恒功率充电模块不是恒功率充电 ∣“充电桩之芯及其它”系列之二十

发表时间:2018-12-12 10:44

充电桩之芯(直流充电桩充电模块的代名词,高斯宝电气出品)的控制环路是“双环控制”,外环是电流环,内环是电压环。当给定电压(电压需求)远大于采样电压时,电压环失效,充电桩之芯工作在电流环,充电桩之芯处于恒流工作模式。当给定电流(电流需求)远大于采样电流时,电流环失效,充电桩之芯工作在电压环,充电桩之芯处于恒压工作模式。详情请参考阅读:《“充电桩之芯及其它”系列之十一:均充,浮充,恒流充电,恒压充电,涓流充电:到底该怎么充?》《“充电桩之芯及其它”系列之十三:恒流充电和恒压充电的本质是什么?》。

今天,我想科普的是:恒功率充电模块并不是恒功率充电。先列出这篇文章的3个标题以“撩”起你的阅读兴趣。

1,充电模块的伏安特性曲线

2,恒功率之谓,国网再“撩”风云

3,恒功率功能的实现只关乎产品定义,不关乎技术含量,对主流玩家都是小菜一碟

充电过程中,BMS发送电流需求和电压需求给充电桩控制器,充电桩控制器将此指令再发送给充电模块。由于电压需求远大于当前电池的实际电压,充电模块工作在电流环,是谓“恒流充电”。实际的充电过程中,绝大部分时间内是“恒流充电”。在恒流充电过程中,电压是慢慢爬升的,譬如以380V,80A充电15分钟,再以381V,80A充电15分钟,再以382V,80A充电15分钟,…… 这样持续一段时间后,电池电压接近电池可以接受的最大允许电压,充电电流会减小,再以恒定电压、小电流充电一段时间。有些BMS在没有进入恒压阶段就结束了充电过程。(充电过程的BMS控制策略和电池的材料特性有关,恒流充电过程中的电压上升率和SOC、充电电流大小有关。)

那么,为什么有“恒功率充电”之说呢?


1充电模块的伏安特性曲线


重复强调,整个充电过程中,充电模块要么工作在“恒流充电模式”,要么工作在“恒压充电模式”,没有所谓的“恒功率充电模式”。 业界天天在谈的“恒功率充电”是针对充电模块的伏安特性曲线(VI曲线)的。VI曲线的横坐标是电流,纵坐标是电压(当然,也可以横坐标是电压,纵坐标是电流)。当前主流的充电模块15KW最大输出电压有750V和500V两种。针对750V,15KW模块,工作在750V时,输出电流20A,功率是15KW; 但是,如果工作在600V时,输出电流也是20A,输出功率就只有12KW了; 在500V时,输出电流还是20A,这时的功率就只有10KW了。 针对500V,15KW模块,工作在500V时,输出电流30A,功率是15KW; 但是,如果在400V时,输出电流也是30A,这时的功率就只有12KW了,并不是15KW; 在300V时,输出电流还是30A,这时的功率就只有9KW了。虽然是15KW的充电模块,并不能一直工作在15KW。

750V模块的充电电流被限制在了20A,500V模块的充电电流被限制在了30A!这似乎让人很不爽! 为什么不可以在任意电压时输出功率都是15KW呢?   这个问题就带来了充电模块厂家的竞争。有一个充电模块厂商推出了所谓的“恒功率模块”,所有充电模块厂商就会都推出了所谓的“恒功率模块”。

到了2017年上半年,业内普遍的VI曲线如下图1所示:


图1   2017年上半年,15KW充电模块的VI曲线,上图为750V模块,下图为500模块

但是这些恒功率并不是全程恒功率! 针对750V模块,在750V到600V时是恒功率。 在750V时,输出电流20A; 在700V时,输出电流21.4A; 在650V时,输出电流23A; 在600V时,输出电流25A。600V以下的输出电流被限制在25A。 针对500V模块,在500V到400V时是恒功率,在500V时,输出电流30A,在450V时,输出电流33.3A; 在400V时,输出电流23A; 在400V时,输出电流37.5A(有的厂家可能了38A,甚至更大一点)。600V以下的输出电流被限制在25A。


2恒功率之谓,国网再“撩”风云

在直流充电桩市场,国网的影响力巨大。作为超大型国有企业,重要资源拥有者,充电桩市场最大的运营商,充电桩国家标准制定的主要影响者,它每次有个小动作,都会被业内放大传播。当然,业内小圈子喜欢讨论的第一个话题是,“这次是被哪家操纵的?” 人们好象不相信国网的需求来自市场的需求,而是人为的。其实不然,我窃以为,国网提出恒功率要求是认真的。虽然对于高速公路以外的市场,这个需求并不存在。

在过去一周里“恒功率充电”再次成为话题,源于国网于2017年10月12日发布了一则公告,“国家电网公司组织专家对《电动汽车充电设备供应商资质能力核实标准》进行了修订,将在随后的电动汽车充电设备供应商资质能力核实工作中应用”。这个供应商资格审查要求“供应商应提供直流充电机部分输出电压区间恒功率充电功能的委托试验报告,报告出具单位应与型式试验报告一致。” 这个恒功率充电功能的试验要求如下:

400到500V恒功率,600V到750V恒功率。按照这个要求,充电厂家做出的充电模块VI曲线不会纠结在500V到650V不是恒功率,干脆做成400V到750V之间都是恒功率了。

这种没有技术门槛的改变对充电模块厂商是个利好消息:500V模块将退出市场。这对生产备料要省好大的事!!

下图2为高斯宝电气“充电桩之芯”的VI曲线。我相信很快主流玩家都搞出具备这个曲线的充电模块了。

图2   充电桩之芯的VI曲线


3恒功率功能的实现只关乎产品定义,不关乎技术含量,对主流玩家都是小菜一碟

750V,15KW和500V,15KW充电模块的区别有哪些?输入特性是完全一样的,PFC电路是完全一样的,DC/DC的原边电路是一样的,因为都是15KW嘛! 差别在于750V的输出电压大,输出电流小,500V的输出电压小,输出电流大一些,由此带来的两者电路上的差别只在于(针对LLC拓朴):1,变压器 2,输出二极管 3,输出电容 4,电压采样分压电路 5,电流采样调理电路 6,软件程序。 为了便于生产管理,很多厂家将750V和500V的PCB板都做成一样了,就是说副边的PCB走线可以接受38A电流。 改变750V的恒功率段,针对LLC拓朴,要改变的无非是:1,变压器 2,谐振电感 3,谐振电容 4,输出二极管 5,输出滤波电容 6,软件程序。 变压器需要改变的是副边的线径,因为输出电流大了。输出二极管的耐压要满足高压、大电流,成本上略高一些。适当改变LLC的谐振参数以满足各项指标。由于是数字控制,VI曲线的改变要容易很多。现在除了有一个厂商的DC/DC还是模拟控制之外,主流厂商都是数字控制了。因此,国网的恒功率要求的主要工作量是测试验证工作,特别是更换了关键器件之后的温升检验。

国网要求一发布,业内人士在朋友圈里示出图2,纷纷举手,“我可以,我可以”,惟恐落后。谁都可以,先将你的模块送到北京、南京或许昌去拿报告再说! 该能拿到国网订单的总会拿到,找不到门路的继续找门路哈~

既然改变不大,没有什么技术含量,为什么不在一开始就定义为一款模块呢?   我想这关乎产品的定义,也就是对需求的理解,在新的领域有一个渐进式精细深刻的过程。既然谁都可以做到,说明技术上只是小菜一碟,不是什么技术门槛的事。

抛开国网的一纸要求,让我们回到“需求”本身:

对于公交大巴的应用,只能用750V模块,因为充电电压高于500V。按照图1 750V模块的VI曲线进行充电和按照图2的VI曲线进行充电,充电时间差别不大。显然,国网需求不是为了提高大巴充电效率。

对于已经建成的公交大巴充电桩,现在主流的功率大小是120KW甚至更高。使用120KW的充电桩给乘用车或物流车充电,即使每个模块最大只有25A,整个充电桩的输出电流远大于乘用车或物流车的需求电流,充电模块有没有恒功率毫无影响。使用60KW的充电桩,输出电流也有100A,也是远大于多数乘用车或物流车的需求电流。

之前国网采购的充电模块多数是500V的,主要应用场景是高速公路,充电对象是乘用车为主,所以使用500V的比较合适。虽然现在高速公路上的充电桩平均两年可能会使用一次,但是,不排除将来在高速公路上可能会有长途大巴车也要充电,500V模块就无法满足了。如果在每个站点配置的充电桩部分是500V,部分是750V,显然将很麻烦。将750V模块和500V模块合二为一,可以满足高速公路上的充电需求。这是市场需求精细化的必然。


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