電動汽車直流與交流充電樁技術研究和應用

摘要:發展充電樁技術能夠支撐電動汽車產業發展,助力實現雙碳目標.直流與交流充電作為兩種主要補能方式,對充電技術行業的發展起著重要作用,文章基于電動汽車充電樁的特點,對直流充電樁與交流充電樁的電氣原理進行分析,介紹了充電樁充電過程及各結構功能,并研究了其未來發展方向。

關鍵詞:直流充電;交流充電;充電樁; 電動汽車

一、引言

新能源汽車充電樁是維持新能源電動汽車能源補給，保障新能源汽車便利暢行的重要后勤部分。為早日實現碳達峰及碳中和目標，推動我國新能源汽車產業健康、穩定、持續的發展，新能源電動汽車配套的能源補給設施——充電樁，受到國內外商業資本關注。在商場、居民停車場、公共樓宇等地方，設置合理的充電樁，將有利于新能源汽車的推廣與增長，刺激下沉市場的新能源汽車產業發展，同時有利于推動清潔能源的使用和能源節能。為進一步促進新能源產業健全發展，加快新能源相關產業布局，全國各地新能源汽車扶持政策陸續出臺，伴隨著新能源汽車扶持政策的加持，新能源充電配套發展需求提上日程。

二、交流充電樁與直流充電樁的工作原理及優點

電動汽車的充電過程需要將外部電源的交流電(AC)轉化為電池儲存的直流電(DC)。交流充電樁將這一轉換過程交給了車載充電器，它將外界的交流電源轉換為直流電進行儲存。而直流充電則在充電樁內部完成了交流到直流的轉換過程，直接向電動汽車電池供應直流電。

2.1 交流充電樁優點

交流充電樁(俗稱“慢充")則通過車載充電機為電動汽車的電池充電，充電過程需要車載充電機將交流電轉換為直流電。這種方式的充電速度相對較慢，但對電池的損耗較小。

（1）成本較低:由于交流充電樁的轉換器簡單，且主要的電力轉換在車載充電器內部完成，所以相比直流充電樁，交流充電樁的造價更低。

（2）安裝維護簡便:交流充電樁體積較小，安裝靈活，對地面承載力的要求相對較低，便于在個人住宅、商業建筑等場所安裝使用。

（3）廣泛適用:幾乎所有電動汽車均支持交流充電，使得交流充電具有更廣泛的適用性。

然而，交流充電樁充電效率相對較低，一般需要數小時才能完成充電，更適合家用或工作地點停留時間較長的情景。

2.2 直流充電樁優點

直流充電(俗稱“快充"）直接將交流電轉換為直流電，以高功率為電動汽車的電池快速充電。這種方式可以繞過車載充電機的限制，直接對電池進行充電，因此充電速度較快。

1. 充電速度快:顯著的優勢是充電速度迅速。對于急需快速補充電量的消費者，直流充電樁可以在30分鐘之內將電動汽車的電量充至80%左右，提高了充電效率。

2. 高效能轉換:由于電力轉換過程在充電樁內完成，減少了能量的傳輸損失，提高了充電效率。

3. 智能化程度高:直流充電樁一般配有更的控制系統和用戶界面，可以提供更多充電管理和支付方面的功能。直流充電樁的主要缺點是成本較高，安裝和維護要求相對更為嚴格，因此，它們更多地被安裝在公共充電站和快速充電網絡中。

三、直流充電樁與交流充電樁核心區別對比

3.1充電速度

直流充電樁:由于直流充電樁具有較高的充電功率，通常在60KW以上，其他也有30kW、120kW、160kW、360kW、480KW等規格，因此充電速度較快，在理想情況下，可以在20-150分鐘內將電池充至滿電狀態。

交流充電樁:交流充電樁的充電功率一般較低，通常為7kW左右，其他也有3.5kW、11KW等規格因此充電時間較長，通常需要8-15小時才能將電池充滿。

3.2充電樁成本

直流充電樁:直流充電樁的制造和安裝成本較高，需要大體積變壓器和交直流轉換模塊，造價遠超交流充電樁。

交流充電樁:交流充電樁的制造和安裝成本較低，結構簡單，體積小，便于安裝和普及。

3.3充電樁體積

直流充電樁:由于內部組成模塊較多，直流樁的體積都比較大，其充電槍頭是九孔的。交流充電樁:交流樁的模塊相對較少，體積比較小，其充電槍頭是七孔的。

3.4適應場景

直流充電樁:由于充電速度快，直流充電適合安裝在高速公路旁的充電站、出租車和公交車站等對充電時間要求較高的場景。

交流充電樁:交流充電樁適合安裝在小區、停車場等場所，滿足日常充電需求，尤其適合夜間充電，因為用戶可以在夜間充電，使用車輛時電池已充滿。

四、應用方案

圖1 平臺結構圖

充電運營管理平臺是基于物聯網和大數據技術的充電設施管理系統，可以實現對充電樁的監控、調度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗和服務質量。用戶可以通過APP或小程序提前預約充電，避免在充電站排隊等待的情況，同時也能為充電站提供更準確的充電需求數據，方便后續的調度和管理。通過平臺可對充電樁的功率、電壓、電流等參數進行實時監控，及時發現和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內充電，避免對電網造成過大的負荷。

五、安科瑞充電樁云平臺具體的功能

平臺除了對充電樁的監控外，還對充電站的光伏發電系統、儲能系統以及供電系統進行集中監控和統一協調管理，提高充電站的運行可靠性，降低運營成本，平臺系統架構如圖2所示。

圖2 充電樁運營管理平臺系統架構

大屏顯示：展示充電站設備統計、使用率排行、運營統計圖表、節碳量統計等數據。

圖3 大屏展示界面

站點監控：顯示設備實時狀態、設備列表、設備日志、設備狀態統計等功能。

圖4 站點監控界面

設備監控：顯示設備實時信息、配套設備狀態、設備實時曲線、關聯訂單信息、充電功率曲線等。

圖5 設備監控界面

運營趨勢統計：顯示運營信息查詢、站點對比曲線、日月年報表、站點對比列表等功能。

圖6 運營趨勢界面

收益查詢：提供收益匯總、實際收益報表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖8 故障分析界面

訂單記錄：提供實時/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導出、運營商應收信息、充電明細、交易流水查詢、充值余額明細等功能。

圖9 訂單查詢界面

六、產品選型

安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業快速、經濟、智能運營管理的市場需求。實現對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補給，同時為提高公共充電樁的效率和實用性，具有有智能監測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能；智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能；云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現實時監控，財務報表分析等等；遠程升級：具備完善的通訊功能，可遠程對設備軟件進行升級；保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能；適配車型：滿足國標充電接口，適配所有符合國標的電動汽車，適應不同車型的不同功率。下面是具體產品的型號和技術參數。

七、現場圖片

八、結論

直流充電樁的市場集中度較高，主要運營商的達到85.2%，且公共直流的保有量持續增長，但占比有所下降。交流充電樁由于成本較低，易于普及推廣，因此在小區、停車場等場所建設較為普遍。

隨著電動汽車市場的持續擴大，直流充電和交流充電都將迎來更為廣泛的應用。未來，隨著技術的進步和成本的下降，二者在充電速度、智能化水平、成本效益等方面都將有所改善。同時，新的充電技術，如無線充電等也將逐步走向成熟，為電動汽車用戶帶來更多更便捷的選擇。