在国家能源局发布的直流充电桩相关的行业标准《NB/T 33001-2010:电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中指出,
直流充电桩基本构成包括:功率单元、控制单元、计量单元、充电接口、供电接口及人机交互界面等。功率单元是指直流充电模块,控制单元是指充电桩控制器。直流充电桩本身作为一种系统集成产品,除了 “直流充电模块”和“充电桩控制器”这两个组件构成了技术核心之外,结构设计也是整桩可靠性设计的关键点之一。“充电桩控制器”属于嵌入式硬件和软件技术范畴,“直流充电模块”则代表了电力电子技术在AC/DC领域的最高成就。
充电的基本过程是:在电池两端加载直流电压,以恒定大电流对电池充电,电池的电压渐渐地缓慢地上升,上升到一定程度,电池电压达到标称值,SoC达到95%(针对不同电池,不一样)以上,继续以恒压小电流对电池充电。“电压上去了,但电量没有充满,就是没有充实,如果有时间,可以改用小电流充实”。为了实现这个充电过程,充电桩在功能上就需要有“直流充电模块”提供直流电源;需要有“充电桩控制器”控制充电模块的“开机、关机、输出电压、输出电流”;需要有“触摸屏”作为人机界面下发指令,通过控制器将“开机、关机、输出电压、输出电流”等指令下发给充电模块。从电气层面理解的最简充电桩只要有充电模块,控制板和触摸屏就可以了; 如果开机、关机和输出电压]输出电流等指令在充电模块上做成几个键盘,那么一个充电模块就可以对电池充电了。
直流充电桩的电气部分由主回路和二次回路组成。主回路的输入是三相交流电,经过输入断路器、交流智能电能表之后由充电模块(整流模块)将三相交流电转换为电池可以接受的直流电,再连接熔断器和充电枪,给电动汽车充电。二次回路由充电桩控制器、读卡器、显示屏、直流电表等组成。二次回路还提供“启停”控制与“急停”操作;信号灯提供“待机”、“充电”与“充满”状态指示;显示屏作为人机交互设备则提供刷卡、充电方式设置与启停控制操作。
关于直流充电桩的电气原理,总结如下:
1.单个的充电模块目前只有15kW,不能满足功率要求,需要多个充电模块并联在一起工作,需要有CAN总线来实现多个模块的均流;
2.充电模块的输入来自电网,是大功率供电,涉及到电网和人身安全,特别是人身安全,需要在输入端安装空气开关(学名是“塑壳断路器”),防雷开关甚至漏电开关;
3.充电桩的输出是高压、大电流,电池是电化学品,容易爆炸,要防止误操作的安全问题,输出要有熔断器;
4.安全问题是最高优先级的,除了有输入端的措施之外,机械锁和电子锁是一定要有的,绝缘检测是一定要有的,泄放电阻是一定要有的;
5.电池是否接受充电,这不是由充电桩决定的,是由电池的大脑、BMS决定的。BMS下发“是否允许充电,是否终止充电,可以接受多大电压,多大电流充电”的指令给控制器,控制器再下发给充电模块。因此,需要有实现控制器和BMS之间的CAN通信,控制器和充电模块之间的CAN通信;
6.充电桩还要接受监控管理,控制器需要通过WiFi或3G/4G等网络通讯模块和后台连接;
7.充电的电费不是免费的,需要安装电表,需要读卡器实现计费功能;
8.充电桩壳体上需要有一目了然的指示灯,通常是三个指示灯,分别表示充电、故障和电源;
9.直流充电桩的风道设计是关键。风道设计除了结构上的学问,需要在充电桩里面安装有风扇,虽然每个充电模块里面都有风扇。
考虑到上述细节,直流充电桩作为一个系统是比较复杂的。