电动汽车直流与交流充电桩技术研究和应用

摘要:发展充电桩技术能够支撑电动汽车产业发展,助力实现双碳目标.直流与交流充电作为两种主要补能方式,对充电技术行业的发展起着重要作用,文章基于电动汽车充电桩的特点,对直流充电桩与交流充电桩的电气原理进行分析,介绍了充电桩充电过程及各结构功能,并研究了其未来发展方向。

关键词:直流充电;交流充电;充电桩; 电动汽车

一、引言

新能源汽车充电桩是维持新能源电动汽车能源补给，保障新能源汽车便利畅行的重要后勤部分。为早日实现碳达峰及碳中和目标，推动我国新能源汽车产业健康、稳定、持续的发展，新能源电动汽车配套的能源补给设施——充电桩，受到国内外商业资本关注。在商场、居民停车场、公共楼宇等地方，设置合理的充电桩，将有利于新能源汽车的推广与增长，刺激下沉市场的新能源汽车产业发展，同时有利于推动清洁能源的使用和能源节能。为进一步促进新能源产业健全发展，加快新能源相关产业布局，全国各地新能源汽车扶持政策陆续出台，伴随着新能源汽车扶持政策的加持，新能源充电配套发展需求提上日程。

二、交流充电桩与直流充电桩的工作原理及优点

电动汽车的充电过程需要将外部电源的交流电(AC)转化为电池储存的直流电(DC)。交流充电桩将这一转换过程交给了车载充电器，它将外界的交流电源转换为直流电进行储存。而直流充电则在充电桩内部完成了交流到直流的转换过程，直接向电动汽车电池供应直流电。

2.1 交流充电桩优点

交流充电桩(俗称“慢充”)则通过车载充电机为电动汽车的电池充电，充电过程需要车载充电机将交流电转换为直流电。这种方式的充电速度相对较慢，但对电池的损耗较小。

（1）成本较低:由于交流充电桩的转换器简单，且主要的电力转换在车载充电器内部完成，所以相比直流充电桩，交流充电桩的造价更低。

（2）安装维护简便:交流充电桩体积较小，安装灵活，对地面承载力的要求相对较低，便于在个人住宅、商业建筑等场所安装使用。

（3）广泛适用:几乎所有电动汽车均支持交流充电，使得交流充电具有更广泛的适用性。

然而，交流充电桩充电效率相对较低，一般需要数小时才能完成充电，更适合家用或工作地点停留时间较长的情景。

2.2 直流充电桩优点

直流充电(俗称“快充”）直接将交流电转换为直流电，以高功率为电动汽车的电池快速充电。这种方式可以绕过车载充电机的限制，直接对电池进行充电，因此充电速度较快。

1. 充电速度快:显著的优势是充电速度迅速。对于急需快速补充电量的消费者，直流充电桩可以在30分钟之内将电动汽车的电量充至80%左右，提高了充电效率。
2. 高效能转换:由于电力转换过程在充电桩内完成，减少了能量的传输损失，提高了充电效率。
3. 智能化程度高:直流充电桩一般配有更的控制系统和用户界面，可以提供更多充电管理和支付方面的功能。直流充电桩的主要缺点是成本较高，安装和维护要求相对更为严格，因此，它们更多地被安装在公共充电站和快速充电网络中。

三、直流充电桩与交流充电桩核心区别对比

3.1充电速度

直流充电桩:由于直流充电桩具有较高的充电功率，通常在60KW以上，其他也有30kW、120kW、160kW、360kW、480KW等规格，因此充电速度较快，在理想情况下，可以在20-150分钟内将电池充至满电状态。

交流充电桩:交流充电桩的充电功率一般较低，通常为7kW左右，其他也有3.5kW、11KW等规格因此充电时间较长，通常需要8-15小时才能将电池充满。

3.2充电桩成本

直流充电桩:直流充电桩的制造和安装成本较高，需要大体积变压器和交直流转换模块，造价远超交流充电桩。

交流充电桩:交流充电桩的制造和安装成本较低，结构简单，体积小，便于安装和普及。

3.3充电桩体积

直流充电桩:由于内部组成模块较多，直流桩的体积都比较大，其充电***头是九孔的。交流充电桩:交流桩的模块相对较少，体积比较小，其充电***头是七孔的。

3.4适应场景

直流充电桩:由于充电速度快，直流充电适合安装在高速公路旁的充电站、出租车和公交车站等对充电时间要求较高的场景。

交流充电桩:交流充电桩适合安装在小区、停车场等场所，满足日常充电需求，尤其适合夜间充电，因为用户可以在夜间充电，使用车辆时电池已充满。

四、应用方案

图1 平台结构图

充电运营管理平台是基于物联网和大数据技术的充电设施管理系统，可以实现对充电桩的监控、调度和管理，提高充电桩的利用率和充电效率，提升用户的充电体验和服务质量。用户可以通过APP或小程序提前预约充电，避免在充电站排队等待的情况，同时也能为充电站提供更准确的充电需求数据，方便后续的调度和管理。通过平台可对充电桩的功率、电压、电流等参数进行实时监控，及时发现和处理充电桩故障和异常情况对充电桩的功率进行控制和管理，确保充电桩在合理的功率范围内充电，避免对电网造成过大的负荷。

五、安科瑞充电桩云平台具体的功能

平台除了对充电桩的监控外，还对充电站的光伏发电系统、储能系统以及供电系统进行集中监控和统一协调管理，提高充电站的运行可靠性，降低运营成本，平台系统架构如图2所示。

图2 充电桩运营管理平台系统架构

大屏显示：展示充电站设备统计、使用率排行、运营统计图表、节碳量统计等数据。

图3 大屏展示界面

站点监控：显示设备实时状态、设备列表、设备日志、设备状态统计等功能。

图4 站点监控界面

设备监控：显示设备实时信息、配套设备状态、设备实时曲线、关联订单信息、充电功率曲线等。

图5 设备监控界面

运营趋势统计：显示运营信息查询、站点对比曲线、日月年报表、站点对比列表等功能。

图6 运营趋势界面

收益查询：提供收益汇总、实际收益报表、收益变化曲线、支付方式占比等功能。

图7 收益查询界面

故障分析：提供故障汇总、故障状态饼图、故障趋势分析、故障类型饼图等功能。

图8 故障分析界面

订单记录：提供实时/历史订单查询、订单终止、订单详情、订单导出、运营商应收信息、充电明细、交易流水查询、充值余额明细等功能。

图9 订单查询界面

六、产品选型

安科瑞为广大用户提供慢充和快充两种充电方式，便携式、壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kw/21kw交流充电桩，30kw直流充电桩，60kw/80kw/120kw/180kw直流一体式充电桩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。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，同时为提高公共充电桩的效率和实用性，具有有智能监测：充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能；智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能；云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表分析等等；远程升级：具备完善的通讯功能，可远程对设备软件进行升级；保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护，漏电保护和接地保护等功能；适配车型：满足国标充电接口，适配所有符合国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。下面是具体产品的型号和技术参数。

七、现场图片

八、结论

直流充电桩的市场集中度较高，主要运营商的市场份额达到85.2%，且公共直流的保有量持续增长，但占比有所下降。交流充电桩由于成本较低，易于普及推广，因此在小区、停车场等场所建设较为普遍。

随着电动汽车市场的持续扩大，直流充电和交流充电都将迎来更为广泛的应用。未来，随着技术的进步和成本的下降，二者在充电速度、智能化水平、成本效益等方面都将有所改善。同时，新的充电技术，如无线充电等也将逐步走向成熟，为电动汽车用户带来更多更便捷的选择。