项目三 直流充电桩的控制与运维 任务2 直流充电桩的控制逻辑 课件-《新能源汽车充电桩安装检测与维修》电子工业出版社

新能源汽车充电桩安装 检测与维修 目录 项目一 充（换）电站的认识 项目二 交流充电桩的控制与运维 项目四 充电桩的安装与测试 项目三 直流充电桩的控制与运维 项目五 充电桩常见故障的检修 《新能源汽车充电桩安装检测与维修》 项目三 直流充电桩的控制与运维 任务2 直流充电桩的控制逻辑 【知识目标】 1.能正确叙述直流充电电路原理。 2.能简述直流充电桩工作流程。 3.能简述直流充电桩充电控制过程。 【技能目标】 按照直流充电桩充电控制过程，操作直流充电桩完成电动汽车的充电。 【素养目标】 1.养成认真负责的工作态度及严谨细致的思维方式。 2.养成高压安全防护意识，规范高压安全操作行为，树立团队协作精神。 3.养成自主学习知识的能力及知识迁移的能力。 学习目标 电动汽车直流充电是指将公共电网的交流电转换为供给蓄电池充电用的直流电，充电过程由一系列简单的动作组成。通过本任务的学习，学生能了解直流充电电路原理，掌握直流充电桩的工作流程、直流充电桩的充电控制过程，以及直流充电桩的操作流程等内容；并能按照直流充电桩的充电控制过程，操作直流充电桩完成电动汽车的充电。 工作任务 一、直流充电电路原理 电动汽车直流充电是将公共电网的交流电能转换为供给蓄电池充电用的直流电能，其原理框图可分为主回路和控制回路两部分。主回路由三相全桥整流电路、全桥移相逆变电路、变压器、全桥整流电路组成；控制回路由PWM控制电路，电压、电流采样电路，通信电路，显示、键盘电路和数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP )模块组成。 交流电经过三相全控桥式整流电路变换为直流电，根据选择的充电方法和电压、电流采样结果通过DSP模块进行计算，并由PWM电路放大触发脉冲控制全桥移相逆变电路，将直流电变换为脉冲交流电，经高频变压器隔离送入全桥整流电路，得到所需充电过程的直流充电电压和电流，实现对动力电池的充电。 二、直流充电桩工作流程 充电过程由一系列简单的动作组成：拔枪→插枪→刷卡→充电→充电结束→再拔枪→挂枪。整个充电过程包括六个阶段：物理连接、低压辅助上电、充电握手、充电参数配置、充电和充电结束。 直流充电流程图如图3-2-1所示。 图3-2-1 直流充电流程图 二、直流充电桩工作流程 1.给充电桩供电 380V三相交流电输入充电桩，从配电侧需要连接五条电缆给充电桩，分别是三相交流输入U、V、W，地线PE和中线N。电缆的规格由充电桩的输入电流大小决定。充电桩的三相交流电上电后，面板上的电源指示灯被点亮，此时充电桩处在“待机”状态。在充电站投入运营的充电桩大多一直处在“待机”状态。 2.从充电桩桩体的充电枪插座或固定座上拔出充电枪 多数充电桩上面安装的是固定座，只是起到固定摆放充电枪的作用，没有任何电气连接；也有部分充电桩使用插座，在这种设计中，用户需要先刷卡或扫描二维码启动计费，再摘枪，否则枪是被锁在充电桩上的。 3.将充电枪插入车身的直流充电插座 将充电枪插入车辆充电插座后，机械锁和电子锁联动，锁止充电枪。 上述三个步骤完成了前述充电总体流程的第一个阶段：物理连接。 二、直流充电桩工作流程 4.刷卡或扫描二维码 刷卡或扫描二维码相当于给充电桩一个信号，充电桩控制器接收到这个信号后，开始执行和自检相关的一系列动作。充电标准中都没有明确提出刷卡或扫描二维码的这个节点，但是这个动作对于充电桩运营显然是很重要的。目前，主流充电桩都具有此项功能。 5.自检 自检过程中用户看到充电桩显示屏上显示出一系列的步骤说明和进行状态，这个过程包括前述总体流程的三个阶段：低压辅助上电、充电握手和充电参数配置。在此过程中，充电桩实现绝缘检测，启动泄放电阻将绝缘检测时的高压泄放到60V以下；检测充电接口温度监控、电子锁功能；充电桩上的辅助电源给BMS供电，BMS开始工作，充电桩和车辆BMS之间进行数据交互、握手、配置充电相关参数（BMS告知充电桩电池相关信息）；充电桩控制器执行系列程序，充电桩和车辆上的三组开关执行断开或闭合的一系列动作。 二、直流充电桩工作流程 6.充电阶段 完成上述操作后，充电桩下发指令，充电模块按指令要求的输出电压和输出电流开始工作，持续给电动汽车动力电池充电。在充电过程中，BMS和充电桩控制器实时通信。 7.充电结束 有三大类情况会使充电结束：人为因素、充电桩出现故障、BMS发终止信息。 （1）人为因素 充电进行过程中，人为刷卡可结束充电，或通过APP执行中止充电的指令也可结束充电。当然，人为将三相交流输入断掉也可结束充电，如按下急停按钮。 （2）充电桩出现故障 包括：充电桩出现不能继续充电的故障；发生通信故障，三次通信超时即判断为通信故障；充电枪和车辆之间的物理连接被断开，包括开关由闭合变为断开，车辆接口由连接变为断开；充电桩输岀电压高于电池的最高允许电压。 二、直流充电桩工作流程 （3）BMS发终止信息 若车辆电池已充满，则自动结束充电；若车辆有异常，不能接受继续充电，则BMS向充电桩控制器下发中止充电的报文。 8.拔枪、挂枪 结束充电后，充电桩的输出电压泄放到60V以下之后，电子锁和机械锁将解开，用户才能将枪从车辆的充电插座上拔出来，放回充电桩的固定座或插座上。 至此，充电全过程结束。 三、直流充电桩充电控制过程 直流充电桩充电控制过程如图3-2-2所示。左边是非车载充电机（即直流充电桩），右边是电动汽车，二者通过车辆插座相连。图中的S开关是一个常闭开关，与直流充电枪头上的按键（即机械锁）相关联，当按下充电枪头上的按键时，S开关即打开。而图中的U1、U2是一个12V上拉电压，R1-R5是阻值约为1000 的电阻，Rl、R2、R3在充电枪上，R4、R5在车辆插座上。充电控制过程包括物理连接阶段、低压辅助上电阶段、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段。 图3-2-2 直流充电桩充电控制过程 三、直流充电桩充电控制过程 1.车辆接口连接确认阶段 当按下充电插头按键后，插入车辆插座，再放开充电插头按键时，充电桩的检测点1将检测到12V—6V—4V的电平变化。一旦检测到4V电平，充电桩将判断充电插头插入成功，车辆接口完全连接，并将充电插头中的电子锁进行锁定，防止充电插头脱落。 2.直流充电桩自检阶段 在车辆接口完全连接后，充电桩将闭合S3、S4，使低压辅助供电回路导通，为电动汽车控制装置供电（有的车辆不需要供电），车辆得到供电后，将根据检测点2的电压判断车辆接口是否连接，若电压为6V，则车辆装置开始周期发送通信握手报文，接着闭合开关S1、S2，进行绝缘检测。所谓绝缘检测，即检测直流线路的绝缘性能，保证后续充电过程的安全性。绝缘检测结束后，将投入泄放电路泄放能量，并断开S1、S2，同时开始周期性地发送通信握手报文。 三、直流充电桩充电控制过程 3.充电准备就绪阶段 接下来，就是电动汽车与直流充电桩相互配置的阶段，车辆控制开关S5、S6闭合，使充电回路导通，充电桩检测到车辆端电池电压正常（电压与通信报文描述的电池电压误差不大于±5%，且在充电桩输出最大、最小电压的范围内）后闭合S1、S2，那么直流充电线路导通，电动汽车就开始充电了。 4.充电阶段 在充电阶段，车辆向充电桩实时发送电池充电需求的参数，充电桩会根据该参数实时调整充电电压和电流，并相互发送各自的状态信息（充电桩输出电压、输出电流，车辆电池电压、电池电流、电池荷电状态）等。 5.充电结束阶段 车辆会根据电池管理系统是否达到充满状态或是收到充电桩发来的“充电桩终止充电”报文来判断是否结束充电。满足以上充电结束条件，车辆会发送“车辆终止充电”报文，在确认充电电流小于5A后断开开关S5、S6。充电桩达到操作人员设定的充电结束条件，或者收到汽车发来的“车辆终止充电”报文时，会发送“充电桩终止充电”报文，并控制充电桩停止充电，在确认充电电流小于5A后断开开关S1、S2，并再次投入泄放电路，然后断开开关S3、S4。 四、某品牌直流充电桩简介 某品牌电动汽车充电系统、充电桩系统和充电电源模块融为一体，实现对电动汽车充电智能化的管理、计费和相应的电池信息检测，以及快速自动化充电过程，无须看守和手动操作。该品牌电动汽车充电系统适合电动大巴、电动中巴、混合动力公交车、电动轿车、出租车和工程车等快速直流充电。该品牌电动汽车充电系统产品的内部结构如图3-2-3所示。 图3-2-3 该品牌电动汽车充电系统产品的内部结构 四、某品牌直流充电桩简介 1.适应电池范围 充电机能够对磷酸铁锂电池、三元电池等进行充电。主控制器能自动识别并选择相应的充电程序和管理参数，具有为电动汽车动力电池系统安全、自动充满电的能力。 2.充电模式设定 充电机的充电模式设定方式可以分为手动设定方式和自动设定方式两种，充电模式一般选择自动充电模式。 （1）手动设定方式。通过专业操作人员设置充电模式、充电电压、充电电流等参数，当充电机与电动汽车连接正常时，充电机根据设定参数执行相应操作，完成充电过程。 （2）自动设定方式。在充电过程中，充电机控制器依据电池管理系统提供的数据，自动动态调节充电电流和电压参数，执行相应的动作，完成充电过程。 四、某品牌直流充电桩简介 3.通信管理功能 （1）通过高速CAN与电动汽车电池管理系统通信，用于判断电动汽车动力电池类型；获得动力电池系统参数，包括充电前和充电过程中动力电池的电压、电流、温度等状态数据，完成充电机的充电控制。 （2）通过RS-485网络与智能电能表通信，获取电能计量信息，完成充电计费与充电过程的联动控制。 （3）通过RS-485网络与高频充电模块通信，获取充电模块的状态和运行信息，完成充电模块状态监测与充电过程的联动控制。 （4）通过RS-485网络与智能变送器通信，获取充电机的输出电压和电流信息，完成充电输出数据监测与充电过程的联动控制。 （5）通过高速CAN将电能计量、充电机工作信息传送给用户终端（User Terminal，UT），获取并执行用户终端的控制命令。 四、某品牌直流充电桩简介 4.人机交互功能 1）充电机人机交互界面 显示输出功能：充电机具有液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD），可以显示充电方式、充电电流、充电电压及充电时间。 充电机具有LED信号灯，指示下列工作状态。 （1）白色信号灯指示充电机处于“故障”状态。 （2）绿色信号灯指示充电机处于“充电”状态。 （3）红色信号灯指示充电机处于“电源”状态。 2）用户终端人机交互界面 配置彩色触摸液晶显示屏，充电计费方式可设置按电量、金额、时间计费或自动充满。 （1）设置射频读卡器，支持IC卡付费方式。 （2）可选交流计费和直流计费，支持扫描二维码付款。 （3）后台通信协议支持以太网，4G、5G模块及国网计费系统。 四、某品牌直流充电桩简介 5.安全保护功能 （1）具有完善的充电保护功能，防止车辆电池过充，安全性高。 （2）具有输入侧的过电流保护和短路保护功能。 （3）具有防直击感应雷、防静电、防过热、电池反接保护功能。 （4）具有交流输入的过电压、欠电压和缺相保护功能。 （5）具有输出侧的过电流保护和短路保护功能。 （6）具有软启动功能，防止直流冲击电流输出。 （7）具有急停开关，能快速切断充电模块电源和分断直流输出开关。 （8）具有自动判断充电连接器、充电电缆是否正确连接的功能。 （9）在充电过程中，充电机能自动监测各设备的运行状态和通信状态是否正常。 （10）在充电过程中，充电机能自动根据电池管理系统发送的电池状态和运行信息动态调整充电电流和充电电压，保证动力电池的温度、充电电压和充电电流不超过允许值。 五、充电电源的种类 当前充电电源在市场上的主要种类有相控电源、线性电源和开关电源。 1.相控电源 相控电源是一种传统电源，发明使用的时间较长，其电路主要由晶闸管、电感、工频变压器等元器件组成。相控电源的工作原理是先通过整流滤波器把交流电变成直流电，再通过调整功率开关器件的晶闸管相位角来达到控制输出电压的目的。因为相控电源使用的主变压器为工频变压器，而工频变压器体积较大，所以相控电源的体积也相对较大。此外，相控电源的功率因数（Power Factor，PF）低，动态性能较差，且总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）较大，故而相控电源的应用逐渐减少，有逐渐被淘汰的趋势。 2.线性电源 线性电源是一种串联调整管连续控制输出电压的线性稳压电源，其电路主要由整流滤波器、调整管及工频变压器等元器件组成。线性电源首先通过工频变压器将幅值较高的电网交流电变成幅值较低的交流电，然后通过整流滤波器将该交流电整流成直流电，滤波后传送给稳压电路，最后输出稳定的低压直流电。该电源电路中的调整管始终工作在线性放大区。虽然相对于相控电源，它的体积有所减小，输出电压的稳定性更高，纹波值更小，成本更低，但是该电源电路由于调整管的工作状态长期为开通状态，损耗严重，发热量较大，谐波含量依然很大，和绿色电源的要求相比还有较大的差距。 五、充电电源的种类 3.开关电源 开关电源是一种节能型电源，其电路主要由功率变换电路、滤波电路、控制电路组成。开关电源发展的时间较短，通过将功率半导体器件用作开关，实现输出电压的调整。开关器件是随着占空比的长短来导通和关断的，以此实现电压的调整。开关电源不但体积小、功率因数高，而且动态响应特性优良、谐波含量较低，这些年在通信、电力等领域的应用十分广泛，得到了科技工作者的大量关注与研究。在开关电源的研究中，无桥功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）电路和AC/DC电路是不少学者研究和关注的方向。 谢谢聆听 $