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

電動汽車直流充電樁原理分析及研發(fā)

直流充電樁工作過程中會產(chǎn)生高達300A 的大電流從而形成高強度電磁波導致電磁污染。人體靠近充電樁為電動汽車充電或等待充電的過程中，電磁波會作用于人體，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時電磁波40%～50%的能量；而能量吸收在電磁波頻率高于1GHz時會急劇增大[1]。高能量電磁波會在人體皮膚表面產(chǎn)生熱效應且易產(chǎn)生灼傷，直至對人體內部器官功能形成較大傷害。因此，開展直流充電樁EMF 試驗方法研究，評估充電樁EMF 水平，預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，可以為電動汽車充電設備提供較大的功率輸出，電壓和電流的可調范圍較廣，能夠達到快速充電的目的。
直流充電樁基本構成包括：功率單元、控制單元、計量單元、充電接口、供電接口和人機交互界面[2]等。功率單元是指整個直流充電系統(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；信號燈提供“待機”、“充電”與“充滿”狀態(tài)指示；顯示屏作為人機交互設備則提供刷卡、充電方式設置與啟停控制操作。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)生機制和電磁生物效應分析
直流充電樁EMF(低頻電磁場)產(chǎn)生來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關管頻繁通斷的同時，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，也會導致充電樁電路板的電流瞬態(tài)激變，從而會產(chǎn)生大量高頻干擾信號。高頻干擾信號通過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，由開關管不斷通斷而產(chǎn)生的高能量電磁輻射頻段主要集中在5kHz～50kHz。該頻段電磁場也被稱為低頻電磁場(EMF)，其對人體的影響有兩類機理：一類為熱效應，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，產(chǎn)生的原因是EMF 在人體內感應的電流對神經(jīng)細胞和組織細胞的刺激，從而改變生理生化過程的效應。與高頻電磁場不同處在于EMF 對人體作用不會產(chǎn)生明顯的熱效應，而主要是非熱效應。
三、直流充電樁EMF 試驗方法研究
EN62233:2008 中描述，EMF 測量主要包括電場測量和磁場測量，由于電場測量極易受到外界干擾測量方法尚在研究中，因此只進行磁場測量。
1.直流充電樁EMF試驗原理
EN62233:2008 給出了3 種測量方法，即時域評估法、線狀譜評估法和簡化測試法[5]。其中，線狀譜評估法適用于50Hz基頻與其諧波；簡化測試法適用于頻率范圍2kHz以下的被測器具。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，采用時域評估法。
直流充電樁為電動汽車充電時產(chǎn)生多頻率的場，因此需要考慮傳遞函數(shù)A（f）。

（1）
其中，BRL（fc0）是指頻率50Hz下對應的磁感應強度，單位：μT；BRL（f）是指頻率f下對應的磁感應強度，單位：μT。轉移函數(shù)A（f）是通過一階濾波器建立的模型。
時域評估法采用的磁場探頭是由3 個互相垂直且面積各為100cm2±5cm2 的正交線圈組成。磁場探頭在X、Y、Z三個方向測量過程為：經(jīng)探頭分別測量信號得的分量→經(jīng)傳遞函數(shù)進行分量加權→將加權信號平方→將信號平方求和→將和取平均值→將平均值取平方根得到Br.m.s。充電設備EMF 測量原理框圖如圖2 所示。

圖2 充電設備EMF 測量原理框圖

EMF 測量值Br.m.s 與50Hz 時磁感應強度的參考值BRL進行比值計算，加權結果Wn 如公式（2）所示：

（2）
其中，Wn 為單次測量的加權結果；Br.m.s 為測量的磁感應強度有效值；BRL為在頻率50Hz處磁感應強度的參考值。
2.直流充電樁EMF測量位置
IEC62110:2009 指出，測量點位置的選取應該考慮使測量結果具有代表性。充電設備測量位置取人員經(jīng)常操作位置，如有必要，可對其四周成正交方位進行測量。對于高度（H）高于1.5m 的充電設備，分別在離地面0.5m、1m 和1.5m 的高度進行測量，即相當于如圖3 所示以標準人體下肢、腹部和胸部的高度進行測量；對于高度（H）低于1.5m的充電設備，分別在離地面H/3、2H/3和H 的高度進行測量。測量點與充電設備表面的水平距離(r)為0.2m[6]。充電設備EMF 測量示意圖如圖4 所示。

圖3 人體類球狀模型

圖4 充電設備EMF 測量示意圖

3.直流充電樁EMF測試方法及限值要求
現(xiàn)階段，國內尚未制定相應的直流充電樁低頻電磁場（EMF）測試標準，因此，本文根據(jù)歐盟標準《IEC62110:2009交流電系統(tǒng)產(chǎn)生的電場和磁場有關公眾照射量的測量程序》和《EN 62233:2008 對人體暴露于家用及類似用途電器電磁場的測量方法》來評估直流充電樁EMF 對人體的輻射水平。
為了更好地論述EMF 測試距離與EMF 磁場強度的關系，模擬人在使用直流充電樁為電動汽車充電時，身體離直流充電樁表面不同距離時受到充電樁EMF 輻射強度的情況，本文進行直流充電樁EMF 測試距離如下所述：在直流充電樁四周距離其表面分別在0cm、10cm、20cm、30cm處進行測量，這種測試距離與EN62233：2008 中規(guī)定的測試距離相比，距離更加嚴酷，對直流充電樁EMF 測試要求更嚴格。
測量過程中，將直流充電樁控制面板為正方向，記為方向A，控制面板左側為方向B，控制面板右側為方向C，控制面板對面為方向D。EN62233:2008 規(guī)定，采用時域評估法時，測試加權值Wn不得超過1。
四、試驗結果分析
本論文以額定功率為30kW 的某品牌直流充電樁為例來分析在不同距離下EMF 的強度加權值Wn。具體內容如表1所示。

表1 不同距離下 EMF 的強度加權值
依據(jù)《IEC62110:2009 交流電系統(tǒng)產(chǎn)生的電場和磁場有關公眾照射量的測量程序》和《EN 62233:2008 對人體暴露于家用及類似用途電器電磁場的測量方法》，由表1 可知，按照上述標準，在距離充電樁表面20cm 的距離下測得四個方位的EMF 均小于1，符合標準限值要求。通過測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，人體距離直流充電樁越遠，EMF 輻射強度越弱，因此，在使用直流充電樁為電動汽車充電時，與充電樁保持一定的距離，可以有效降低充電樁對人體的EMF 輻射強度。
五、教學設備的推薦與介紹

MYXNQ-33 電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓臺

一、電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓臺,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓裝置,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓設備產(chǎn)品簡介：
該設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、結構、原理、操作及排故障。（配套國標充電槍與車載充電座,且安裝真實的驅動電動機運行負載。）
二、電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓臺,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓裝置,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓設備功能特點：
1.詳細的原理框圖展示，真實可操作運行的充電系統(tǒng)與電機驅動系統(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；學員可直觀對照電動汽車充電與電機驅動系統(tǒng)結構原理圖和實物，認識和分析電動汽車充電與電機驅動系統(tǒng)的工作原理。
3.真實的交流充電樁充電端口，便于學習充電端口管腳定義及作用。
4.面板上安裝有點火開關、充電樁分解組件，電機驅動系統(tǒng)組件，電動機控制器，工況指示燈，電源開關，油門踏板，制動踏板，動力電機與電池等模塊與操縱開關。
5.示教板面板部分采用1.5mm冷板沖壓成形結構，外形美觀；底架部分采用鋼結構焊接，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、電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓臺,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓裝置,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓設備產(chǎn)品組成：
電動車交流單槍充電樁、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、負載單元等組成，可移動的臺架。
四、電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓臺,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓裝置,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓設備技術規(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×寬×高)
3.設備顏色：標準7032等
4.鋼管：40*40*3mm
5.設備機柜：1.5mm冷板沖壓成形，背面設置維修門；
6.移動腳輪：100*60mm
五、電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓臺,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓裝置,電動汽車充電樁系統(tǒng)實訓設備實訓項目：
1.交流充電樁內部電路原理實訓
2.交流充電樁的部件組成及作用實訓
3.交流充電樁的操作方法實訓
4.操作充電樁對蓄電池充電、蓄電池通過負載放電的全過程實訓
5.故障設置、排除思路和方法實訓
6.智能充電卡片、充值軟件應用實訓
六、結語
本文主要對直流充電樁充電原理、直流充電樁EMF 產(chǎn)生機制和電磁生物效應、直流充電樁EMF 試驗方法進行了闡述、分析和研究，同時，結合我院試驗能力對額定功率為30kW 的某品牌直流充電樁進行了試驗，對試驗結果進行了分析和判定，有助于相關的企業(yè)、機構、院校進行充電樁EMF試驗，具有一定的參考價值。

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