电力电子技术在新能源汽车充电桩中的应用
时间：2024-08-08 阅读：181
摘要：阐述新能源汽车充电桩中的智能控制技术、充电桩与电网的互联技术、变频调节技术，探讨实现充电桩的智能化控制和管理模式，实现充电桩与电网之间的数据交换和能源协调。
关键词：电力电子技术，新能源汽车，充电桩控制技术。
0引言
随着环境保护意识的增强和新能源汽车市场的快速发展，充电桩作为新能源汽车充电基础设施的关键组成部分，扮演着不可忽视的角色。然而，随着新能源汽车数量的增加，充电桩所面临的挑战也越来越严峻。充电桩需要承担高功率输出、高效能转换以及智能管理等多重任务，这对电力电子技术的应用提出了更高的要求。在新能源汽车充电桩中，电力电子技术可以发挥关键作用，例如直流快充技术可以提高充电速度，高效能转换技术可以提高能源利用效率，变压器设计与控制则可以实现多种功率输出。本研究的结果将有助于指导充电桩的设计和优化，提高充电桩的充电效率、性能和用户体验，为新能源汽车的发展和推广提供重要支撑。
1研究背景
新能源汽车充电桩的基本原理与要求。新能源汽车充电桩作为连接电车和能源供应网络的重要环节，具有智能控制、互联技术和变频调节等关键技术应用。了解新能源汽车充电桩的作用与基本原理，以及技术要求，能够为我们理解和推进充电桩技术的发展和应用提供基础。
新能源汽车充电桩的作用与基本原理。新能源汽车充电桩是将交流电源转换为适合新能源汽车电池充电的直流电源的设备。充电桩的作用是为新能源汽车提供可靠、安全和高效的充电服务。其基本原理是通过充电桩内部的电力电子装置，将电网交流电源转换为符合新能源汽车电池需求的直流电源，并通过相应的充电接口进行输出。
新能源汽车充电桩的技术要求。
（1）充电桩需要具备高功率输出能力。随着新能源汽车的增多，充电桩需要以更高的功率快速充电，以满足用户的需求。因此，充电桩的电力电子装置需要具备高功率输出的能力，并保证电能的高效能转换。
（2）充电桩需要具备安全性能。充电桩需要通过安全设计和可靠的电力电子控制系统，确保充电过
程中不会发生电源故障、电流过载或短路等危险情况。此外，充电桩还需要具备监测和保护功能，以确保充电过程稳定可靠。
（3）充电桩需要具备智能化管理能力。充电桩应通过智能控制技术，实现充电桩与电网的互联，以便实现电能计量、充电调度和远程监控等功能。智能化管理能力可以提高充电桩的使用效率和操作便利性，同时也有利于电网的稳定运行。
（4）充电桩需要具备适应不同车型需求的灵活性。由于不同型号和品牌的新能源汽车电池参数各异，充电桩需要具备相应的电压变换、充电模式调节和电流控制等功能，以适应不同车型的充电需求。
综上所述，新能源汽车充电桩的技术要求包括高功率输出能力、安全性能、智能化管理和灵活性。通过满足这些要求，充电桩能够提供更好的充电服务，促进新能源汽车的推广和普及。
2电力电子技术在充电桩中的应用
电力电子技术在充电桩中的应用是推动新能源汽车充电技术革新的重要因素。了解直流快充技术、高效能转换技术和变压器设计与控制等关键技术，能够为我们深入探讨和理解电力电子在充电桩中的应用提供基础。
直流快充技术。直流快充技术是一种用于新能源汽车充电的高功率快速充电技术。它可以将电网交流电源快速转换为适合新能源汽车电池充电的直流电源，以提供更快速和高效的充电服务。直流快充技术通常采用高功率的电力电子装置和充电接口，能够在较短的时间内为新能源汽车充满电，提高充电效率和用户充电体验。
高效能转换技术。高效能转换技术是指在充电桩内部电力电子装置中使用的一种技术，通过该技术可以实现电网交流电源到新能源汽车电池的高效能转换。这种技术通常利用电力电子变流器和DC-DC变换器等装置，通过高频开关控制，将交流电转换为直流电，以减少能量损耗并提高整个转换过程的效率。高效能转换技术可以有效降低充电过程中的能源浪费，节约电能成本，同时也减少了对电网的负担。
变压器设计与控制。变压器设计与控制是指针对充电桩中的变压器进行的设计和控制策略。变压器在充电桩中起到了电能转换和电压变换的重要作用，所以其设计与控制的优化对整个充电过程的效率和安全性都有着重要影响。在变压器的设计阶段，需要根据充电桩的功率需求、输入输出电压等参数进行适当的设计，以提高变压器的效率和可靠性。而变压器控制则包括了对变压器的电流、电压和温度等参数进行实时监测和调控，以保证充电桩工作在安全稳定的状态下。
综上所述，直流快充技术、高效能转换技术和变压器设计与控制是新能源汽车充电桩中的重要技术。它们的应用能够提高充电桩的功率输出、能量转换效率和安全可靠性，进而促进新能源汽车充电产业的发展。
3提高充电桩性能和效率的关键技术
提高充电桩性能和效率的关键技术包括智能控制技术、充电桩与电网的互联技术以及变频调节技术。这些技术的应用能够提升充电桩的智能化程度、实现充电桩与电网的无缝衔接，并通过变频调节技术优化能量传输效率，为新能源汽车充电提供更便捷、高效的解决方案。
智能控制技术。智能控制技术是指在充电桩中采用的一种能够实现智能化控制和管理的技术。通过智能控制技术，充电桩可以实现与用户智能设备的互通，实时监测和控制充电桩的工作状态，提供智能化的充电服务。智能控制技术可以通过优化充电策略、实施动态电价调节和用户行为分析等手段，提高充电效率和用户体验。此外，智能控制技术还可以实现充电桩的远程监测和故障诊断，提高充电设备的可靠性和维护效率。
充电桩与电网的互联技术。充电桩与电网的互联技术是指将充电桩与电网进行连接和互联的一种技术。通过充电桩与电网的互联，可以实现对充电桩的远程监控和管理，实时获取充电桩的工作状态和能耗情况。同时，互联技术还可以实现充电桩与电网之间的数据传输和信息交换，以支持电网调度、电能管理以及实现智能充电策略的执行。充电桩与电网的互联技术还可以实现对充电桩的故障监测和预警，提高充电设备的运行安全性和可靠性。
变频调节技术。变频调节技术是指在充电桩中采用的一种能够实现电力电子转换器中输出电压和频率调节的技术。通过变频调节技术，可以根据电池电压、充电速度需求等参数，调节充电桩中电力电子装置输出的电压和频率。这样可以实现对电能的输出进行控制，提高充电设备的充电效率和充电质量。变频调节技术还可以实现对电力电子装置的功率因数进行调节，减少谐波和电网污染，提高充电设备的工作效率和电能利用率。
综上所述，智能控制技术、充电桩与电网的互联技术和变频调节技术是新能源汽车充电桩中的重要技术。它们的应用可以实现充电桩的智能化控制和管理，提高充电效率和用户体验，同时还能够实现充电桩与电网之间的数据交换和能源协调，促进新能源汽车充电产业的发展。
4安科瑞充电桩收费运营云平台
4.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
4.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
4.3系统结构
4.3.1系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
4.4安科瑞充电桩云平台系统功能
4.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
4.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。
4.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
4.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
4.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
4.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
4.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
4.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
4.5系统硬件配置
类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
| 安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷高效安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、高效、安全的充电服务。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 |
互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D |
| 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D |
| 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S |
| 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S |
| 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电 |
2路智能插座 | ACX2A系列 |
| 2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电 |
20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列 |
| 20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电 |
落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告 |
智能边缘计算网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
导轨式单相电表 | ADL200 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证 |
导轨式电能计量表 | ADL400 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证 |
无线计量仪表 | ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
导轨式直流电表 | DJSF1352-RN |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入较大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
面板直流电表 | PZ72L-DE |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入较大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D |
| 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 |
5结语
本研究对电力电子技术在新能源汽车充电桩中的应用进行了研究和分析，并提出了提高充电桩性能和效率的关键技术。通过智能控制技术、充电桩与电网的互联技术以及变频调节技术的应用，可以优化充电桩的充电速度、能量利用效率和充电功率输出，为用户提供更高效、便捷的充电服务。这对推动新能源汽车的发展和推广具有重要意义。
参考文献
[1]钱宇轩.大规模分散充电桩对电网平衡性影响机理分析与治理措施研究[D].江苏：江苏大学,2022.
[2]王璨,毛玲,赵晋斌等.基于直流充电桩的虚拟惯性控制策略[J].电力电子技术,2021,
55(01):16-18.
[3]张意，方明.电力电子技术在新能源汽车充电桩中的应用.
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.