直流充电桩⼯作原理及常见故障分析和趋势⼀、充电桩的分类
充电桩分为交流充电桩和直流充电桩。前者俗称“慢充”，后者俗称“快充”。
充电交流充电桩通过电动汽车内置的“车载充电机”将电⽹的交流电转换为直流电后对电池充电。
模块电源是什么意思车载充电机（OBC：On Board Charger）⽬前国内市场主要有两种功率⼤⼩：3.3kW（输⼊：220VAC/16A，输出：200V-420VDC / 10A）和6.6kW（输⼊：220VAC/32A，输出：200-
420V/20A ）。输出电流⼩，充电速度慢，所以被称为“慢充”。交流充电桩根据其匹配车载充电
机功率不同相应有3.3kW和6.6kW之分。直流充电桩内置⼤功率直流充电模块，充电桩本⾝将电
⽹的交流电转换为直流电，输出电流可以⾼达100A以上，所以被称为“快充”。
直流充电桩可以从功率⼤⼩、充电的多少、结构形式、安装⽅式等不同维度进⾏分类。其
中，按结构形式⽐较主流的分类是将直流充电桩分为两种：⼀体式直流充电桩和分体式直流充
电桩。
⼆、直流充电桩的基本⼯作原理
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，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。
图3给出某单直流充电桩更详细的电⽓原理框图的主回路电⽓原理图作为设计参考。
三、直流充电桩的技术发展趋势
关于直流充电桩的技术发展趋势，有5个⽅向值得关注：
1.超⼤功率充电堆-功率动态分配-柔性充电
纯电动公交充电站集中停放、运营路线充电的特点决定了其充电解决⽅案可能朝超⼤功率充电堆的⽅向
演进。纯电动出租车和物流车甚⾄也可能朝这个⽅向演进。30KW充电模块需求变得急迫，其主要推动⼒就是充电堆的需求正变得急迫。
功率动态分配最先是某公司提出来的，每两个模块后⾯⽤⼀个功率继电器，可以把这两个模块投在左也可以投在右使⽤；后来另外⼀家公司提出新的名词柔性充电，需要⼤功率充，电流很⼤的时候，将其它模块投过来使⽤，⼩车来的时候可以分开使⽤，这样做是有⼀定的道理;
柔性在电⽹中有加⼤功率这样⼀层意思在⾥⾯，所以提出柔性充电概念也说的过去。不同叫法，实际上是同⼀意思。
对于180kW及以下的直流充电桩，谈功率动态分配和柔性充电是个伪需求，甚⾄分体式的意义都不⼤，但是双轮充和均充也许有点实际意义。
充电堆的应⽤场景是，可以根据当前待充电车辆数量来⾃动分配给每个车多⼤功率。这样确保将充电模块的功率⽤到极致，在车辆不多的时候，每辆车被分配的功率很⼤，可以更快速地充满。这种应⽤就需要更多的继电器切换充电模块的功率流向，这会增加⼀些硬件成本，可靠性难度也增加了⼀些，当然，也需要对充电控制器的软件进⾏升级。
2.社区停车场环⾏智能充电
所谓环⾏智能充电，这是个很时髦的概念。具体应⽤场景是：在⼀个社区停车场停放了很多电动汽车，中央处理单元主动地巡回检测每台车的电池电量，在夜间⾃动地轮流将每台车充满。这其实也是⼀种柔性充电，也需要在社区停车场安装超级充电堆。这种做法的好处是：⽐交流充电的效率更⾼，⽐安装若
⼲个直流充电桩，车主排队等待直流充电的灵活性⼤，成本也低很多。
3.家⽤型壁挂式充电桩进家⽤电器
也许我们可以更加乐观，在解决了电⼒配送之后，就是将来有能⼒将中国过量的电⼒供应输送到每个居民⼩区的时候，消费者为了追求更快速的充电体验，个⼈可以⾃主决定是安装直流充电桩还是交流充电桩，直流充电桩将做得像家电产品⼀样⼩巧、漂亮。壁挂式直流充电桩将是⼀种刚需。这种产品的销售模式就像卖电热器这类商品⼀样，在商场⾥⾯卖，在JD，TMALL上⾯卖。这种像家电⼀样的产品将去掉直流充电桩组成中⼀些不太紧要的部件，将充电控制器和触摸屏功能做到⼀个充电模块⼤⼩的外壳⾥⾯，但模具会做得很精致。随着电⼒电⼦技术的进步，充电模块功率密度越来⾼，这个趋势将成为可能。
4.“光充储”充放电⼀体化
光伏、充电、储能三者组合在⼀起的概念已经有了具体的产品，就是PowerWall，将来PowerWall进⼀步发展，构成新型充电站形态，电能在光伏电池板、电动汽车、电⽹、储能电池四者之间⾃由地流动。直流充电桩既可以由电⽹提供电能给电动汽车充电，也可由光伏电池板提供，还可以由储能电池提供。储能电池，电池汽车电池和光伏电池板的电能也可以卖给电⽹。
5.共享充电、免费充电
如果以互联⽹的共享思维来思考未来，任何个⼈安装的充电桩可以提供给任何其他车主充电，也就是说所有的充电桩都是可以随时开放的。通过互联⽹⼯具，车主很容易到闲置的个⼈充电桩。
将来充电站可能在互联⽹的思维下做成了O2O的Off-Line的重要连接节点，只要有车主来充电，可能就要在充电站等待15分钟。充电站将作为重要的⼴告场地资源，这是不难想象的。
四、直流充电桩⼯作原理及常见故障分析
直流充电桩内部⼀般由计费控制单元、读卡器、LCD、⽆线模块、电源模块、电表和⾮车载充电机组成。⾮车载充电机提供交直流变换功能，其他设备提供计费、通信、⼈机交互等功能。即直流充电模型：
▲图1直流充电模型
左边是⾮车载充电机（即直流充电桩），右边是电动汽车，⼆者通过车辆插头、插座相连。我们可以很清楚的看到，充电模型主要由“⾮车载充电机”、“车辆接⼝”、“电动汽车”这三部分构成，所以充电异常中⽌基本也由这三部分引发，那么接下来我们将对这三部分进⾏“体检”分析。第⼀类病症：⾮车载充电机部分引起的充电异常中⽌情况。
▲图2⾮车载充电机异常
在充电过程中，如果⾮车载充电机出现不能继续充电的故障（如充电桩意外进⽔或异物进⼊、环境温度骤变等），则向车辆周期发送“充电机中⽌充电报⽂”并控制充电机停⽌充电，在100ms 内断开K1、K2、K3和K4；
▲图3⾮车载充电机故障
在充电过程中，⾮车载充电机控制装置如发⽣通讯超时（如通讯线路故障等），则⾮车载充电机停⽌充电，并在10s内断开K1、K2、K5、K6，⾮车载充电机控制装置发⽣3次通讯超时即确认通讯中断，则⾮车载充电机停⽌充电，并在10s内断开K1、K2、K3、K4、K5、K6；
▲图4⾮车载充电机通讯异常
在充电过程中，⾮车载充电机输出电压若⼤于车辆最⾼允许充电总电压（如充电桩输出限压功能失效等），则⾮车载充电机应该在1s内停⽌充电，并断开K1、K2、K3、K4；
▲图5⾮车载充电机输出电压>；车辆最⾼允许充电电压
第⼆类病症：车辆插头、车辆插座引起的充电异常中⽌情况。
▲图6车辆插头|车辆插座异常
在充电过程中，⾮车载充电机控制装置通过对检测点1的电压进⾏检测，如果判断开关S由闭合变为断开（如充电上按键失灵或误触发等），应在50ms内将输出电流降⾄5A或以下；

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