电动汽车直流充电模块内部功能结构图

从目前的技术路线来看，直流充电是解决快速充电的主要途径，运营类车辆对快速充电依赖很大，因为他们的时间机会成本较高。

由于直流非车载充电桩（简称直流充电桩）是通过内部 AC-DC 模块，将交流电转换成直流电，给电动汽车的动力电池进行充电，所以内部的AC-DC 模块性能，是决定直流充电桩性能的关键因素。

直流充电桩主要在大功率充电中应用，采用三相输入的直流充电桩产品功率从11kW到500kW以上。当然随着一些电动汽车取消OBC的配置，小功率220V单相输入的直流充电桩产品也开始增多，比如7kW的壁挂直流家充桩等。直流充电桩截止目前已经经历了几次功率提升，从20kW到180kW、240kW、360kW、480kW、600kW及以上。

同时，新能源汽车的充电电压平台也在快速发生变化，像乘用车从300V 左右的充电电压，已经越过600V 电压，许多主机厂已有800V平台的产品面市。同时充电电流也在迅速提高，部分公司发布的600kW大功率充电平台，已经达到1000V 电压和600A电流，甚至更高。

直流充电桩输出的电压电流，是由AC-DC 模块性能决定的。以前乘用车的电压范围是200-450V，商用车的电压范围是300-750V，后来出来了通用型的200-750V，国内充电市场的电压范围随着辅助电压12V 的统一，模块输出电压200-1000V逐步成为主流。

一、 充电模块

充电模块在充电桩中起到对输入交流电整流滤波、升压稳压（控制、转换）等作用，充电模块的功率和数量，决定了充电桩的输出功率。其核心技术在于电力电子功率变换电路、拓扑技术创新能力、嵌入式软件实时控制算法的可靠性、电气系统设计的安全性及大功率散热技术的结构设计能力和高功率密度的集成化能力。

1、充电模块工作原理  直流充电的关键核心部件是充电模块，虽然不同模块可能存在不同的工作方式，但是交直流的变化与控制原理，万变不离其宗，充电模块原理框图如下图示：

充电模块由三相有源PFC、DC/DC变换、辅助电源、输入/输出检测及保护电路组成。前级三相有源PFC电路和EMI输入电路实现交流输入的整流滤波和功率因素的校正，以满足EMC标准和得到小于5%的电流总谐波含量（THDi）；三相有源PFC由单独的DSP进行控制，根据交流输入电压，对输入电流进行校正，使其跟随交流输入电压，并按照环路计算的结果产生PWM波进行驱动主电路，并执行相关的保护措施；后级的DC/DC变换器由DSP产生PWM波控制前级PFC输出的直流电压、经过高频变压器输出后再整流滤波输出电流电压，从而将前级整流电压转换成充电模块要求的稳定直流电压。辅助电源利用三相有源PFC的直流输出，产生控制电路所需的各路电源。输入检测电路实现交流输入电压、电流等检测功能，用于PFC的控制和保护。DC/DC的检测保护电路包括输出电压电流的检测，温度的检测等，这些信号用于DC/DC的控制和保护。CAN 总线实现整流模块与控制模块的通信以及多个整流模块之间的均流作用。

设备接入380Vac 三相电（三相三线制），经EMC 滤波，三电平有源PFC 对输入电压和电流进行校正，其输出供全桥三电平DC-DC 变换电路；当辅助电源正常工作后，电源指示灯显示，辅助电源给控制电路供电，控制电路控制模块启动。APFC 部分、DC-DC 部分工作均由DSP 控制。设备可以直接通过CAN 与BMS 通信，当设备检测到有CAN 通信时，设备转由BMS 控制，充电电压和电流由BMS 控制。

这里的控制板，一方面可以帮助我们理解输出的电压电流是如何变化的，另一方面可以帮助我们理解为什么不同的模块在不同的充电桩上不容易互换，因为控制板有软件兼容性问题。

2、充电模块的功率曲线（30kW/200-1000V）

二、直流充电桩

主要组成部分：充电模块、主控制器、绝缘检测模块、智能电表、刷卡模块、通信模块、空气开关、主继电器、辅助开关电源等。

1、主要性能参数（480kW液冷）：

项 目	参数指标	备 注
交流输入电压	380V±15%	三相五线制
交流输入频率	45~65Hz
额定输出功率	480kW
输出电压	DC 200~1000V
输出电流	0~600A
功率因数	≥0.99	输出50%Po 以上
效率	≥95%	峰值效率
计量方式	直流电表	精度等级0.5
冷却方式	液冷+风冷
防护等级	IP54
海拔高度	≤2000m
工作温度	-25°~50°	50℃以上降额工作,75℃停止工作
相对湿度	≤95%	无冷凝
充电枪	国标600A直流枪
通讯方式	以太网、4G
安装方式	落地固定
启动方式	刷卡、扫码

 

2、充电连接装置

直流充电接口满足 GB/T 20234.1 和 GB/T 20234.3 的规定，配备标准 9 芯插头（如下图），插头的要求如下表所示，充电插头支持电磁锁锁紧功能，充电线缆长度依据项目需求进行配置。

插头基本参数：

名  称	参  数
额定电压	1000VDC
额定电流	600A
工作温度	-20℃~50℃
插拔力	＜140N
防护等级	IP55（插合情况下）
机械寿命	＞10000 次
耐电压	3500V AC

电气接口触头说明：

编 号	名 称	额定电压	额定电流	功 能
1	DC+	1000V  DC	600A	直流电源正，连接电池正极
2	DC-	1000V  DC	600A	直流电源负，连接电池负极
3	PE	NA	NA	保护接地（PE）,连接供电设备地线和车辆地平台
4	S+	30V	2A	通信 CAN_H,连接充电桩与电动汽车的通信线
5	S-	30V	2A	通信 CAN_L,连接充电桩与电动汽车的通信线
6	A+	30V	15A	辅助电源+
7	A-	30V	15A	辅助电源-
8	CC1	30V	2A	充电连接确认
9	CC2	30V	2A	充电连接确认

 

三、保护功能

3.1 输入保护

具备输入过欠压、三相不平衡、缺相等保护功能。

3.2 输出保护

具备输出过欠压、过流、过温、过载、短路、绝缘检测、电池反接、电流倒灌等保护功能。

3.3 远程控制

当有异常发生，可通过后台实现远程启停控制、远程升级。

3.4 系统异常保护

充电过程中,当发生（启动急停开关、与电池管理系统通信故障、控制导引、输入失电故障等情形）紧急情况下，充电桩能在 100ms 内断开直流输出接触器，且输出电压在 1s 内下降至 60V以下。

3.5 过温保护

如过滤网堵塞、冷却风扇失效或其他情况，充电桩内部温度超过过温保护阀值，充电桩降低输出功率或切断直流输出，并发出告警提示；当直流充电接口温度超过过温保护值（充电枪上的温度传感器），充电桩降低输出功率或切断直流输出，并发出告警提示；当电池温度超过过温保护值，BMS 需求会降低，充电桩会根据需求自动降低输出功率，从而保护电池，延长电池使用寿命。

3.6 接触器粘连

充电控制器会自动检测接触器的断开与闭合状态，任何一个接触器主触点为常闭状态（无法断开）或者常开状态，启动充电时充电桩停止绝缘检测过程，并发出告警提示。

3.7 电池二重保护

在充电过程中，当输出电压超出车辆最高允许充电总电压，或输出电流大于车辆当前需求电流，充电桩在 1 s 内断开输出接触器，并发出告警提示。

3.8 门禁保护

在充电前，如打开充电桩前门，充电桩无法启动充电；

在充电过程中，如桩门打开，充电桩立即切断功率输入和直流输出；

3.9 充电枪锁止功能

当电子锁未可靠锁止时，充电桩不允许充电，在整个充电过程中（包括绝缘检测过程），电子锁应可靠锁止，不允许带电解锁；具备应急解锁功能，因故障不能继续充电、充电完成时，解除电子锁时车辆接口电压降至60VDC以下。

3.10 绝缘检测功能

充电桩设置有绝缘检测电路，在车辆接口连接后到车辆充电回路接触器闭合前，充电桩闭合直流输出回路接触器对内部（含充电电缆）进行绝缘检测，如绝缘性能有异常，不会启动充电。

四、大功率充电

大功率充电是个复杂的系统工程，不单单是直流充电模块的问题，它是整个线路的电流在各个关键节点的散热问题，包括电池本身的散热。依据 P=I*I*R，从 60A 的充电电流提升到 360A，电流变成 6 倍，发热功率变成 36 倍。所以热管理系统是整个大功率充电系统中最重要的部分。有些人认为国家标准的滞后，制约着大功率充电的发展，这个观点不太准确。标准的产生，需要经过大量的测试和数据积累，在系统没有完成之前，去设想一个标准，本身就是错误的行为，所以标准的制定者，需要行业的领头羊，需要依靠他们投入人力、财力和物力从事研发活动和测试活动获得大量数据。例如，欧洲的基本方案是冷却循环系统的驱动端在充电桩内，在缆上未必采用冷却，冷却液送达连接器端，形成循环。带缆上冷却的德国电缆制造商表示，他们可以做到 25 平方的线缆载流 350A，实际上他们已经经过了一系列的测试，来观测电缆的温升。充电接口的温升同样非常重要，DC+与 DC-两个端子是热量最大的地方，对每个端子进行独立的温度监控就非常有必要。为了区分是否带缆上冷却，IEC 倾向于设定 RC1 和 RC2 两类充电等级，其中 RC2 是指带有冷却方式的电流等级。 

在端子的温度控制方面，充电接口的插针镀层厚度是关键因素。在IEC 的会议中，中国代表主张取消下公差，因为8-5只有3 微米的厚度，同时主张取消ELECTROPLATING 的描述，因为在制造工艺中，LAYER 的形成不仅仅是电镀法。参会人员在下公差的讨论上发生了剧烈争执，反对方的理由是不想设定太严格的界限，但是背后有可能是在材料及制造技术上有差异，欧美不一定需要8 微米的镀层厚度。

冷却系统采用智能启动，不可能全时段保持活跃，有企业选择在200A启动，使温度控制在50度以内，这其实也依赖于测试，比如180A持续工作多久会导致多少温升，200A持续工作多久会导致多少温升，多久能达到90度的临界点等等。除此以外，关于冷却液体的缺失或者泄漏风险、可燃性、冷却液与绝缘材料的兼容性，其他潜在威胁等等，也都是大功率充电需要研究的细节问题。

审核编辑：黄飞