大功率汽车充电设备设计研究

大功率汽车充电设备设计研究

陈秋红

珠海泰坦科技股份有限公司     广东珠海     519000

摘要：随着新能源电动汽车的不断发展和进步，当前对于充电设备提出了更高的要求，小功率充电设备无法满足当前新能源汽车充电的需求，因此为了解决新能源电动汽车存在的充电问题，本文以大功率汽车充电设备为案例，对其设计进行研究，并分析电动汽车充电设备应用现状，提出强化电动汽车充电设备设计的理念，以此满足新能源电动汽车对于充电的需求，保证新能源电动汽车运行的稳定性。

关键词：电动汽车；大功率；充电设备；设计

引言：现阶段，在国家双碳战略指引下，新能源汽车成为当前发展和推广研究的重点对象，其被广泛应用于交通运输中，比如说私家车、公共交通、工程车以及物流车等。对于新能源汽车来说，其在运行使用过程中，目前普遍反馈充电效果体验感不好。因此工程技术人员需要不断加强充电设备的设计与研究，为新能源汽车运行提供保驾护航。但是从当前发展建设的实际情况来看，市面主要以小功率汽车充电设备为主。针对此情况，技术人员提出了大功率汽车充电设备桩（岛）的设计思路，以此满足新能源汽车的需求。

一、大功率汽车充电设备分析

现阶段，为了进一步满足电动汽车对于充电的需求，设计人员加强了大功率汽车充电设备的设计，并将其应用于实际应用之中。大功率汽车充电设备一般指单套设备充电容量超过300kW，常规有480kW、600kW、800kW等。大功率充电设备一般由独立安装的充电岛、根据充电容量布置安装4个以上双口充电桩，每个充电桩配置1-2个充电枪构成。如图1所示。

图1 大功率汽车充电设备

对于大功率汽车充电设备的主机，一般选用模块化的整流变换装置（简称整流模块），然后由多台整流模块并列输出到充电母线。不同厂家提供的整流模块其容量不一样，目前单台模块的容量有20kW、30kW、40kW、60kW等系列。通常情况下来讲，在进行设计的过程中，需要在主机上设计多个大功率（总容量≥300kW/h）AC/DC的充电模块，并在直流充电桩上配置不同功率的符合国家标准的直流充电枪，以此满足当前汽车充电的需求。对于大功率充电设备在设计的过程中，可以根据不同客户需求和不同新能源汽车充电要求设计3种不同的充电模式，包括双枪快速充电、单枪快速充电以及四枪以上均分充电，以此满足不同的情况下电动汽车对于充电的需求[1]。

二、电动汽车充电设备应用现状分析

根据研究调查显示，我国在实际进行建设的过程中，电动汽车的充电设备有两种充电模式，一种为交流充电，一种为直流充电，为电动汽车提供动力支持。为了进一步推动我国汽车的发展与进步，保证充电设备满足电动汽车的运行需求，相关工作人员以充电接口以及通信协议系列标准为基础，对电动汽车的充电设备进行了深入的研究与分析，并总结充电设备的应用现状，具体如表1所示。

表1 充电设备应用现状

对表1进行深入的研究与分析，通过交流充电方式进行充电，其电流相对来说比较小，更适合应用于家庭、小区等私人充电车位，而对于公共充电站来说，小功率无法满足要求时，需要的功率相对来说比较大，因此在进行设计的过程中，主要以直流充电方式为主，当前在进行发展建设的过程中，需要不断强化≥300kW/h大功率充电设备，提高充电机的利用率，支持多种类车辆的充电需求，适合应用于城市公共充电站、高速公路服务区充电站等。

三、大功率汽车充电设备设计

（一）充电系统结构

对于大功率汽车充电设备来说，能源供给系统是其中最为重要的一项内容，其主要由供电系统、充电系统、功率分配单元、人机交互界面、计费系统以及充电枪共同组成。同时，设计人员在实际进行设计的过程中，考虑到整体运行的安全性与稳定性，避免发生安全事故，设计时，在整体系统内增设充电监控、电池管理、排风降温系统以及烟雾报警监控系统等，及时明确当前运行状态以及存在的故障问题[2]。在进行设计的过程中，设计人员将充电设备的输入额定线电压设计为380V、50Hz的三相交流电，并将输出电压设计为DC200V~1000V，输出电流设计为250~600A。充电机输出功率可按需求进行功率分配，利用充电功率智能分配技术和柔性充电技术，动态调整输出电流，以最佳电流和电压进行充电，精准匹配各种电动汽车充电需求，最大限度的提高充电核心设备的利用率，解决以往充电设备利用率低、充电速度慢等问题。在实际开展设计的过程中，需要保证满足国家规定与标准。且在进行设计的过程中，需要保证整体结构的紧凑型，并保证布局的合理性，同时还需要保证充电设备外形的美观性，与城市化发展统一。在进行设计的过程中，还需要考虑到后续维修与改造，保证方便检修，并将相应的电源进线以及汇流排设置在底部区域。

（二）电路拓扑结构设计

在实际开展设计的过程中，需要根据设计的实际情况明确充电设备的重点功能模块。设计一般选用AC/DC变换器，同时也会应用DC/DC变换器，二者共同组成，以此保证满足电动汽车对于充电的需求。对于电路拓扑结构来说，可以将其看作一种能量传递单元，其是保证大功率汽车充电设备运行可靠性的关键，在进行设计的过程中，需要保证运行效率，以此保证整体大功率汽车充电设备运行的稳定性。因此，在实际进行设计的过程中，需要保证满足功率传递的需求，以此保证电路拓扑结构的科学性以及合理性，保证后续运行的稳定性以及安全性。当前较为常用的电路拓扑架构为隔离型以及非隔离型，在整体设计的过程中可以采用半桥变换的方式，采用此种方式主要是因为其输出功率相对来说比较高，整体结构较为简单，且开关器件相对来说比较小，建设成本比较低，同时此种结构在实际运行的过程中，其可以抵抗出现磁通出现的不平衡的情况。

（三）硬件总结构设计

电动汽车在实际进行充电的过程中，主要以大功率汽车充电设备为主，在进行设计的过程中，需要保证整体的科学性以及合理性。在实际开展设计的过程中，最为重要的一项内容就是硬件总结构设计，其是保证大功率充电设备顺利运行的关键，以此为电动车提供充足的电力资源。同时在实际开展设计的过程中，设计人员还需要对其设计方法进行完善与优化，以此保证硬件系统运行的规范性以及有效性。在实际开展设计工作的过程中，需要考虑整体构成以及后续运行的情况，具体设计为：（1）交流输入：此部分在实际进行设计的过程中，选择380V、50Hz的市电，并明确电路拓扑结构，以此保证整体运行的规范性以及有效性；（2）充电对象：在实际开展系统设计的过程中，还需要明确充电对象，以此为基础保证后续设计与施工建设的有效进行；（3）驱动电路：在实际开展设计的过程中，可以采用Vienna型三相PFC电路，将其作为充电机的AC/DC变换电路，且在进行设计的过程中，设计人员还需要考虑整体AC/DC电路的逻辑关系，以此保证整体性能的稳定性，以此保证充电的有效性，为电动汽车提供充足的电力资源；（4）采样电路：对于采样电路来说，其主要是负责采集充电电池的电压以及电流信息的目的；（5）控制电路：此时在进行设计的过程中，需要明确其控制芯片，形成完整的内部结构，其内部结构主要由电压调节器、乘法器、电流调节器以及PWM发生器等设备共同组成。（6）人机交互界面：在实际开展设计的过程中，其负责对整体系统进行监控，包括电池电压、充电电流、温度以及电池电量等内容。

（四）大功率充电设备散热设计

早期的直流快充桩散热结构主要采用自然风冷、强制风冷等方式，通过在充电桩外壳上设置散热片或散热孔，或者内置风扇，加速热量散发，同时需要将其与人机交互界面进行连接，明确当前充电设备运行的实际情况，实现自动启停的目的，避免出现充电设备温度过热停运的情况。然而，这些方式在高温环境或高功率充电时效果并不理想，容易导致充电桩内温度过热，还会产生噪音和能耗。近年为了提高大功率充电机充电设备有效散热和寿命，采用液冷散热系统，通过在充电桩配置液冷充电模块、冷却装置以及冷却管道、冷却介质，该方式通过循环流动的冷却液将热量带走，具有更高的散热效率，能够满足高功率充电的需求，将充电机内噪音控制在60dB以内，但也增加了充电桩的成本和复杂性，因此在实际进行设计的过程中，需要进行综合性考量，主要包括社会效益以及运行的经济效益。

结语：综上所述，在实际开展交通运行的过程中，新能源电动汽车在其中发挥着重要的作用和价值，其中充电设备是最为重要的一项内容，其主要是为新能源电动汽车提供能源与保障。为了保证新能源电动汽车的运行需求，需要强化大功率汽车充电设备设计，尤其是针对充电系统结构、电路拓扑结构以及AC/DC电路控制进行设计，以此保证整体结构设计的科学性以及合理性，保证运行的安全性以及稳定性，同时也可以避免出现安全事故的概率。

参考文献：

[1]刘岿,潘景辉,吕国伟,等.不同散热方式对大功率汽车充电设备的影响分析[J].环境技术,2023,41(11):171-176.

[2]肖应伟."双碳"理念下的新能源汽车充电产品造型设计研究[J].艺术与设计:理论版, 2023(5):112-114.