学技术 | 世平安森美 车载充电机OBC和EVC上的技术应用介绍

很多乘用电动汽车主已经习惯了这种操作，下班回到家，把汽车连接在家用慢充充电桩上，但很多电动汽车车主不知道的是，为电动汽车充电的，其实不是充电桩，而是汽车上的车载充电机（On-board charger；OBC），家用的慢充充电桩，只是提供了一个标准充电接口。

 

电动汽车充电机，按照其所在位置，划分为车载充电机和非车载充电机两类。

 

车载充电机以交流电源作为输入，输出为直流电，直接给动力电池包充电，与地面的交流充电桩适配。

 

交流充电桩交流输入，交流输出，不能直接给动力电池充电，需要连接车载充电机进行电力变换，才能实现充电。交流充电桩内部比较简单，基本功能就是将电网交流电引出到方便电动汽车充电的位置，并提供一个标准的充电接口，并可完成计费等额外功能，可以简单理解为“一个带电表的插座。

 

车载充电机的输入端以标准充电接口的形式固定在车体上，用于连接外部电源，车载充电机的输出端直接连接动力电池包慢充电接口。
 

 

中华人民共和国汽车行业标准《QCT895-2011电动汽车用传导式车载充电机》中规范了车载充电机的组成结构。主要分为输入端口、控制单元、功率单元、低压辅助单元和输出端口标准的输入接口采用工频单相输入220V电压，但如果功率需要，也可以启用两个备用pin口，可以实现三相380V输入。功率单元一般包括输入整流、逆变电路和输出整流3个部分，将输入的工频交流电转化成适合动力电池系统能够接受的适当电压的直流电。通常对于整车厂来说，车载充电机的要求是成本低、尺寸小、重量轻、寿命长，同时可靠性和安全性都较高。

 

目前主流的乘用车领域功率一般是3.3kw、6.6kw和11kw等，客车领域一般是40kw和80kw等，按冷却方式可分为水冷型和风冷型。随着技术的进步和产品设计的升级，独立车载充电机的发展越来越受到集成化功率单元的挑战。在如特斯拉等新能源汽车制造商的新款产品中，OBC被同DC/DC变换器或PDU等整合在一起，形成“黑箱式”结构，这对产品功率密度、热管理性能等提出了更高的要求。

 

为了满足车载充电机市场不断升级的实际需求，以及满足市场对高品质车载充电机产品的需求，新能源科技河北有限公司开发了多款不同规格和封装形式的OBC产品。OBC作为车载产品，且承担着充电这一功率变换部分，整车厂对于产品的效率、体积、重量、安全、成本等要求也相应提高。

 

       为了更好地满足这样的要求，新能源建立汽车级ISO16949体系认证的标准化专业工厂，在生产过程中严格选用车规级器件，并采用国际先进全数字控制技术、LLC谐振技术…等。在国内车载充电机制造商中，新能源率先完成了质量管理体系ISO9001认证、IATF16949认证、欧盟CE产品认证，分别从质量管理体系的专业性和产品质量的可靠性这两个方面保证了为整车厂提供高标准的车载充电机产品。交流输入采用有源功率因数校正PFC，功率因数≥0.99，有效实现了绿色电网，具有AC220V（85V-265V）&AC380V（147V-457V）宽电压输入范围，满足国内外充电标准需求。并且具备过热保护、电池反接保护、空载保护、短路保护、过压欠压保护、过流保护、充满电自动关机…等完备的安全防护功能。

 

散热方式有自冷、风冷和液冷设计，采用密封式防水防尘结构，等级高达IP67，温升比自然冷却低，整机工作稳定可靠，满足各种恶劣环境需求，无故障运行时间更长。更重要的是，新能源OBC对动力电池采用智能充电，充电过程中判断电池的相对容量和识别环境温度。根据电池状态采用恒压、恒流、恒功率自动转换法充电，有效节省了充电时间，延长电池使用寿命。

 

常见的DC/DC级电路拓扑

车载充电机一般为两级电路，前级为PFC级，即功率因数校正环节，实现电网交流电压变为直流电压，且保证输入交流电流与输入交流电压同相位。根据实际设计功率需求的不同，可采用多级Boost电路并联进行扩容
 

 

同样地，根据实际设计功率需求的不同，可采用多级DC/DC电路并联进行扩容，另外比较常见的DC/DC级电路拓扑有移相全桥和LLC两种。
 

 

直流充电桩的主要功能就是将电网的交流电转换成动力电池可以接受的直流电，并具备有人机交互，网络连接，互联互通，后台计费，远程升级，远程遥控等一系列当代大数据特点的功能。
 

 

直流充电桩由充电桩之“芯”，充电桩之“核”，充电桩之“云”三大核心技术组成。相对而言,充电桩之“芯”的技术门槛最高。

 

电网的交流电转换成新能源汽车电池所需的直流电需要一个电能转换单元，也就是充电桩之“芯”，俗称充电模块。大功率的充电模块是电力电子整流技术的集大成者。业内常见的是三相四线制（三根相线，一根地线）输入，充电模块功率等级主要15KW、20KW和30KW模块。直流充电桩输出电压主流是200VDC-750VDC，常见大巴电池电压在600V左右，物流车电池电压550V左右，小车电池电压380V左右。

 

电动汽车的电池电压是变化的。以BYD e5举例， 在SOC 23%时，电压388V，SOC 62%时，电压422V，SOC 90%时，电压450V，SOC 100%时，电压454V。动力电池是一种非常敏感的组件，充电桩输出的电压不能超过电池最高允许电压，电流不能超过它的允许电流。需要一套复杂的控制系统来确保充电的安全。这就需要以充电桩之“核”， 即充电控制器。充电桩之“核”接受来自BMS的指令，实现对充电模块的控制。

 

在互联网大数据的时代背景下，充电桩除了实现充电功能，还需要具有智能化的网络功能。网络功能的实现需要有 充电桩之“云”，也就是云平台，从而实现电动汽车充电桩位置共享、手机查看充电信息、费用结算等功能。

 

充电桩整个系统的工作过程原理就是以充电桩“芯”，“核”，“云”三者为核心，打造了一套安全，严谨，智能化的新能源充电系统。  

 

直流充电桩应满足如下三个标准：

1．GBT18487.1-2015(电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求)。标准的附录B里对直流充电桩在工作过程整个控制引导做了比较详细的描述。

2．NB/T33001-2018（电动汽车非车载传导式充电机技术条件），标准详细的规定直流充电桩的功能和性能的要求。

3． GBT27930-2015（电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议），标准详细的描述CAN通讯协议及报文解析。

 

直流充电桩电气原理

直流充电系统在电路原理上分为两大部分， 一部分是强电回路，另一部分是二次回路，也称为弱电控制部分。现在市面上直流充电桩的类型有很多，本文以双枪均充、轮充都具备的120kW直流充电桩为例，简要说明其电气原理。
 

 

如图2.1所示，380V三相动力电源首先经过塑壳断路器和交流接触器，作为桩体内的输入端总断点。由于自然灾害中的直击雷或者感应雷产生的浪涌对电子产品的破坏极大，所以需要一个防雷器将瞬间的大能量释放到大地，防止雷击带来的破坏。经过导通和保护，380VAC安全电压连接到充电桩之“芯”（充电模块）的输入端。

 

充电模块可并联工作。例如，一个120kW充电桩如果用15KW模块，总共就需要8个充电模块并联输出才能达到120kW。双枪直流充电桩上有两把充电枪。充电模块分成两组，每组由四个模块组成，两组模块输出分别接到两把充电枪上即可实现“均充”。两组模块分别输出，输出电压可达200-750V，输出电流0-150A。为了保证充电安全，需要在输出回路上连接熔断器和直流接触器。如果充电桩用来作为运营，还需要在输出端加上一个符合入网资质的直流电表。直流电表需要采集电压和电流，所以在输出侧还要接上一个分流器。分流器是为了采集输出电流。

 

双枪充电桩除了实现均充，还要能实现轮充，也就是“全部充电模块”先同时并联输出给第一辆车充电; 如果有另外一辆车加入，就将”全部充电模块”分成两组， 分别给两辆车充电。为了实现这种功率的动态分配，需要在两组模块的输出DC+和DC-之间加上两个个拓展接触器。所谓均充和轮充的切换，具体有6种模式，后文将予以说明。

图2.1  双枪充电桩电气原理图
 

 

通过对强电回路的了解，可能会产生几个问题：

      1、充电模块什么时候开始工作？

      2、接触器什么时候闭合？

      3、如何调节输出电压、电流，使之满足电动汽车电池能接受的电压电流范围？

 

这就需要充电桩之“核”作为充电桩的“大脑”来实现相关的连接，控制和调节。

 

连接A、B枪的CANH，CANL，和车辆电池的BMS（整个充电系统的大脑）进行通信，接受来自BMS的电压、电流请求，下发指令给充电模块。

 

连接充电模块，接受BMS指令, 控制充电模块的开关机，调节输出电压和电流。连接4G模通讯，直流电表，刷卡器，显示屏，指示灯，接触器，电子锁，急停按钮，充电枪温度检测线，插枪检测线，等。

 

在充电过程中，控制器首先会进行插枪检测，通过CC1判断充电枪和车辆接口是否完全连接，判断完全连接后锁止电子锁，完成物理连接之后，控制辅助电源的12V/24V给电动汽车BMS供电，然后BMS和充电桩开始信息交互，完成充电握手和充电参数配置，确认电压、电流以及充电环境是否符合，控制器判断充电模块的工作状况，控制充电模块启止，通过接触器辅助触点的反馈及充电需求控制接触器的闭合，通过充电枪的CAN通讯了解BMS的请求电压和电流，再通过调节充电模块的输出的电压和电流以满足电动汽车需求的电压和电流。整个过程中要符合GB/T 27950规定的流程和协议。 

 

汽车产业的电动化浪潮已然来临

 

电动汽车发展步入高速增长阶段。EVTank数据显示，2021年，全球新能源汽车销量达到670万辆，同比大幅度增长102.4%，全球汽车电动化渗透率也由2015年0.8%增长到2021年的7.74%，预计2022年、2025年全球新能源汽车销量将分别超过850万辆、2200万辆。乘联会数据显示，9月新能汽车零售渗透率达到31.8％，预计2022年、2025年我国新能源汽车销量将超过600万辆、1000万辆。截至2022年9月底，新能源汽车保有量达1149万辆，前三季度新注册登记371.3万辆。2022年前三季度，全国新注册登记新能源汽车371.3万辆，同比增加184.2万辆，增长98.48%。预计到2025年国内新能源汽车保有量将达到4000万辆，保有量占比将达到10%。

 

 

充电桩的工作原理是什么?

 

充电设备是整个充电站电气系统的核心部分，一般分直流充电装置（桩）和交流充电装置（桩）。直流充电装置，即非车载充电机，实现电池快速充电功能。交流充电桩主要提供车辆慢充的功能，输出为交流电，连接车载充电器。那么，直流充电桩和交流充电桩的工作原理有哪些区别呢？

 

直流充电桩的工作原理：

大功率电动汽车充电机（快速充电模式），通过三相电网输入交流电，经过三相桥式不可控整流电路整流变成直流电，滤波后提供给高频DC-DC功率变换器，功率变换器经过直直变换输出需要的直流，再次滤波后为电动汽车动力蓄电池充电。

 

交流充电桩的工作原理：

交流充电桩一般为常规充电模式其人机交互界面采用大屏幕LCD彩色触摸屏，充电可选择定电量、定时间、定金额、自动（充满为止）四种模式。充电桩的交流工作电压220V±15％，额度输出功率3.5KW、7KW，普通纯电动轿车用充电桩充满电需要4-5个小时，由于充电桩造价低廉、主要安装在停车场，适用于慢充动力电池。

 

充电桩技术要求有哪些？

充电桩作为发展新能源汽车不可缺少的基础配套设备，对它的安全性、可靠性的要求都非常高。严苛的生产技术要求可以保障充电设施建设的使用安全，最大程度保障充电设施建设使用安全。充电桩的技术要求主要包含以下几个方面：

 

环境条件要求：

1、工作环境温度：-20℃～+50℃；

2、相对湿度：5％～95％；

3、海拔高度：≤1000m；

4、安装地点：户外；

5、抗震能力：地面水平加速度 0.3g；地面垂直加速度 0.15g；设备应能承受同时作用持续三个正弦波，并且安全系数大于1.67。

 

结构要求：

1、交流充电桩壳体应坚固；

2、结构上须防止手轻易触及露电部分；

3、交流充电桩应选用厚度1.0以上钢组合结构，表面采用浸塑处理，并充分考虑散热的要求。充电桩应有良好的防电磁干扰的屏蔽功能；

4、充电桩应有足够的支撑强度，应提供必要设施，以保证能够正确起吊、运输、存放和安装设备，且应提供地脚螺栓孔；桩体底部应固定安装在高于地面不小于200mm的基座上。基座面积不应大于500mm×500mm；

5、桩体外壳应采用抗冲击力强、防盗性能好、抗老化的材质；

6、非绝缘材料外壳应可靠接地。

 

电源要求：

直流桩

1、输入电压：AC380V；

2、输出功率：120KW；

3、频率：50±1Hz；

4、允许电压波动范围为：AC380V±15%。

 

交流桩

1、输入电压：AC220V；

2、输出功率：7KW；

3、频率：50±1Hz；

4、允许电压波动范围为：AC220±15%V

 

电气要求：

1、插头与插座正确连接确认成功后，带负载可分合电路方可闭合，实现对插座的供电；

2、漏电保护装置应安装在供电电缆进线侧；

3、低压配电设备及线路的保护应满足《低压配电设计规范》（GB/50053）中的相关规定；

4、对IT系统配电线路，当第一次接地故障时，应由绝缘监察装置发出音响或灯光信号，当发生第二次异相接地故障时应由过电流保护电器或漏电电流动作保护器切断故障电路；

5、照明配电系统中，照明和插座回路不宜由同一回路供电。插座回路的电源侧应设置剩余 电流动作保护装置，其额定动作电流为30mA。

 

充电桩使用注意事项有哪些？

充电桩在城市专用充电站（公交车、出租车、公务车、环卫车、物流车等）；城市公共充电站（私家车、通勤车、大巴车）；城际高速公路充电站、城市综合、公交集团、汽车租赁企业、商业区CBD、公交站、机场、火车站、码头、公园广场、休闲场所、旅游景点、居民小区、餐饮行业。日常使用过程中，需要在安全情况下进行使用，来看看哪些需要注意的事项。

 

使用前：

1、检查周围环境，有无易燃易爆物品；

2、观查充电桩及充电电源显示状态是否正常；

3、检查充电枪是否完好无损，充电接口标准是否匹配；

4、按使用说明正确操作充电桩，对便携式充电器，充电时，一般来说应先插车身插头，再插电源插头；

5、检查确认充电枪是否已连接到位。

 

使用中：

1、检查充电桩显示是否正常，便携式充电器指示灯是否正常等，充电过程中及时对充电车辆，充电导线进行观察，查看是否有过热现象；

2、注意：充电过程中便携式充电器指示灯状态是否正常；

3、注意：充电过程中禁止将充电枪拔出；

4、注意：充电过程中禁止启动汽车。

 

使用后：

1、先切断电源后，再确认充电桩停止工作；

2、先拔除电源端插头，再拔出充电枪，将充电枪整理好放回充电口；

3、将电动车充电口封好；

4、整理充电现场。

5、光储充检一体化系统，集合光伏、储能、充电、检测、换电五大功能于一体，实现对电动汽车进行稳定且快捷的充电功能。其中，光伏提供发电，储能系统能够按照实际情况对光伏发电和电动汽车的充电需求进行分析，缓解配电网的压力。此外，检测系统还能实现决速地检测新能源汽车的电池，为车主提供电池检测的报告和风险预警等，确保电池的安全、可靠，延长电池的寿命。

6、高低压成套开关设备，高电压、大电流液冷超级充电桩，以实现充电与加油一样快，适应市场发展。

 

模块器件采用液冷技术，在充电桩散热系统上增加了液冷环路，冷却单元可以与模块风道分离，关联性较弱，不必跟着模块安装位置走，提供了更高的防护，有助于降低因盐雾、灰尘、绵絮、气候等环境因素影响而产生故障造成的经济损失。另外，使用液冷技术，模块器件降温比强制风冷要低10~20℃；最高效率＞96%，综合效率＞93%，更节约电量，降低了运营成本，使用寿命5-10年；待机功耗小于10W；模块输出电压可达1000V，更符合超级充的建设布局趋势。

 

电桩行业研究报告：充电桩市场空间持续扩大充电费用+服务费运营市场规模持续扩大。充电桩运营商集中度高，行业市场空间持续扩大。2021年估算我国新能源汽车充电电费市场规模约为141.3亿元，服务费市场规模约为17—34亿元。假设电价不发生巨大变化，到2025年市场规模将会扩大3倍，电费+服务市场规模将突破460亿；到2030年市场规模将会扩大10倍，电费+服务市场规模将突破千亿。

 

3.1、充电桩保有量快速提升

随着我国新能源汽车行业高速发展，电动汽车销售量与保有量迅速增长，充电需求快速增长，同时充电桩产业支撑政策不断推出，政府补贴从补车转向补桩，从建设补贴拓展到运营补贴，推动新能源充电桩行业加速发展。截止到2022年9月底，我国充电桩保有量已从2015年的6.6万台上涨到448.8万台，8年来扩张了68倍。其中，公共充电桩保有量已达163.6万台，占比36%，私人充电桩保有量上升至285.2万台，占比64%，私人充电桩保持更快增长。在区域分布看，目前我国公共充电基础设施主要集中在广东、江苏、上海、浙江、北京等东部沿海地区。
 

 

3.2、充电桩建设市场规模

根据国家有关规划和预测，到2025年，全国新能源汽车新车保有量将超过4000万辆。政策要求适度超前建设充电桩，充电桩建设支持力度将提升，参考历年车桩比值，我们预计2022-2025年车桩比将由31，预计到2025年充电桩保有量将达到1654万台（包含公共桩及私人桩），其中公共桩保有量将达到661.44万台，私人桩保有量将达到992万台。根据中国充电联盟公布数据，直流充电桩普遍充电功率≥60kW。依照当前直流充电模块单价0.37元/W，根据2015年至2021年直流充电模块价格走势，拟合出2023年至2025年间每瓦价格均价大约在0.35元/W，2025年至2030年间每瓦价格均价大约在0.30元/W。
 

 

直流充电桩（以60kW为例）设备单价为4.4万元，根据直流充电模块价格走势，预计，2023-2025年，60kW直流充电桩设备单价将降到为4.2万元；交流充电桩，其设备单价为在1000-3000元之间，其中车厂随车配送充电桩单价较低在1000元左右，设备厂商2C销售的交流桩单价较高在2000-3000元之间，私人交流充电桩平均单价取1500元，公共交流桩平均单价3000元。根据车桩增量以及充电桩单价测算，预计2023年至2025年之间，公用充电桩市场空间为1536.3亿元，私用充电桩市场空间为126.7亿元。

 

3.3、充电运营市场规模持续扩大

 

假设未来电动车百公里电耗平均值为12kwh，平均每辆车每年行驶1.5万公里，即每辆车每年耗电量约为1800度电。2021年新能源汽车保有量达到784万辆，一年的用电量将近140亿度。预计到2025年新能源汽车保有量达到4000万辆，一年的用电量将达到720亿度；到2030年新能源汽车保有量达到1亿辆，一年的用电量将达到1800亿度。电动汽车充电价格基本由“电费+服务费”组成，假设30%的电量通过公用桩完成，70%的电量通过私人充电桩完成，公用桩平均电费为0.7元，服务费为0.4—0.8元，私人充电桩电费为0.5元。

 

2021年估算我国新能源汽车充电电费市场规模约为141.3亿元，服务费市场规模约为17—34亿元。假设电价不发生巨大变化，到2025年市场规模将会扩大3倍，电费+服务市场规模将突破460亿；到2030年市场规模将会扩大10倍，电费+服务市场规模将突破千亿。

 

考虑光伏发电的波动及间歇特性，光储充一体电站需匹配适当容量的储能系统（包括储能变流器和电池系统），最大限度利用分布式光伏发电，实现向绿能倾斜并降低从电网购电的费用；光储充一体电站根据实时电价，制定动态储能控制计划，利用储能系统在夜间电价低谷时段进行储能，并在充电高峰期间通过储能电站与电网协同供电，利用峰谷价差实现电站收入最大化。相关电池厂商，充电运营商，充电设备厂商均在积极布局光储充领域。

 

3.4、V2G技术

 

V2G，实现电动车和电网之间的互动，电动车在电网负荷低时，吸纳电能，在电网负荷高时释放电能，赚取差价收益。通过V2G充电桩，电动汽车由单一充电拓展到以充放电两种形态参与电网实时调控和调峰辅助服务。

 

V2G技术还处于示范运行阶段。今年4月，国家电网有限公司华北分部在国内首次将车网互动（V2G）充电桩资源正式纳入华北电力调峰辅助服务市场并正式结算。预计2026年之后V2G技术才会逐步商业化推广。

 

V2G的经济性，现在电动车续航力能达到800公里，一天可能就使用100公里，有相当一部分电可以卖出来，电池寿命8000次充放电循环，残值相当于有5000次（能用10年以上），一天卖50度电，波峰波谷电价差1块钱，按照每天搬运50块钱计算，5000次能有25万收益，超过汽车价值。