關(guān)于直流充電樁充電異常停電的分析

鄧禮敏，劉博文，范亞軍，王 毅，楊愛超

（國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心， 江西 南昌 330001）

0 引言

隨著全球能源危機(jī)的不斷加劇和環(huán)境問題的日益突出，電動汽車相比于傳統(tǒng)汽車更有助于“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因此受到各國政府和汽車企業(yè)的高度重視[1-3]。電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展帶動了電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，世界各國實(shí)施了一系列激勵措施支持電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)來滿足電動汽車的充電需求[4-5]。

電動汽車充電設(shè)備的大規(guī)模建設(shè)及應(yīng)用，其充電可靠性和安全性逐漸成為關(guān)注的重點(diǎn)，充電故障及安全問題日益凸顯。電動汽車充電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)不僅會影響其自身可靠性，而且影響充電車輛的安全。2016年至2021年，發(fā)生的電動汽車起火事件原因進(jìn)行統(tǒng)計的結(jié)果顯示，在正常充電過程中發(fā)生的車輛起火占事故總量的14%，有5%的起火事件是因為充電設(shè)備故障[6]。

因此，明確每次充電異常、故障原因，排查充電設(shè)備安全隱患，對降低充電故障率及起火率，保證充電安全、可靠有著重要意義。

1 故障情況

1.1 故障簡述

近期，某品牌電動汽車在某高速服務(wù)區(qū)充電站進(jìn)行充電（如圖1所示），因充電模塊交流進(jìn)線側(cè)短路，導(dǎo)致變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘，充電樁斷電引起充電槍閉鎖，客戶無法結(jié)束充電（拔槍）。當(dāng)?shù)剡\(yùn)維人員至現(xiàn)場檢查，并在嘗試送電后完成拔槍，但客戶車輛故障報警無法正常啟動，最終由拖車公司將故障車運(yùn)至車廠維修。

圖1 充電故障現(xiàn)場

1.2 故障過程

根據(jù)充電用戶描述及充電情況，還原故障過程如下：

該電動汽車在充電至99%時，充電樁突然斷電引起充電槍閉鎖，客戶聯(lián)系當(dāng)?shù)剡\(yùn)維人員至現(xiàn)場查看，運(yùn)維人員操作過程如下：

1）對充電所用的分體樁進(jìn)行了重啟，重啟無效后確認(rèn)無電源供電；

2）對變壓器低壓側(cè)斷路器進(jìn)行合閘，未恢復(fù)供電；

3）對整流柜交流側(cè)斷路器進(jìn)行合閘，充電樁的指示燈和操作屏閃爍一次，送電的同時客戶完成拔槍操作，變壓器內(nèi)有“砰”的響聲，充電設(shè)施并未恢復(fù)供電。

此后，客戶車輛無法啟動，車輛顯示“動力電池故障”。

隨后，充電樁廠家派維修人員趕至現(xiàn)場排查故障，排查發(fā)現(xiàn)整流柜的交流接觸器故障，一個整流模塊燒壞。維修人員將故障整流模塊移除并更換交流接觸器后嘗試送電失敗，核查發(fā)現(xiàn)變壓器低壓側(cè)B相斷路器故障，在更換B相斷路器后，恢復(fù)了充電設(shè)施正常供電。

2 故障原因分析

該服務(wù)區(qū)充電站現(xiàn)場設(shè)備情況如下：一個10 kV專用變壓器（容量630 kVA）、2個整流柜，4個直流分體樁（額定輸出功率120 kW，額定輸出電壓500 V，最大輸出電流240 A）。

電動汽車充電過程為：由10 kV專用變壓器提供380 V三相交流電，交流電進(jìn)入整流柜，經(jīng)過斷路器和交流接觸器后進(jìn)入整流模塊，由整流模塊將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最后由分體樁通過充電槍（車輛接口）連接電動汽車進(jìn)行充電，充電系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 電動汽車充電系統(tǒng)示意圖

充電系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)都會影響充電，此次停電故障及車輛故障應(yīng)從供電設(shè)備側(cè)、充電樁側(cè)、電動汽車側(cè)進(jìn)行分析。

2.1 供電設(shè)備側(cè)

根據(jù)已有信息，此次充電設(shè)施斷電分為供電線路異常停電、變壓器自身故障斷電、充電設(shè)施故障引起的斷路器跳閘斷電、車輛故障導(dǎo)致設(shè)備斷電。

首先，當(dāng)時高速服務(wù)區(qū)充電站附近商鋪用電正常，所在線路無異常報警，排除因所在線路異常停電導(dǎo)致充電樁停電的可能性。

其次，第一次故障后，通過變壓器低壓側(cè)側(cè)斷路器合閘復(fù)電成功，充電樁屏幕閃爍、充電槍成功解鎖，排除變壓器高壓側(cè)故障及低壓側(cè)斷路器故障導(dǎo)致首次停電的原因。

因此，此次斷電故障可能為充電設(shè)施自身故障或車輛故障導(dǎo)致。

2.2 充電樁及車端

車廠以商業(yè)機(jī)密為由不提供車輛充電故障時的報文，無法確認(rèn)車端具體信息，只能根據(jù)已有信息分析車輛故障原因。根據(jù)《GB/T 18487.1-2015》及《GB/T 27930-2015》[7-8]等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，“在充電過程中，如果非車載充電機(jī)出現(xiàn)不能繼續(xù)充電的故障，則向車輛周期發(fā)送‘充電機(jī)中止充電報文’，并控制充電機(jī)停止充電，應(yīng)在100 ms內(nèi)斷開K1、K2、K3和K4”，“收到CST報文后，在確認(rèn)輸出電流值小于5 A后，斷開K5、K6”。結(jié)合相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求及當(dāng)前信息，分析故障原因可能為：

1）充電設(shè)施故障，輸出較大電流，故障充電樁內(nèi)未安裝熔斷器或已安裝但未保護(hù)，車端熔斷器動作保護(hù)，導(dǎo)致車輛故障；

2）故障斷電后，充電樁未按規(guī)定發(fā)出“充電機(jī)中止充電報文”或者已發(fā)出，充電樁側(cè)開關(guān)K1、K2及車端開關(guān)K5、K6未動作，二次上電時沖擊電流過大，導(dǎo)致車輛故障；

3）故障斷電后，充電樁未按規(guī)定發(fā)出“充電機(jī)中止充電報文”或者已發(fā)出，充電樁側(cè)開關(guān)K1、K2及車端開關(guān)K5、K6未動作，充電樁輸出前端電路存在回路，電動汽車電池反向放電，導(dǎo)致車輛故障及充電設(shè)施二次故障。

2.3 現(xiàn)場核查及測試

2.3.1 現(xiàn)場情況

為明確故障原因及故障點(diǎn)，現(xiàn)場核查故障情況如下：

1）整流柜有一充電模塊燒毀，整流柜內(nèi)整流模塊安裝處，存在明顯燒焦痕跡，如圖3所示。

圖3 燒壞的整流模塊

2）變壓器內(nèi)已更換下來的故障斷路器，在開關(guān)閉合情況下仍處于斷路狀態(tài)，說明該斷路器已燒毀，如圖4所示。

圖4 損壞斷路器進(jìn)出側(cè)電壓

3）斷路器出線處存在明顯燒焦痕跡，斷路器狀態(tài)正常、新更換的交流接觸器狀態(tài)正常，如圖5所示。

圖5 整流柜故障器件

4）整流柜內(nèi)，在整流模塊輸出與分體樁的K1、K2間裝有熔斷器，未有熔斷跡象，處于正常工作狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 整流柜內(nèi)的熔斷器

2.3.2 現(xiàn)場測試

為確認(rèn)故障充電樁的K1、K2開關(guān)在突然斷電情況下的動作情況，以及突然斷電故障情況下充電樁的報文報文響應(yīng)情況?，F(xiàn)場測試中，采用便攜式電動汽車模擬裝置，模擬充電電壓500 V、電流10 A情況下，整流柜交流側(cè)斷路器突然斷開的情況。

如圖7所示，充電過程K1、K2處于閉合導(dǎo)通狀態(tài)，突然斷電后K1、K2處于斷開未導(dǎo)通狀態(tài)，恢復(fù)供電而未啟動充電時K1、K2依然保持?jǐn)嚅_未導(dǎo)通狀態(tài)。

圖7 K1、K2導(dǎo)通狀態(tài)

通過截取充電報文，在整流柜交流側(cè)斷路器突然斷電后，充電樁已發(fā)出多條“充電機(jī)中止充電”報文，并控制充電機(jī)停止充電，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，充電報文內(nèi)容如圖8所示。

圖8 急停斷電充電樁輸出報文

2.4 故障確認(rèn)

2.4.1 故障分析

結(jié)合理論分析、現(xiàn)場勘查及測試結(jié)果，分析如下：

1）斷電后充電樁發(fā)送停電報文，并且樁端K1、K2會及時斷開，排除二次上電的沖擊電流對車端的影響。

2）多方確認(rèn)得知，車端熔斷器熔斷導(dǎo)致車輛故障，并且整流模塊輸出側(cè)裝有單向二極管，排除了電動汽車反向充電的可能性。

3）本次故障應(yīng)為整流模塊故障導(dǎo)致供電設(shè)備斷電。

2.4.2 故障確認(rèn)

為明確整流模塊故障原因，對故障整流模塊進(jìn)行分析及測試，并與整流模塊供應(yīng)廠家交流，確認(rèn)故障原因。

整流模塊設(shè)計時考慮不周，交流進(jìn)線需插針垂直插入，而現(xiàn)場安裝后因安裝施工原因，進(jìn)線側(cè)導(dǎo)線極易被彎曲，如圖9（b）所示。導(dǎo)線插針與接線端子接觸面積減少（面接觸變?yōu)辄c(diǎn)接觸），在大電流充電時導(dǎo)線插針過熱燒壞絕緣層，引起模塊交流進(jìn)線短路。

圖9 故障整流模塊及現(xiàn)場接線圖

綜上所述，該次故障結(jié)論為：因充電樁整流模塊設(shè)計考慮不周，導(dǎo)致整流模塊交流輸入側(cè)短路，充電樁側(cè)熔斷器未動作，車內(nèi)部熔斷器熔斷、專用變壓器低壓側(cè)斷路器跳閘，二次送電時因整流短路故障燒壞專變的低壓側(cè)B相斷路器及整流柜的交流接觸器。

3 結(jié)語

文中針對充電異常停電及充電后車輛故障進(jìn)行了理論分析及現(xiàn)場測試、分析，并得出故障結(jié)論，為保證用戶充電安全、可靠，提出整改建議及分析如下：

1）對于充電設(shè)施而言，因改進(jìn)熔斷器動作速度，避免因此類故障導(dǎo)致車端熔斷器熔斷，影響客戶正常用車；整流模塊因改進(jìn)模塊進(jìn)線接線方式，以降低短路故障風(fēng)險率；因增加充電設(shè)施的事件記錄及充電狀態(tài)監(jiān)測功能，有利于對充電狀態(tài)把控及充電故障分析。

2）對于電動汽車而言，多數(shù)車廠在車輛故障后以商業(yè)機(jī)密為由，不提供車輛充電故障時的報文，極大地增加了此次故障分析難度及此類故障二次發(fā)生的風(fēng)險，模糊了故障責(zé)任劃分，不利于保證車主充電安全。

3）對于充電樁運(yùn)維，在未檢查設(shè)備情況下，直接閉合變壓器側(cè)斷路器，存在較大的安全隱患及操作危害，因增加充電設(shè)施相關(guān)專業(yè)知識及用電安全意識培訓(xùn)；節(jié)假日出現(xiàn)充電高峰，因增加充電樁的巡檢力度，排查充電樁設(shè)備隱患。