非車載充電機充電異常分析與研究

衷莉蘭，范亞軍，鄧禮敏，楊愛超，熊 茹

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西 南昌330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌330096）

0 引言

2015年10月，國務院發(fā)布的《關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導意見》明確指出：到2020年，基本建成適度超前、車樁相隨、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，新增集中式充換電站超過1.2萬座，分散式充電樁超過480 萬個，滿足超過500 萬輛電動汽車的充電需求；建立較完善的標準規(guī)范和市場監(jiān)管體系，形成統(tǒng)一開放、競爭有序的充電服務市場；形成可持續(xù)發(fā)展的“互聯(lián)網(wǎng)+充電基礎(chǔ)設(shè)施”產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，在科技和商業(yè)創(chuàng)新上取得突破，培育一批具有國際競爭力的充電服務企業(yè)。

1 非車載充電機的應用現(xiàn)狀

電動汽車充電優(yōu)質(zhì)服務是客戶最為關(guān)心的需求之一，充電設(shè)施的建設(shè)發(fā)展實現(xiàn)安全有序充電仍然是目前急需解決的重大問題及技術(shù)瓶頸，存在的問題主要有：

1）電動汽車充電過程存在著火等嚴重安全隱患；

2）充電設(shè)施與電動汽車不匹配容易引起充電故障；

3）充電設(shè)施檢測技術(shù)及標準體系有待完善；

4）充電設(shè)施運維檢測工作不到位。

截止2017 年12 月，我國新能源汽車保有量約172.9 萬輛，其中電動汽車保有量接近150 萬輛，到2020 年新能源汽車年產(chǎn)銷達到200 萬輛。江西省電動汽車保有量已超過2萬輛，已配套充電樁2000臺左右。隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，充電設(shè)施規(guī)模的不斷壯大，如何確保充電設(shè)施的安全性、可靠性、可用性以保障充電服務質(zhì)量，對地方政府、充電設(shè)施運維企業(yè)提出了挑戰(zhàn)。

充電設(shè)施的現(xiàn)場檢測，分析充電故障原因是確保電動汽車充電服務過程的安全、可靠，保障電動汽車及人員、財產(chǎn)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也為計費準確提供技術(shù)支撐。

2 非車載充電機的電氣原理

非車載充電機的電氣部分由主回路和二次回路組成。主回路的輸入是三相交流電，經(jīng)過輸入斷路器、交流智能電能表之后由充電模塊（整流模塊）將三相交流電轉(zhuǎn)換為電池可以接受的直流電，再連接熔斷器和充電槍，給電動汽車充電。二次回路由充電樁控制器、讀卡器、顯示屏、直流電表等組成。二次回路還提供“啟停”控制與“急?！辈僮鳎恍盘枱籼峁按龣C”、“充電”與“充滿”狀態(tài)指示；顯示屏作為人機交互設(shè)備則提供刷卡、充電方式設(shè)置與啟停控制操作。見圖1。

圖1 非車載充電機電氣原理框圖

3 直流充電模型

非車載充電機輸出由9 根線組成，分別是：直流電源線路：DC+、DC-；設(shè)備地線：PE；充電通信線路：S+、S-；充電連接確認線路：CC1、CC2；低壓輔助電源線路：A+、A-[1]。直流充電樁就是通過這9 根線給電動汽車進行充電，其具體的充電模型如圖2。

圖2 直流充電模型

左邊是非車載充電機（即直流充電樁），右邊是電動汽車，二者通過車輛插頭、插座相連。

車輛模型主要由“非車載充電機”、“車輛接口”、“電動汽車”這三部分構(gòu)成[2]，所以充電異常中止基本也由這三部分引發(fā)。

4 充電異常分析

4.1 非車載充電機部分引起的充電異常中止情況

非車載充電機部分引起的充電異常中止情況如圖3所示。

圖3 非車載充電機異常

1）在充電過程中，如果非車載充電機出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的故障（如充電樁意外進水或異物進入、環(huán)境溫度驟變等），則向車輛周期發(fā)送“充電機中止充電報文”并控制充電機停止充電，在100 ms 內(nèi)斷開K1、K2、K3、K4。

2）在充電過程中，非車載充電機控制裝置如發(fā)生通訊超時（如通訊線路故障時），則非車載充電機停止充電，并在10 s內(nèi)斷開K1、K2、K5、K6；非車載充電機控制裝置發(fā)生3 次通訊超時即確認通訊中斷，則非車載充電機停止充電，并在10 s 內(nèi)斷開K1、K2、K3、K4、K5、K6。

3）在充電過程中，非車載充電機輸出電壓若大于車輛最高允許充電總電壓（如充電樁輸出限壓功能失效等），則非車載充電機應該在1 s 內(nèi)停止充電，并斷開K1、K2、K3、K4。

4.2 車輛插頭、車輛插座引起的充電異常中止情況

車輛插頭、車輛插座引起的充電異常中止情況如圖4所示。

圖4 車輛插頭、車輛插座異常

1）在充電過程中，非車載充電機控制裝置通過對檢測點1 的電壓進行檢測，如果判斷開關(guān)S 由閉合變?yōu)閿嚅_（如充電槍上按鍵失靈或誤觸發(fā)等），應在50 ms內(nèi)將輸出電流降至5 A以下。

2）在充電過程中，非車載充電機控制裝置通過對檢測點1的電壓進行檢測，如果判斷車輛接口由閉合變?yōu)閿嚅_（如車輛意外移動、充電槍線纜被意外擾動等），則控制非車載充電機停止充電，應在100 ms內(nèi)斷開K1、K2、K3、K4。

4.3 電動汽車引起的充電異常中止情況

電動汽車引起的充電異常中止情況如圖5所示。

圖5 電動汽車異常

在充電過程中，如果車輛出現(xiàn)不能斷續(xù)充電的故障（如BMS系統(tǒng)誤報電池實時狀態(tài)，車輛控制裝置誤關(guān)斷充電回路接觸器等），則向非車載充電機發(fā)送“車輛中止充電報文”，并在300 ms（由車輛根據(jù)嚴重程度決定）內(nèi)斷開K5、K6。

5 應用效果

通過對構(gòu)成車輛模型“非車載充電機”、“車輛接口”、“電動汽車”這三部分進行“體檢”，分析了非車載充電機充電時有那些異常中止的情況，總結(jié)了非車載充電機充電異常中止的原因，方便日后給充電樁測試系統(tǒng)“把脈”。

目前江西省內(nèi)已建設(shè)充電設(shè)施2000臺左右，大部分充電設(shè)施未開展投運前及周期性檢驗檢測工作。在電動汽車充電過程中，存在電動汽車與充電樁無法正常通信等充電故障，以及電池過充、充電電壓過壓、電流過流、充電設(shè)施絕緣電阻不合格、充電站接地不合格[3]等一系列安全問題，為電動汽車充電設(shè)施運營與使用帶來了極大的安全風險，因此非常有必要加強電動汽車充電設(shè)施檢測新技術(shù)的研究與應用，提升電動汽車與充電設(shè)施質(zhì)量，分析充電故障原因，培育良好的市場服務和應用環(huán)境。同時由于電動汽車充電過程中涉及電費計量問題，為確保充電計費的公平、公正，應對充電設(shè)施內(nèi)部計量器具依法進行檢定或校準。

6 結(jié)語

綜上所述，針對江西省電動汽車充電設(shè)施建設(shè)與充電服務存在的各類問題，非常有必要建設(shè)充電設(shè)施性能及計量檢測能力、電動汽車BMS 系統(tǒng)及電池檢測能力、電動汽車充電故障檢測分析能力，為開展全省范圍內(nèi)的充電設(shè)施全性能檢測提供條件，保障電動汽車充電服務安全，有效提升電動汽車充電服務質(zhì)量，促進電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與推廣。