的車到設(shè)計(jì)最高輸出500V 的充電樁上充電，由于充電樁最高只能輸出500V，與電池電壓800V無(wú)法形成電勢(shì)差，而由于充電樁內(nèi)有防反二極管，電池內(nèi)的電無(wú)法反向流入充電樁，即會(huì)出現(xiàn)充電電流一直為0A 的情況。

因此部分車企為了解決此類問(wèn)題，會(huì)在電池和充電樁中搭載升壓模塊，這樣可令充電樁輸出電壓可通過(guò)“升壓模塊”升壓達(dá)到電池所需電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)充電功能。這個(gè)“升壓模塊”的器件可以有很多種形式，像通過(guò)電容或IGBT 來(lái)實(shí)現(xiàn)。IGBT 可以單獨(dú)做成DCDC，也可以利用電機(jī)電控內(nèi)的，后者能帶來(lái)減重及成本優(yōu)勢(shì)，因此更受歡迎。由于充電中整車不會(huì)驅(qū)動(dòng)，無(wú)法通過(guò)風(fēng)冷對(duì)電機(jī)內(nèi)的定子降溫，因此使用電機(jī)升壓需要對(duì)充電電流做一定限制，這點(diǎn)上不如DCDC 升壓。

圖4 升壓充電其中一種基本原理

通過(guò)上個(gè)章節(jié)可知增加升壓裝置會(huì)帶來(lái)充電效率的降低及補(bǔ)電時(shí)間的增加。首先說(shuō)下效率，如果是升壓裝置采用非隔離設(shè)計(jì)，主要效率損失為熱損失，因此整體效率較高。一些測(cè)試數(shù)據(jù)表明，以IGBT 為基礎(chǔ)的升壓裝置的效率大約有94%~97%，和普通變壓器效率相當(dāng)。即以一臺(tái)100kWh 的車舉例，車主如果在一個(gè)低電壓輸出的充電樁進(jìn)行充電，最多要為此多付出6kWh 的價(jià)錢，按普遍平時(shí)電價(jià)1 元/kWh 來(lái)算，也就是6 元錢，以此換來(lái)充電功能的正常實(shí)現(xiàn)，相信大部分車主還是愿意的。

再說(shuō)下時(shí)間，首先自2017 年后模塊廠家大部分的出貨都已是750V，2020 年后出貨的多為1000V，可以一般的認(rèn)為目前市場(chǎng)上低電壓輸出的充電樁都較為老舊，輸出功率都較低，如500V 的充電樁最高的輸出功率為60kW。因此只要升壓裝置的輸出功率能接近此目標(biāo)，在低電壓輸出的充電樁使用是否使用升壓裝置對(duì)充電時(shí)間將不會(huì)有太大差別。

圖5 中紅色框?yàn)樯龎撼潆姵潆娷嚩诵柙黾拥膭?dòng)作。

圖5 升壓充電控制變化差異

通訊控制方面無(wú)變化， 同GB/T18487.1-2015 中圖B1。

4 直流充電系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)解讀差異

充電通訊協(xié)議目前共有2011 版和2015版兩版，協(xié)議存在小量變化并且充電樁企和主機(jī)廠在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)解讀時(shí)存在差異，可能會(huì)導(dǎo)致充電失敗。以下提供2 個(gè)實(shí)際案例及對(duì)應(yīng)處理方法。

在部分使用2011 版充電通訊協(xié)議的充電樁上，由于沒(méi)有定義此報(bào)文，因此收到此報(bào)文時(shí)會(huì)判斷為異常信息停止。針對(duì)此類問(wèn)題，可在充電車準(zhǔn)備2 個(gè)版本的通訊協(xié)議，當(dāng)檢測(cè)到預(yù)充完成前由充電樁發(fā)起停止則下次啟動(dòng)充電切換為2011 版通訊協(xié)議。

案例2：在配置握手階段中，當(dāng)充電樁接收到車的最大電池電壓（BCP）高于充電樁的最高輸出（CML）時(shí)，判斷為無(wú)法滿足電壓需求即停止。針對(duì)此類問(wèn)題可選擇調(diào)整車最大電池電壓值，但會(huì)帶來(lái)第一級(jí)過(guò)壓保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)失效，應(yīng)討論使用。

4.2 產(chǎn)品系統(tǒng)匹配不足

隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善及磨合時(shí)間的提升，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)解讀導(dǎo)致的充電適應(yīng)性差的問(wèn)題已經(jīng)逐步在減少?，F(xiàn)常見(jiàn)的是在研發(fā)階段的單品測(cè)試中功能正常實(shí)現(xiàn)，但在充電樁和充電車這個(gè)系統(tǒng)匹配時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。此類問(wèn)題多數(shù)是在獨(dú)立的產(chǎn)品上，如同一設(shè)計(jì)狀態(tài)的樁或同一設(shè)計(jì)狀態(tài)的車。此類問(wèn)題需專門針對(duì)性的研究和解決，無(wú)泛用性解決方案。以下會(huì)試圖通過(guò)2 個(gè)例子說(shuō)明。案例1：A 車在A樁上充電啟動(dòng)30 秒后停止充電，但在B 樁上能正常充電。B 車在A 樁及 B 都能正常充電。在使用示波器采集母線電壓，發(fā)現(xiàn)A 車在A樁上的紋波電壓比B 樁高10 余伏特，導(dǎo)致充電無(wú)法準(zhǔn)確采樣電壓值進(jìn)而觸發(fā)保護(hù)停止。而且B 樁上可見(jiàn)主回路內(nèi)存有磁環(huán)。可有效減少其紋波值。后在A 車端母線處同樣加入磁環(huán)后問(wèn)題排除。

案例2：在分體式充電樁上1 號(hào)終端充電偶發(fā)性報(bào)絕緣故障。2-4 號(hào)終端未出現(xiàn)問(wèn)題。經(jīng)排查1 號(hào)終端報(bào)編緣故障時(shí)與車型無(wú)相互關(guān)系，但多槍同時(shí)充電有較高觸發(fā)概率。最終排查得知為絕緣檢測(cè)模塊有較大Y 電容，在多槍同時(shí)進(jìn)行充電1 號(hào)槍最后啟動(dòng)時(shí)會(huì)被動(dòng)降低絕緣阻值導(dǎo)致報(bào)絕緣故障。在更換絕緣檢測(cè)模塊后問(wèn)題排除。

4.3 由于外部因素引起

由于外部因素引起的因素有很多，但從發(fā)生概率上多數(shù)會(huì)出現(xiàn)在充電樁設(shè)備端。如電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致充電樁過(guò)壓、欠壓保護(hù)。充電樁接地不良，導(dǎo)致充電樁報(bào)接地故障等。此類問(wèn)題一般可通過(guò)設(shè)備上的故障指示燈得知，作為最基礎(chǔ)的排查手段。

5 結(jié)語(yǔ)

充電系統(tǒng)是個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)。原因在于兩個(gè)產(chǎn)品在研發(fā)階段屬于兩個(gè)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，所以在研發(fā)時(shí)多少偏重點(diǎn)都存有差異。受益于標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，如今雙方在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分考慮了兼容性，規(guī)避了很多問(wèn)題的發(fā)生。但對(duì)于部分內(nèi)容雙方可能存在不同解讀，最終導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)兼容性問(wèn)題。隨著新技術(shù)的應(yīng)用，更多的問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)，但這并非是個(gè)不可調(diào)和的矛盾，相信假以時(shí)日，充電兼容性會(huì)達(dá)到調(diào)和的階段，車主在選購(gòu)新能源車時(shí)已無(wú)此擔(dān)憂。