直流充電樁電氣系統設計研究

賴德立

（廣東順德電力設計院有限公司，廣東 佛山 528000）

隨著我國經濟的快速發展，我國汽車產業得到了迅猛發展，而在能源短缺及環境污染嚴重的背景下，新能源電動汽車以其低碳環保等優勢，成為當前汽車行業發展的重要方向。其中，直流充電樁作為電動汽車的重要基礎設施，得到了普及和應用，對其電氣系統設計展開研究具有十分重要的意義。

1 充電樁電氣系統的總體設計

充電樁是電動汽車的能量補給站，它的作用和重要性顯而易見，它決定了電動汽車電能補給的時間與質量。人們對電動汽車的顧慮主要是充電樁的數量不足以及充電所花費的時間過長。如果充電樁的數量少，或者電動汽車充電時間過久，會造成電動汽車的行程受到制約，也降低了電動汽車的使用效率，所以，充電樁的研發就成為了一個十分迫切的問題。對于我國而言，在政府和市場的引導下，已經開始在全國范圍內大規模地建造電動汽車充電站，作為電動汽車充電站最為重要的組成部分——充電樁，它決定著電動汽車充電的質量與效率。

2 直流充電模塊設計

2.1 太陽能電池板

把一定數量的太陽能電池片組合在一起，采用并聯或串聯等不同的組合方式，構成了太陽能電池板，一般電池片的大小和功率有多晶156 mm×156 mm，功率為3.3～4.0 W；單晶156 mm×156 mm，功率為4.0～4.5 W；單晶125 mm×125 mm，功率為2.5～2.8 W。

一般情況下，1 m2的電池板通常是由36片、54片、60片、72片或96片的電池片串聯構成，單片的電壓通常在0.5 V左右，所以對應的電壓即在18 V、27 V、30 V、36 V、48 V左右。

由于太陽能電池板不能存儲電能，因此，必須把它所發的電能存儲起來，儲能的裝置一般采用鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池與鋰電池，由于鋰電池性能良好，所以，本文采用鋰電池作為太陽能電池板的儲存能源，文中單個電池板輸出的電壓（即鋰電池輸出的電壓）為DC48 V。

2.2 電路的設計及仿真

單個電池板輸出的電壓為DC48 V，把9個太陽能電池板所配備的鋰電池通過串聯的方式組合成一個電壓為432 V的新電池組，作為充電樁的供電電源，并設計充電樁的直流充電模塊，使之對電動汽車進行直流充電，設計的直流充電模塊的電路見圖1。

在圖2中的降壓斬波電路中，E是432 V的直流電源，V是IGBT，VD是電力二極管，L是5 mH的電感（串接電感，可以使電流持續且脈動較小），R是等效電阻，10 Ω，蓄電池充電時，電路將產生反電動勢Em，設Em為10 V。

3 整流電路的設計

當天氣變差或在夜間無太陽能可用時，即太陽能電池板所發電量不足時，檢測裝置檢測到后，則接通三相交流電，使三相交流電作為供電電源向充電樁供電。圖2中的三相整流電路一次側接入的是380 V的三相交流電U1，經變壓器變壓，二次側變為有效值171 V的U2，在通過整流電路整流之后，隨即得到了Ud，Ud=400 V，使其作為直流電源對電動汽車進行直流充電。

4 逆變電路設計

4.1 V2G技術簡介

太陽能電池板發電，將為其儲能的鋰電池充電完畢后，如果此時沒有電動汽車充電，充電樁則將通過逆變電路把儲存的直流電逆變成交流電反饋給電網。眾所周知，我國的電動汽車多，配套的充電樁數量不足，所以這種情形比較少。電動汽車的電池可看成是一個可以移動的蓄電池，根據V2G技術的理念，在空閑時間里把電動汽車多余的電量在電網用電高峰期反饋給電網，采用削峰填谷的方法，既能緩解電網的用電高峰，又能給車主帶來一定的收益。其中，V2G技術是指能量在電動汽車與電網之間雙向流動，既能通過整流技術從電網中獲取電能，又能利用逆變技術在電網不穩定時向電網反送電。前面已經把充電樁通過三相整流技術從電網中獲取電能做了介紹，下面則對電動汽車的電能反饋給電網的過程進行簡單的介紹。

4.2 逆變電路及仿真波形

單相全橋逆變電路中，R=10 Ω，L=5 mH，C=4700 pF，IGBTV1、IGBTV2、IGBTV3、IGBTV4的柵極觸發信號都是180°反偏、180°正偏，其中V1，V3分別與V2，V4的柵極觸發信號互補，并且V3，V4的柵極觸發信號分別比V1，V2滯后θ（89.13°），計算過程如下，即V1，V2的柵極觸發信號分別比V3、V4的柵極觸發信號前移180°～θ（90.87°）。

在0時刻給V1和V4觸發信號，在0～t1（t1=24.76 μs）之間，V1和V4導通，逆變電路輸出電壓是Uo=Ud=400 V。在t1時刻給V3和V4相反的觸發信號，使得在柵極反向觸發信號的作用下V4截止，但在電路中電感電流io不能發生突變，所以在t1時刻V3不能立即導通，電流流過二極管VD3形成通路。在t1時刻，V1與VD3一起導通，因此，電路的輸出電壓為0 V。在t2=50 μs時，向V1、V2分別施加相反的觸發信號，V1在接收到反向觸發信號時截止，因為反向電流的作用下，使得V2不能立即導通，電流通過電力二極管VD2進行續流，和續流的電力二極管VD3構成電流通道，此時電路的輸出電壓Uo=-Ud=-400 V。電流在電感L（電感L將儲存的電能釋放出來）的作用下連續，在電流減少至0時，電流的方向立即改變成反向，在反向電流的作用下，二極管VD2、VD3在此時截止，而V2、V3則開始導通，電路的輸出電壓仍是Uo=-Ud=-400 V。在t3（t3=74.76 μs）時刻再次給V3和V4相反的觸發信號，在柵極反向觸發信號的作用下V3截止，因為反向電流的作用，使得V4不能立即導通，電流流過二極管VD4形成通路，所以，電路的輸出電壓為0.在t4（t4=100 μs）時刻給V1和V4觸發信號，逆變電路輸出電壓是Uo=Ud=400 V，之后以0～t4為周期，重復以上過程。上面所敘述的是電動汽車在不使用時，將電池所儲存的電能通過逆變電路逆變為220 V、50 Hz的正弦交流電，并將其反饋給電網的過程。如果太陽能發電使其儲能的鋰電池充電完成后，卻沒有電動汽車去充電，可通過直流降壓斬波電路將鋰電池的電壓降至400 V，再接入上述的單相全橋逆變電路，逆變為50 Hz、220 V的交流電，反饋給電網。

5 結束語

綜上所述，直流充電樁是充電基礎設施的重要組成部分，能夠實現對電動汽車的快速充電，確保其電氣系統設計的可靠性十分重要。因此，在直流充電樁設計中，必須要選擇先進的技術，設計功能齊全、安全可靠的電氣系統，從而確保直流充電樁的使用性能及安全性能。

［1］ 張奇志.直流充電樁的基本工作原理及技術發展趨勢［J］.電子產品世界，2017，24（10）：63-66.

［2］ 白磊成.電動汽車直流充電樁的設計與研究［J］.科技視界，2016（12）：290-291.