新型直流充電樁應用研究

鄔曉韜

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

我國環境污染的主要一個原因是汽車的尾氣排放。目前，中國許多城市，如石家莊、太原、上海、北京等地，已成為世界上污染最為嚴重的城市。到2016年為止，中國的汽車已經達到了將近2億多輛。我國的石油儲備量僅僅占全球的3%，但是石油的消耗率卻占到了世界的10%左右，出現了供不應求現象。由于我國經濟的不斷發展，石油問題已經成為被廣泛關注的問題。雖然目前所生產的燃油汽車給我們的日常生活提供了便利，但由此帶來的環境污染和能源短缺問題卻不容小覷。所以，針對目前我國的環境現狀，發展新能源汽車刻不容緩。

目前，電動汽車動力系統主要是大量的電池組構成的整體。相比于之前一直使用的燃料汽車，電動汽車的能量轉換效率更好，而且對環境所造成的污染是最低的。只有電動汽車行業迅速得到拓展，我國的能源安全以及環境問題才能夠得到有效保障，使得經濟得到進一步發展。大量應用電動汽車減少了對原本就供不應求的石油的依賴，并且對我國的環境治理也起到了一定的作用，電動汽車的發展對于新興產業的發展有著重大意義。截至2016年底，我國的電動汽車被大量應用，是我國電動汽車的上漲期，相比于上一年增長60%左右。相對而言，電動汽車的充電設備發展比較緩慢，這一現象對于電動汽車的發展而言是極大的絆腳石，因此，發展電動汽車充電基礎設施刻不容緩。目前，我國電動汽車的充電方式有兩種：

第一種充電方式是直流充電，被稱為“快充”。一般直流充電樁是對電動汽車進行直接充電，充電速度快，但是電動汽車的電池使用時長會受到限制，一般我國將直流充電樁建立在大型的充電站之中；第二種充電方式是交流充電，交流充電的模式一般被稱為“慢充”。交流充電樁采用這種方式給電動汽車充電器充電，它不提供任何電源輸出，只是作為一個控制開關。這種充電方式速度慢，而且對于特殊情況下想要充電的模式有一定的阻礙，但是電池組的使用時長受到了一定的保護，一般交流充電樁被應用于超市或者商城等大眾領域，更換電池比較方便，使用起來比較便利。該種方法盡管所花費的成本比較低，比較方便，但是更換電池比較麻煩，需要在指定的地方才能夠更換，并且只能更換特定型號車的電池，因此對于人們而言，不是特別的方便。目前，在國內充電樁行業，絕大多數充電樁產品依靠國家電網供電網作為充電電源，屬于單電源型。針對這種汽車充電的產品，還缺少不同電源之間能夠自動切換的新型光伏充電樁。所以，在對于上述問題的解決基礎之上，本項目將開發一種通用充電樁，可以跟上光伏能源產業的發展步伐，使其得到更廣泛的應用。因此，我們需要設計一種充電速度比較快，并且方便人們使用的新型直流充電樁，方便人類出行，減少環境污染，使其具有較大的科學實用性。

1 國內外發展現狀

1.1 國外研究發展情況

2009年至2013年，美國政府相繼頒布相關政策，提出了需要對電動汽車的充電設備進行迅速的發展與應用。政策頒布之后，五六年間，美國的充電樁數量已經達到31674個。為了方便用戶查詢周邊充電樁的編號、位置等詳細信息，美國的企業以及充電設備的運營商為用戶提供了以智能終端以及網絡為基礎的多種應用；日本特別注重對于新能源這一產業的發展與應用。2015年，日本的公共充電樁已經高達2萬多個，其中以交流充電樁為主，以直流充電樁為輔。日本將直流的充電樁大多放置在商城等公共場合，將交流的充電樁大多放置于停車場或者汽車零銷店內；為了使電動汽車迅速進入市場，德國也出臺了一項政策，宣布到2050年電動汽車將會在各個領域中應用。德國鼓勵電動汽車的充電裝置廣泛應用，并且為了推動電動汽車的應用與發展，德國政府投資3億歐元用于建造基礎的充電設施。

1.2 國內研究發展情況

在“十五”以及“十一五”這段時間里，中國曾經推出了很多種計劃推動新能源汽車的發展，大約投入了近20億元。2008年，第一臺電動汽車問世。同年，中國在北京奧運會建成了第一個充電樁。第二年，深圳已經將充電樁及充電站投入使用當中。一年后，南湖地區一個巨大的充電站被正式投入使用。到了2012年，我國也對相關電動汽車的標準規范進行了政策方面的支持、對其中涉及的系列問題出臺了相關政策。這為我國電動汽車巨大規模的應用提供了重要支持。2014年，國家電網在全國建設了5000多個充電樁以及200多個大型的充電樁。數據表明，到2015年底，我國的充電站已經將近4000個，公共的充電樁約5萬個。2016年初，我國“十三五”政策提出，在后面4年中，我國財政部門將會對于充電的基礎設施以及管理應用等方面進行資金的獎勵和補助，短短幾個月時間，我國的充電樁數目就高達近20萬個。

截至目前，交流的充電樁在已經建成的充電設備之中占領著主要的地位。但是到2016年，中國國際迅速充電站點在高速公路上服務的公里數還不到2公里，而且地區的分布極度不平衡，并不能滿足所有司機的要求。關于對直流交流方面的構建不僅僅與我國的政策有關，可能與我國制定的相關政策比較晚也有相關的原因。因此，我國建設能夠迅速充電的直流充電樁有巨大的意義。

2 充電樁充電的原理

交流充電，即“慢充”，在對電動汽車進行充電時，其充電樁僅僅只作為其控制的開關，并不對電源的輸出與輸入提供任何功能。直流充電，即“快充”，可以直接對電動汽車的充電組進行充電，是一種非車載的充電方式，其輸出的電流是可以調節的電流。而且電動汽車的直流充電樁需要滿足國標。一般而言，車載的充電機功率比較小，并且直流充電樁可以對外部輸出比較大的電流和電壓。所以，直流充電樁對電動汽車可以進行迅速的充電。

3 直流充電樁建設的現狀

3.1 建設的充電樁不夠現代化

由于需要對我國大概500萬輛的電動汽車進行維護并提供便利，因此根據各部門共同發布的《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015-2020）》要求，截至2020年需要建成500多萬個分布式充電樁。據統計，到2018年底，我國的充電樁數量達70多萬個，由于充電樁數目比較少，因此對于電動汽車的發展帶來了一定的限制作用。而且大眾的充電需求沒有辦法得到滿足，這在很大程度上束縛了大眾使用新能源電動汽車的需求，從而在電動車領域我國的經濟發展也受到了限制。

3.2 充電設備利用率不高

由于其充電時間比較長，會引起不便利的情況。加之其位置不太明確，因此充電不太方便，還有些情況是燃油車輛占據了電動汽車的位置，導致其資源的耗費，并且在車位上充電還會給用戶增加費用成本。還有些比較偏僻的村莊其高速路服務區充電設施的利用率并沒有得到改善。盡管有些地區出現了充電樁數量增加的情況，但卻忽視了充電樁的高效利用。

3.3 商業模式需要創新

新能源汽車的收費服務市場商業模式正逐步從傳統模式向多元化模式轉變。充電設施建成后的安全保護是一筆昂貴的費用。所以，我國非常有必要提高充電樁的服務水平以及管理水平，并對其進行應有的保護，減少設備之中投資者與運營商之間的投資回報時間，減少投資風險。

4 直流充電樁的技術分析

4.1 均衡充電技術

一般電動汽車的電池組均是由幾個單體的電池所構成。直流的充電系統在充電過程中，電池不會充滿電。實際研究表明，單體電池使用后的容量變化曲線可以得出如下結論：隨著使用年限的增加，電池組所剩余的體積容量更小，使用的性能也會降低，因此為了預防不平衡的現象發生，需要在使用電池組充電時注意均衡性，從而使得電池的使用時間更長。一般的均衡系統結構有三種：集中均衡、獨立均衡和分布均衡。分布式雙向均衡系統，集中與獨立相結合，會改進傳統變頻器的均衡方式，提高自動化程度，使均衡的應用更加高效、靈活、方便，并且系統可以根據單個電池的數量來確定均衡執行單元的個數，具有很強的可擴展性。其中很多技術對于充電樁的使用具有保護作用，比如無線充電技術以及對于電池進行更換的技術等。其可以對電池的充電進行保護，并且實現了一定的便利作用，使得其應用前景更加廣泛。

4.2 雙向充電技術

一般情況下，雙向的充電技術對于汽車的蓄電池或者電網間互相傳輸有一定的作用。使用雙向的變換器就可以在短時間之內將瞬時功率較快地吸收到比較大的容器之中，而且能夠在負載需要的瞬時功率之中，將瞬時功率提供給負載，從而降低對于電網的影響。截至目前，雙向變換器的主要研究有兩個重點：拓撲結構的改進、控制策略的研究。

4.3 無線充電技術

無線充電技術主要是采用電磁場作為中間媒介從而達到電能之間互相傳輸的，提高汽車對于電池的充電效率。相比于電動汽車的有線充電，無線充電比較方便，而且操作簡單，危險系數低，但是其存在的缺點是成本比較高，并且無線充電對于環境會造成一定的污染。

東南大學開發的電磁耦合共振技術可以縮短無線傳輸距離，這也是國內唯一能實現0.5m以上千瓦級無線電功率傳輸的研究成果。

4.4 電池性能

電池的使用時長是我們一直關注的重點問題。其中電池分為能量互相轉換的電池和儲存的電池。為了在電池的技術及材料方面取得一定的突破，提升電池的密度以及進行迅速充電是極為重要的手段之一。

4.5 5G技術

由于社會以及通信領域的快速發展，5G時代已經到來，提供充電服務的服務區利用大量先進技術如5G技術，使該行業得到極大的發展。

5 相關政策及采取措施

相關部門對于新能源汽車的財政方面進行了進一步的改變，將在一定的條件下，減少對其投資與補貼。到2020年，購買補貼將全部收回，用于支持充電設施的建設和運營。補貼將從購車端轉移到用戶端，加強對消費者使用的政策支持。一是為了使充電設備有秩序安放，并且有一定的管理規范。對于商場、停車場等地方需要按照相關的人流量及車流量建設充電樁，并且積極發動物業公司在小區安裝充電設備，對于充電設備的購置安裝提供一定的補助。樁基施工完成后，經有關部門驗收合格，對符合條件的給予補助。二是鼓勵新能源汽車充電設施服務經營者積極投入使用充電樁。財政根據其年度經營能力，根據實際收費情況給予適當的獎勵和補貼，降低服務經營者的實際經營成本。三是出臺收費價格政策，有針對性地調整服務收費標準，按照政府提供的價格收取費用，禁止亂收費的現象發生，并且對收費設置最高上限，制定嚴格的收費標準。堅持保護環境的理念，培養建設充電樁的思想，并積極投身到該事業中去。依靠智能化電網，可以對電動汽車以及電網之間實行雙向的用電轉換，降低電動汽車充電給電網帶來的壓力和波動。電動汽車作為儲能設備，按照分時電價向電網供電，獲取相關成本。

6 結束語

隨著社會的發展與進步，國家政策的進一步出臺，為了形成環境保護、綠色環保的安全意識，需要在城市建設電動汽車充電樁。綠色環保的充電樁建設節省了人工的成本問題，還大大減輕了資源壓力。本文分析介紹了直流、交流充電樁的原理，并且對于其總體方案的設計進行了介紹，并將直流充電樁嵌入式控制系統分為三個系統，將各系統的具體功能進行了展開分析與討論。目前，沒有針對城市的專用電源，對于汽車的充電問題，還缺少對于不同電源之間如何進行自由切換的研究。所以，在上述問題的基礎之上，本文將通過對于充電樁的原理應用，將其廣泛地進行推廣。在未來，充電樁將與智能化的各個設備相互聯系，息息相關，智能化的電動汽車充電站將會迎來高清潔、低成本、低耗費的信息網絡時代。基于此，將會吸引一大批消費者投資者前來使用，從而提高充電樁的使用率以及促進其迅速發展，并且使得新能源電動汽車得到廣泛的應用。