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从通信电源看电动汽车充电桩设计的优化

来源:武汉晶凯源科技有      发布时间:2016-08-05     

近年来,我国新能源汽车生产销售快速增长,中央、地方各项扶持政策的协同效果得以充分发展。私人消费市场升温,市场上的新能源车辆性能日趋成熟,产品种类、数量日益增加,尤其在最近呈现近乎井喷的发展趋势。数据显示,2015年上半年,我国新能源汽车生产76223辆,销售72711辆,同比增长分别为2.5和2.4倍,且已经超过去年全年总和;上半年,中国新能源汽车销量超过美国,成为全球新能源汽车第一大市场。

  随着保有量的增加,之前未能引起重视的问题也开始逐渐显现,近期新能源汽车暴露出了越来越多的隐患。7月23日,由于电池老化超负荷,厦门东渡南通道公交场站内公交车起火,造成8辆公交车被烧毁、3辆公交车被烧坏、一人死亡的悲剧;4月26日,深圳湾口岸中国普天力能加电站,一辆大巴起火,调查报告显示是由于电池过充引起;14年6月26日,正是上班高峰,合肥市一辆电动公交车在行驶中突然起火,所幸未造成人员伤亡。

  目前,新能源汽车正处于发展的关键时期,其安全问题不仅涉及到人民群众的生命财产安全,也关系到战略性新兴产业的发展大局。工信部近期发文严查新能源汽车安全隐患,旨在从产品设计、制造生产、运行使用、回收报废等环节层层把关,以确保新能源汽车安全运行与健康发展。

  作为新能源从业者,我们不能只考虑自身利益,国家政策扶持就一窝蜂的扑上,政策消失了又作鸟兽散。既然身居此位,我们理应未雨绸缪,借鉴其他成熟领域经验,从每个环节入手,举一反三、排除隐患,为新能源汽车行业发展做出自己的贡献。

  言归正传,笔者在电力电子领域尤其是通信行业摸爬滚打多年,最近也在持续关注新能源汽车,发现目前快速发展的电动汽车充电桩与通信行业应用了近20年的开关电源系统有诸多相似之处,但是由于充电桩相关国家标准尚未出台,且应用甚少,一些问题还尚未显现,我们可以借助通信电源的成熟经验使充电桩少走技术上的弯路。

  直流充电桩与通信开关电源的核心原理都是AC转DC,核心器件都是高频开关整流器,简称整流模块。两个系统组成均包含结构件、交流配电、整流模块、监控模块、防雷组件、直流配电等,此外直流充电桩还要考虑绝缘检测问题。从应用上看,直流充电桩作用是为电动汽车电池充电,相当于通信开关电源工作的一部分——基站后备蓄电池充电。两者有以下几点不同之处:

  1.从工作时间上看,开关电源需要24小时不间断工作;直流充电桩只需要在充电时工作,现阶段的利用率不足50%甚至更少。

  2.从带载率上看,开关电源绝大部分时间仅在40%——60%,只有在电池均充时带载率短暂达到80%,系统存在冗余备份;直流充电桩绝大部分时间超过60%,甚至超过90%,系统没有冗余。

  3.从输出电压看,开关电源额定输出为48V,且绝大部分时间都在此等级工作,极少变化;直流充电桩随着充电过程的进行电压不断升高,输出电压从300V—700V不等,不断变化。

  4.从工作环境看,无论是用在宏基站、数据中心内还是被置于户外机柜中,开关电源工作于无尘、恒温恒湿的极佳环境中,温湿度由空调保障;相比之下直流充电桩环境要恶劣得多,绝大部分暴露在室外,粉尘、温度、湿度都没有太好的保障。

  5.从系统组成看,一套开关电源系统模块数量在10-30个不等,基站电源以12个模块(600A系统,单个模块50A)居多,数据中心内分立式电源15——30不等(依负载容量1500A——4000A,单个模块100A);单套充电桩系统模块数量在2——24不等(目前应用最广泛的60KW系统绝大部分为4个模块)。

  通过以上几点不难看出,直流充电桩高功率输出时间长,且工作环境恶劣,因此充电桩系统优化工作的第一步——提高系统整体稳定性要从这两方面着手。

  其次,从直流充电桩的使用过程看,直流桩要根据车载BMS的指令来决定输出电流、电压,而BMS的指令通常是先恒流、再恒压,从实际应用角度,满功率输出范围越宽,充电越快,这也是充电桩运营商和车主希望看到的。

  综上,对充电桩系统的设计优化,笔者从几个方面提出个人想法。

  一是模块功率的选择,借鉴通信电源成熟经验,单系统模块选择在10个左右或以上是比较合理的做法,系统可用模块数量多,单模块失效对整体影响不大,系统整体可用性必然高,也可以效仿通信电源在设计之初即考虑冗余。

  系统可用性提高,车主层面不需要承担因为系统可用性降低带来的充电时间延长的风险,充电桩运营商也不需要承受系统故障带来的经济损失,维护人员也不需要极速响应,可谓一举夺得。

  最重要的是,目前整个充电桩市场处于高速发展阶段,厂家鱼龙混杂、技术参差不齐:某知名充电桩企业,模块来料合格率不足95%;某知名厂商模块故障率高达40%以上。这种情况对模块数量少的系统更是灭顶之灾,因此,对于系统模块数量的定义需要重新审视。

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