浅谈电动汽车充电桩的发展

文:浙江巨磁智能技术有限公司 杨涛2021年第四期

1 引言

电动汽车的发展离不开充电基础设施的建设,目前主流的补能方式主要还是充电,根据充电电流不同,分为交流充电和直流充电,在充电国家和国际标准中,将充电分为四种模式,模式一是将电动汽车和电网直接用合适的连接器相连,由于缺失必要安全保护,大多数国家地区都禁止使用,模式二是一种可随车使用的交流充电设备,与模式一的区别是在充电线缆上增加了一个控制保护盒(IC-CPD),模式三即交流充电桩,模式四为直流充电桩。

模式二和模式三是家庭充电的主要解决方式,一般购车时会赠送一个便携式充电器,有安装条件的会送交流桩并提供上门安装服务。当然,除了选择“原装充电器”外,用户也可在购物网站上选购各式各样“非原装充电器”。

充电车.jpg

2 电动汽车的普及

随着电动汽车的普及,家用充电设施铺开,带来一个问题,就是电网会的负荷会越来越承受不了。

我们都知道,一般小区的用电负荷设计容量其实是有限的,很多老小区变压器容量大概500kw左右,平常每家每户开个空调,煮个菜没啥问题,但是电动汽车充电功率相对而言是非常大的,按照常规充电桩是7kw,基本晚上大家下班回来一起充上电,最多就能充70台,这还是其他用电器不要用的情况下。所以现在新小区的建设一般都会预留容量给电动汽车充电。

针对电网负荷问题,比较好的解决方案则是采用“有序充电”的方式,有序充电,即在满足电动汽车充电需求的前提下,运用实际有效地经济或技术措施引导、控制电动汽车进行充电,对电网负荷曲线进行削峰填谷,使负荷曲线方差较小,减少了发电装机容量建设,保证了电动汽车与电网的协调互动发展。

有序充电系统以台区为管理单元,通过与台区内的设备自动协商,实现台区的自主化平衡,提升台区经济性和安全性。一些充电系统还具有数据采集和控制、负荷预测、充放电负荷实时调整功能,具备为用户提供统一交互服务,具备完善的统计、分析功能,满足运用管理要求。

目前国家电网已经开始建设带有序充电功能的智能充电桩,近日国网南通电动汽车服务有限公司发布的招标公告,就包含了3000万的智能充电系统采购项目。3月16日,上海市市场监督管理局发布了《电动汽车智能充电桩智能充电及互动响应技术要求》(DB31/T 1296—2021)。该标准是国内首个明确智能充电桩具体功能要求的技术标准,主要包含智能充电桩智能充电及互动响应的适用场景、设备电气安全和信息安全、智能充电功能、桩联网互动响应要求及平台交互技术要求,适用于需要调节电动汽车供电设备充电功率的智能交流充电桩和智能非车载充电机(直流充电桩)。

上海发布首 个技术标准.jpg

当然作为未来一个重要的能源接口,充电桩能做的事还不仅如此。目前充电桩还是单相功率控制,而在将来,一个带着近百度电电池包的车辆,同样可作为电网、家庭、楼宇的电能储存设备,在负荷高峰期或紧急时段进行反向放电,帮助电网实现削峰填谷,车主顺便也可以借此赚取电价差。

也有不少厂家推出了光储充一体的设备,将光伏发电、储能、充电结合起来,光伏产生的电能可用于电动汽车和家庭日常,多余的电能可以储存起来供夜晚或紧急情况下使用,同样也可卖给电网赚取利润,根据不同时段电价的差异和用户用电行为习惯,通过数据分析,自动调节充放电功率和储能水平,实现电能的高效利用。可以说,充电桩未来的技术形态和商业模式还是充满想象力的。

同样不可忽视的还有安全性问题。根据专业机构的不完全统计,2020年1-12月全年被媒体报道的烧车事故共124起,其中在充电过程中起火占事故总数的23%,造成了非常巨大的损失,也给电动汽车的推广蒙上一层阴影。我们在考虑使得充电桩更加智慧的同时,也不可忽视它的安全防护,对人身的保护。针对烧车这样的恶性事故,有的桩企的解决方案是在充电过程中对电池进行安全监控,如电池最大温差、最大压差、最高温度、SOC变化率等数据,并将每次车辆充电时的数据交互给充电平台,平台累计充电数据形成该车辆的历史档案,一旦某次充电过程发生异常可作提前预警。

其中最需要引起警惕的是漏电问题。因为漏电直接关系到充电车辆,电网,乃至人身安全。充电桩一般放在室外,长期日晒雨淋,极易造成绝缘下降,一旦发生漏电,后果不堪设想。

充电桩除了需要做好接地之外,漏电保护器的选用也至关重要。根据国标GB/T 18487.1,充电桩的漏电保护器应使用B型或者A型。可以看到,区别于家用的AC型漏电保护器,充电桩的基本要求就是A型,除了对交流漏电保护外,还对脉动直流有保护作用。而B型相较于A型最大的区别是B型增加了对直流漏电的保护。但受制于B型检测难度和成本限制,目前绝大多数人厂家选用的还是A型。直流漏电最大的危害不在于人身,而在于会造成原有漏电保护器件的失效形成隐患,可以说目前充电桩的漏电保护在标准层面就存在隐患。

图3.jpg

在最新上海市《电动汽车智能充电桩智能充电及互动响应技术要求》中,把漏电保护提高到了B型或者A型加直流6mA及以上的保护,相信未来的国标也会跟上。

例如MAGTRON推出的满足最新模式二(ICE62752)和模式三(ICE62955)漏电检测要求的产品,以MAGTRON公司的产品RCMU101-K系列漏电流传感器为例。

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该系列产品采用Trip信号输出,为欧标交流充电客户提供设计简洁,性能优秀的漏电流检测解决方案。此方案产品采用高精度自适应磁通门传感技术,在原理上可实现对交直流剩余电流准确的实时有效检测,并通过内置信号判断专用SOC,输出Trip信号,可以完全满足IEC62752和IEC62955对直流漏电保护要求。同时产品系列可以完全覆盖7kw单相、11kw和22kw三相交流充电中的应用场景。

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