主頁(yè) > 新聞動(dòng)態(tài) > 電動(dòng)汽車直流充電樁原理分析及研發(fā)2021-12-02

電動(dòng)汽車直流充電樁原理分析及研發(fā)

直流充電樁工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高達(dá)300A 的大電流從而形成高強(qiáng)度電磁波導(dǎo)致電磁污染。人體靠近充電樁為電動(dòng)汽車充電或等待充電的過(guò)程中，電磁波會(huì)作用于人體，可以被反射、吸收和穿透。研究表明：人體能夠吸收頻率為低于1GHz時(shí)電磁波40%～50%的能量；而能量吸收在電磁波頻率高于1GHz時(shí)會(huì)急劇增大[1]。高能量電磁波會(huì)在人體皮膚表面產(chǎn)生熱效應(yīng)且易產(chǎn)生灼傷，直至對(duì)人體內(nèi)部器官功能形成較大傷害。因此，開(kāi)展直流充電樁EMF 試驗(yàn)方法研究，評(píng)估充電樁EMF 水平，預(yù)防人體受到電磁傷害意義重大。
一、直流充電樁充電原理分析
直流充電樁是與交流（AC 380V）電網(wǎng)相連為非車載蓄電池或電池包進(jìn)行充電的供電裝置。直流充電樁使用輸入電壓為AC380V，頻率為50Hz 的三相四線電源，因此，可以為電動(dòng)汽車充電設(shè)備提供較大的功率輸出，電壓和電流的可調(diào)范圍較廣，能夠達(dá)到快速充電的目的。
直流充電樁基本構(gòu)成包括：功率單元、控制單元、計(jì)量單元、充電接口、供電接口和人機(jī)交互界面[2]等。功率單元是指整個(gè)直流充電系統(tǒng)，控制單元是指充電樁控制器。直流充電樁的電氣部分由主回路和二次回路組成。主回路的輸入是三相交流電AC380V，經(jīng)輸入斷路器、交流智能電能表之后由充電系統(tǒng)中的整流模塊將三相交流電轉(zhuǎn)換為電池可以接受的直流電，再連接熔斷器和充電槍，給電動(dòng)汽車充電。二次回路由充電樁控制器、讀卡器、顯示屏、直流電表等組成。二次回路還提供“啟停”控制與“急停”操作；信號(hào)燈提供“待機(jī)”、“充電”與“充滿”狀態(tài)指示；顯示屏作為人機(jī)交互設(shè)備則提供刷卡、充電方式設(shè)置與啟�？刂撇僮�。直流充電樁電氣系統(tǒng)基本原理圖如圖1 所示。

圖1 直流充電樁電氣系統(tǒng)基本原理框圖

二、直流充電樁EMF產(chǎn)生機(jī)制和電磁生物效應(yīng)分析
直流充電樁EMF(低頻電磁場(chǎng))產(chǎn)生來(lái)源主要為射頻輻射發(fā)射。射頻輻射發(fā)射以空間輻射的方式造成周圍空間的電磁污染。直流充電樁大功率開(kāi)關(guān)管頻繁通斷的同時(shí)，產(chǎn)生的瞬態(tài)高峰脈沖電壓在引起電源線電流突變[3]的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致充電樁電路板的電流瞬態(tài)激變，從而會(huì)產(chǎn)生大量高頻干擾信號(hào)。高頻干擾信號(hào)通過(guò)電路板中等效的偶極子天線向周圍空間發(fā)射電磁波，從而形成了電磁輻射。
直流充電樁充電時(shí)，由開(kāi)關(guān)管不斷通斷而產(chǎn)生的高能量電磁輻射頻段主要集中在5kHz～50kHz。該頻段電磁場(chǎng)也被稱為低頻電磁場(chǎng)(EMF)，其對(duì)人體的影響有兩類機(jī)理：一類為熱效應(yīng)，產(chǎn)生的原因是人體組織器官由于吸收了電磁能量使其溫度升高[4]，從而引起生理和病理變化的作用；另一類為非熱效應(yīng)，產(chǎn)生的原因是EMF 在人體內(nèi)感應(yīng)的電流對(duì)神經(jīng)細(xì)胞和組織細(xì)胞的刺激，從而改變生理生化過(guò)程的效應(yīng)。與高頻電磁場(chǎng)不同處在于EMF 對(duì)人體作用不會(huì)產(chǎn)生明顯的熱效應(yīng)，而主要是非熱效應(yīng)。
三、直流充電樁EMF 試驗(yàn)方法研究
EN62233:2008 中描述，EMF 測(cè)量主要包括電場(chǎng)測(cè)量和磁場(chǎng)測(cè)量，由于電場(chǎng)測(cè)量極易受到外界干擾測(cè)量方法尚在研究中，因此只進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。
1.直流充電樁EMF試驗(yàn)原理
EN62233:2008 給出了3 種測(cè)量方法，即時(shí)域評(píng)估法、線狀譜評(píng)估法和簡(jiǎn)化測(cè)試法[5]。其中，線狀譜評(píng)估法適用于50Hz基頻與其諧波；簡(jiǎn)化測(cè)試法適用于頻率范圍2kHz以下的被測(cè)器具。直流充電樁是由多頻率器件組成的裝置，基本頻率為50Hz，因此，采用時(shí)域評(píng)估法。
直流充電樁為電動(dòng)汽車充電時(shí)產(chǎn)生多頻率的場(chǎng)，因此需要考慮傳遞函數(shù)A（f）。

（1）
其中，BRL（fc0）是指頻率50Hz下對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：μT；BRL（f）是指頻率f下對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位：μT。轉(zhuǎn)移函數(shù)A（f）是通過(guò)一階濾波器建立的模型。
時(shí)域評(píng)估法采用的磁場(chǎng)探頭是由3 個(gè)互相垂直且面積各為100cm2±5cm2 的正交線圈組成。磁場(chǎng)探頭在X、Y、Z三個(gè)方向測(cè)量過(guò)程為：經(jīng)探頭分別測(cè)量信號(hào)得的分量→經(jīng)傳遞函數(shù)進(jìn)行分量加權(quán)→將加權(quán)信號(hào)平方→將信號(hào)平方求和→將和取平均值→將平均值取平方根得到Br.m.s。充電設(shè)備EMF 測(cè)量原理框圖如圖2 所示。

圖2 充電設(shè)備EMF 測(cè)量原理框圖

EMF 測(cè)量值Br.m.s 與50Hz 時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的參考值BRL進(jìn)行比值計(jì)算，加權(quán)結(jié)果Wn 如公式（2）所示：

（2）
其中，Wn 為單次測(cè)量的加權(quán)結(jié)果；Br.m.s 為測(cè)量的磁感應(yīng)強(qiáng)度有效值；BRL為在頻率50Hz處磁感應(yīng)強(qiáng)度的參考值。
2.直流充電樁EMF測(cè)量位置
IEC62110:2009 指出，測(cè)量點(diǎn)位置的選取應(yīng)該考慮使測(cè)量結(jié)果具有代表性。充電設(shè)備測(cè)量位置取人員經(jīng)常操作位置，如有必要，可對(duì)其四周成正交方位進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于高度（H）高于1.5m 的充電設(shè)備，分別在離地面0.5m、1m 和1.5m 的高度進(jìn)行測(cè)量，即相當(dāng)于如圖3 所示以標(biāo)準(zhǔn)人體下肢、腹部和胸部的高度進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于高度（H）低于1.5m的充電設(shè)備，分別在離地面H/3、2H/3和H 的高度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)與充電設(shè)備表面的水平距離(r)為0.2m[6]。充電設(shè)備EMF 測(cè)量示意圖如圖4 所示。

圖3 人體類球狀模型

圖4 充電設(shè)備EMF 測(cè)量示意圖

3.直流充電樁EMF測(cè)試方法及限值要求
現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)尚未制定相應(yīng)的直流充電樁低頻電磁場(chǎng)（EMF）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)《IEC62110:2009交流電系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng) 有關(guān)公眾照射量的測(cè)量程序》和《EN 62233:2008 對(duì)人體暴露于家用及類似用途電器電磁場(chǎng)的測(cè)量方法》來(lái)評(píng)估直流充電樁EMF 對(duì)人體的輻射水平。
為了更好地論述EMF 測(cè)試距離與EMF 磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，模擬人在使用直流充電樁為電動(dòng)汽車充電時(shí)，身體離直流充電樁表面不同距離時(shí)受到充電樁EMF 輻射強(qiáng)度的情況，本文進(jìn)行直流充電樁EMF 測(cè)試距離如下所述：在直流充電樁四周距離其表面分別在0cm、10cm、20cm、30cm處進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)試距離與EN62233：2008 中規(guī)定的測(cè)試距離相比，距離更加嚴(yán)酷，對(duì)直流充電樁EMF 測(cè)試要求更嚴(yán)格。
測(cè)量過(guò)程中，將直流充電樁控制面板為正方向，記為方向A，控制面板左側(cè)為方向B，控制面板右側(cè)為方向C，控制面板對(duì)面為方向D。EN62233:2008 規(guī)定，采用時(shí)域評(píng)估法時(shí)，測(cè)試加權(quán)值Wn不得超過(guò)1。
四、試驗(yàn)結(jié)果分析
本論文以額定功率為30kW 的某品牌直流充電樁為例來(lái)分析在不同距離下EMF 的強(qiáng)度加權(quán)值Wn。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 不同距離下 EMF 的強(qiáng)度加權(quán)值
依據(jù)《IEC62110:2009 交流電系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng) 有關(guān)公眾照射量的測(cè)量程序》和《EN 62233:2008 對(duì)人體暴露于家用及類似用途電器電磁場(chǎng)的測(cè)量方法》，由表1 可知，按照上述標(biāo)準(zhǔn)，在距離充電樁表面20cm 的距離下測(cè)得四個(gè)方位的EMF 均小于1，符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，人體距離直流充電樁越遠(yuǎn)，EMF 輻射強(qiáng)度越弱，因此，在使用直流充電樁為電動(dòng)汽車充電時(shí)，與充電樁保持一定的距離，可以有效降低充電樁對(duì)人體的EMF 輻射強(qiáng)度。
五、教學(xué)設(shè)備的推薦與介紹

MYXNQ-33 電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)

一、電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái),電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置,電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備產(chǎn)品簡(jiǎn)介：
該設(shè)備完整展示了新能源汽車充電裝置系統(tǒng),全面展示了充電樁的組成、結(jié)構(gòu)、原理、操作及排故障。（配套國(guó)標(biāo)充電槍與車載充電座,且安裝真實(shí)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)載。）
二、電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái),電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置,電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備功能特點(diǎn)：
1.詳細(xì)的原理框圖展示，真實(shí)可操作運(yùn)行的充電系統(tǒng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
2.面板采用4mm厚耐腐蝕、耐創(chuàng)擊、耐污染、防火、防潮的高級(jí)鋁塑板，表面經(jīng)特殊工藝噴涂底漆處理；面板打印有永不褪色的彩色電路圖與工作原理示意圖；學(xué)員可直觀對(duì)照電動(dòng)汽車充電與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖和實(shí)物，認(rèn)識(shí)和分析電動(dòng)汽車充電與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理。
3.真實(shí)的交流充電樁充電端口，便于學(xué)習(xí)充電端口管腳定義及作用。
4.面板上安裝有點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、充電樁分解組件，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件，電動(dòng)機(jī)控制器，工況指示燈，電源開(kāi)關(guān)，油門踏板，制動(dòng)踏板，動(dòng)力電機(jī)與電池等模塊與操縱開(kāi)關(guān)。
5.示教板面板部分采用1.5mm冷板沖壓成形結(jié)構(gòu)，外形美觀；底架部分采用鋼結(jié)構(gòu)焊接，表面采用噴涂工藝處理，帶自鎖腳輪裝置，示教板底座上配有30cm左右的桌面，方便放置資料、輕型檢測(cè)儀器等。
6.配套充電樁智能充電卡片、充值軟件。
7.安裝充電樁的電壓表與電流表，同步顯示數(shù)據(jù)。
三、電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái),電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置,電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備產(chǎn)品組成：
電動(dòng)車交流單槍充電樁、智能充電卡片、充值軟件、電壓顯示、電流顯示、交流充電樁充電插座/充電槍、蓄電池組、負(fù)載單元等組成，可移動(dòng)的臺(tái)架。
四、電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái),電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置,電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備技術(shù)規(guī)格：
1.供電電源：AC220V ±10% 50Hz
2.供電電流：最大32A
3.工作溫度：-40℃～+50℃
4.外形尺寸：1240×600×1700mm(長(zhǎng)×寬×高)
3.設(shè)備顏色：標(biāo)準(zhǔn)7032等
4.鋼管：40*40*3mm
5.設(shè)備機(jī)柜：1.5mm冷板沖壓成形，背面設(shè)置維修門；
6.移動(dòng)腳輪：100*60mm
五、電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái),電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)裝置,電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目：
1.交流充電樁內(nèi)部電路原理實(shí)訓(xùn)
2.交流充電樁的部件組成及作用實(shí)訓(xùn)
3.交流充電樁的操作方法實(shí)訓(xùn)
4.操作充電樁對(duì)蓄電池充電、蓄電池通過(guò)負(fù)載放電的全過(guò)程實(shí)訓(xùn)
5.故障設(shè)置、排除思路和方法實(shí)訓(xùn)
6.智能充電卡片、充值軟件應(yīng)用實(shí)訓(xùn)
六、結(jié)語(yǔ)
本文主要對(duì)直流充電樁充電原理、直流充電樁EMF 產(chǎn)生機(jī)制和電磁生物效應(yīng)、直流充電樁EMF 試驗(yàn)方法進(jìn)行了闡述、分析和研究，同時(shí)，結(jié)合我院試驗(yàn)?zāi)芰?duì)額定功率為30kW 的某品牌直流充電樁進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和判定，有助于相關(guān)的企業(yè)、機(jī)構(gòu)、院校進(jìn)行充電樁EMF試驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值。

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電動(dòng)汽車直流充電樁原理分析及研發(fā)

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