陳偉明 王靖友

摘要：充電樁作為電動(dòng)汽車普及的基礎(chǔ)設(shè)施，其設(shè)計(jì)質(zhì)量關(guān)系到電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展。而傳統(tǒng)的交流充電樁由于充電速度較慢、無法調(diào)節(jié)輸出等問題，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前用戶的需求。因此，研發(fā)大功率直流充電樁已經(jīng)成為當(dāng)前熱門研究課題。相較于交流充電樁，直流充電樁輸出直流電可調(diào)且調(diào)整范圍大，實(shí)現(xiàn)了快速充電的要求。對(duì)大功率直流充電樁進(jìn)行研究，提出了針對(duì)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：大功率；直流快充；充電樁

中圖分類號(hào)：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著當(dāng)前全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的能源危機(jī)現(xiàn)象不斷增多，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，很多國家開始大力推廣電動(dòng)汽車，降低油車排放量。而完善的充電裝置是電動(dòng)汽車快速發(fā)展的關(guān)鍵。我國的直流充電樁覆蓋率較高，但依舊以小功率充電樁為主，無法滿足用戶快速充電的需求[1]。因此，研究功率更高、充電更快的充電樁成為充電樁領(lǐng)域的重點(diǎn)。本文針對(duì)當(dāng)前充電樁存在的問題，提出大功率直流充電樁，以解決充電時(shí)間長、電池續(xù)航短等問題，從而促進(jìn)電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展。

1 大功率直流充電樁設(shè)備的總體布局

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，直流充電樁仍有一定的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)充電樁的整體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)充電模塊的大小和數(shù)量確定其結(jié)構(gòu)尺寸，充電樁的整體結(jié)構(gòu)尺寸控制在1 800 mm×750 mm×450 mm（高× 寬×深）。為了控制充電樁整體的重量和成本，充電樁的外殼結(jié)構(gòu)需要具有承重的功能。充電樁底部為一塊整體厚度為3.0 mm 鋼板，以保證固定強(qiáng)度，充電樁外殼和箱門使用鋼板制作，板材厚度＞1.5 mm，以提高外殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。直流充電樁的結(jié)構(gòu)采用雙層設(shè)計(jì)，這解決了充電樁在室外使用時(shí)的絕緣和保護(hù)問題[2]?？紤]到上述充電樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在充電樁頂部安裝頂棚（圖1），可以有效達(dá)到通風(fēng)、裝飾和防雨的效果。在充電樁的左右兩側(cè)板預(yù)留充電槍線出口。

2 充電樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

為了滿足新能源車主隨時(shí)隨地的充電需求，在室內(nèi)與室外均放置了直流充電樁。如果將充電樁擺放在室外，則需要提高對(duì)充電樁材料的質(zhì)量要求。同時(shí)考慮到充電樁可能會(huì)受到碰撞等意外損害，所以對(duì)充電樁的穩(wěn)定性也提出了更高的要求。在設(shè)計(jì)充電樁時(shí)，需要考慮充電樁尺寸、外觀、人機(jī)工程學(xué)等方面[3]。另外，還需要對(duì)充電樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度與模態(tài)分析，保障充電樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定性。

在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型充電樁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的實(shí)用性更強(qiáng)，具有一定的參考價(jià)值。充電樁的底部結(jié)構(gòu)采用底部框架的形式，其主要優(yōu)點(diǎn)是便于后續(xù)設(shè)備的安裝。為了保證充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在充電樁內(nèi)部安裝了一定數(shù)量的骨架。骨架的最大功能是支撐充電樁，同時(shí)在充電樁的骨架上部還可以安裝電氣部件。在設(shè)計(jì)充電樁的樁體架構(gòu)時(shí)，可以采用長方形結(jié)構(gòu)，但需要注意的是，長方形結(jié)構(gòu)的局部需要經(jīng)過曲面或圓角處理，降低危險(xiǎn)性[4]。同時(shí)，在設(shè)計(jì)充電樁內(nèi)部框架時(shí)，還應(yīng)注意內(nèi)部電氣元件的安裝和內(nèi)部布線的空間設(shè)計(jì)。

2.2 充電樁材料選擇

在設(shè)計(jì)充電樁外觀時(shí)，需要考慮環(huán)境、氣候因素可能造成的影響。所以，戶外安裝的充電樁對(duì)于表面材料的耐腐蝕性要求非常強(qiáng)，表面材料需滿足防塵和防雨的基本要求，可以承受極端天氣條件帶來的影響?；谝陨系脑O(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的充電樁使用不銹鋼材料。因?yàn)橛脩魰?huì)經(jīng)常接觸充電樁的人機(jī)交互界面，為了方便用戶操作，充電樁的數(shù)據(jù)顯示區(qū)和刷卡區(qū)可以使用聚碳酸酯（polycarbonate，PC）材料，以防止漏電和短路，保護(hù)用戶。PC 材料的阻燃性、自熄性、耐腐蝕性較好，還具有高耐壓性的特點(diǎn)。在充電樁刷卡區(qū)使用PC 材料，可以滿足功能分區(qū)的要求，為用戶提供安全的操作空間[5]。

充電樁框架使用鋼板焊接，鋼材料可以滿足高溫、暴雨、暴風(fēng)、暴雪等各種極端天氣的使用需求。同時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)成本，充電樁框架選擇Q235A 鋼，該材料具有顯著的塑性和韌性，易于焊接和熱處理，可以用作充電樁外殼承重柱的框架材料。

在制作鋼板時(shí)，通過焊接成型，鈑金折彎工藝可以極大地控制充電樁的結(jié)構(gòu)變形。在樁體表面噴涂靜電粉末，以確保充電樁外殼具有抗靜電作用，并且保護(hù)充電樁結(jié)構(gòu)免受外部腐蝕。

2.3 充電樁模塊設(shè)計(jì)

充電樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法，由人機(jī)交互系統(tǒng)模塊、主控制器模塊、交流輸入模塊、功率變換模塊、直流輸出模塊等共同構(gòu)成充電樁結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。其中，人機(jī)交互系統(tǒng)模塊負(fù)責(zé)充電樁的信息顯示，如充電狀態(tài)、電池?fù)p耗和充電成本等。該模塊是由充電指示燈、刷卡掃描區(qū)、液晶觸摸屏等構(gòu)成，其設(shè)計(jì)在充電樁正面的位置，方便用戶觀察充電情況。人機(jī)交互系統(tǒng)模塊可以為用戶提供簡潔明了的操作和人機(jī)界面，大大提高了用戶的充電效率。主控制器模塊是充電樁提供充電功能的核心，其由如下3 個(gè)模塊構(gòu)成。①安全控制模塊：包括漏電保護(hù)斷路器、緊急停止按鈕、熔斷器等，在充電期間一旦出現(xiàn)意外情況，用戶按下緊急停止按鈕，能夠快速斷開電動(dòng)汽車和充電樁的連接；②控制器模塊：包括一個(gè)微控制器，并且含有多個(gè)通信接口，這大大方便了電路設(shè)計(jì)；③數(shù)據(jù)收集模塊：負(fù)責(zé)充電樁與汽車之間的通信，采用控制器局域網(wǎng)總線（controller area network，CAN）接口，通過物理連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和傳輸。交流輸入模塊位于充電樁正面下部，包含交流斷路器和交流接觸器，為功率變換模塊提供交流電的輸入。功率變換模塊位于充電樁后側(cè)單獨(dú)的艙體，主要功能是將外部輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并根據(jù)電動(dòng)汽車電池的需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出直流電的電壓和電流。直流輸出模塊使用直流多功能電表，電表讀數(shù)作為充電樁的能量值，通過讀取電壓、電流等數(shù)據(jù)，可以判斷電壓與電流值是否正常。如果超過額定值，充電連接器會(huì)將信號(hào)返回到主控制器，由主控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行斷電，有效避免過流和過壓。

2.4 充電樁的外形建模

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文使用Creo Parametric 軟件對(duì)充電樁的樁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。其中，對(duì)充電樁最外層的4 個(gè)立柱進(jìn)行弧形處理，避免運(yùn)輸過程中充電樁互相碰撞而導(dǎo)致的損傷。充電槍位于充電樁的兩側(cè)，便于操作和收納。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，人機(jī)交互處采用平面處理，防止在操作過程中與用戶發(fā)生碰撞和損壞。

3 模塊散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高充電樁內(nèi)部的支撐件性能，電子元件可以與支撐元件一起安裝在充電樁外殼中。金屬外殼的吸熱能力非常強(qiáng)，在高溫天氣下，戶外充電樁總是暴露在陽光下，溫度較高。如果電子元件連接充電樁的金屬外殼，表面溫度會(huì)直接到達(dá)充電樁內(nèi)部元件，進(jìn)一步增加充電樁運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。通過在充電樁外殼和電子元件之間留有孔隙，能夠有效解決電子元件的散熱問題。在充電樁的實(shí)際運(yùn)行中，內(nèi)部的主要熱源為功率變換模塊，為了避免功率變換模塊散出的熱量對(duì)其他電氣元件的影響，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將功率變換模塊放置在單獨(dú)的艙體中。通過計(jì)算確定合適的風(fēng)量、風(fēng)壓參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)外形尺寸選取合適型號(hào)、數(shù)量的散熱風(fēng)機(jī)，以增加模塊的通風(fēng)量，對(duì)模塊進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，避免電子元件出現(xiàn)高溫或老化問題，延長充電樁的使用壽命。

4 防水防塵設(shè)計(jì)

為了避免在惡劣天氣對(duì)充電樁表面造成的銹蝕，防止日?；覊m堆積，充電樁的整機(jī)結(jié)構(gòu)都需要進(jìn)行防水防塵設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)部位包括電氣柜的各結(jié)構(gòu)件連接處、柜門門板、通風(fēng)孔、鎖具、鉸鏈等部位。

充電樁外殼采用焊接組裝方式，減少了殼體外表面的拼接縫；外殼采用高聚氨酯粉末噴涂，噴粉厚度不低于80 μm，從而進(jìn)一步提高外殼的防水防塵性能。其他措施包括：外漏的需要導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)件及緊固件采用304 不銹鋼材質(zhì)；接地銅塊采用T2材質(zhì)，表面采用鍍錫處理。

充電樁外殼門板鎖緊采用滿足IPX5 防水等級(jí)的戶外把手連桿門鎖，至少采用4 個(gè)鎖緊點(diǎn)；門板采用外掛設(shè)計(jì)，將門框完全覆蓋，門板與門框之間的縫隙不超過3 mm；門框采用外翻的導(dǎo)水結(jié)構(gòu)，同時(shí)安裝三元乙丙橡膠材質(zhì)密封條，保證其具有可靠的防水性能；鉸鏈采用鋅鎳合金材質(zhì)，滿足96 h中性鹽霧測(cè)試要求且不出現(xiàn)白銹。

由于充電樁功率模塊采用風(fēng)冷散熱，因此充電樁外殼需要設(shè)計(jì)通風(fēng)散熱孔，通風(fēng)散熱孔結(jié)構(gòu)需要滿足不低于IPX4 的防水等級(jí)，且空氣過濾器占送風(fēng)墻面積的40% 以上，以保證良好的通風(fēng)效果。通過理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，如圖3 所示的截面造型的雙Z 型百葉窗能夠滿足上述要求。同時(shí)百葉窗葉片應(yīng)采用鋁合金材質(zhì)或鋼板噴涂材質(zhì)且鉚接于殼體上，避免由于焊接導(dǎo)致焊縫位置處理不完全而出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。

防水防塵設(shè)計(jì)步驟如下。

（1）防塵過濾材質(zhì)選擇。防塵過濾材質(zhì)需要兼顧透氣與防塵的效果，具有微小交錯(cuò)小孔的一類材質(zhì)主要是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate，PET）無紡布、尼龍網(wǎng)、聚氨酯過濾棉等。本文選用帶有鋁合金骨架的聚氨酯過濾棉，其具有初始阻力小、過濾效率高等特點(diǎn)，還可以清洗以重復(fù)使用。

（2）防水防塵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通風(fēng)窗位置兼顧防塵防雨設(shè)計(jì)，可通過交錯(cuò)排列的百葉窗達(dá)到防水的目的，同時(shí)該百葉窗能夠改變氣流流向，使重量較大的灰塵自然沉降，以達(dá)到減少灰塵的效果。

5 降噪設(shè)計(jì)

充電樁在運(yùn)行時(shí)，其噪聲主要來源于功率變換模塊內(nèi)部自帶風(fēng)機(jī)及機(jī)柜上安裝的散熱風(fēng)機(jī)，因此降噪的主要任務(wù)是通過有效的措施降低風(fēng)機(jī)自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲，并通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來延長噪聲在柜體內(nèi)部的傳播路徑，通過在噪聲傳播中進(jìn)行反復(fù)多次的反射，最大限度地削弱噪聲音量。降噪主要有以下不同的設(shè)計(jì)方法。

5.1 基于PWM 技術(shù)的模塊內(nèi)置風(fēng)機(jī)調(diào)速

根據(jù)環(huán)境溫度和輸出功率對(duì)模塊風(fēng)機(jī)進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）調(diào)速研究，建立合理的環(huán)境溫度、模塊輸出功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制模型，優(yōu)化風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略，以降低模塊本體運(yùn)行噪聲。

5.2 機(jī)柜內(nèi)外風(fēng)道結(jié)構(gòu)

根據(jù)充電設(shè)備內(nèi)部主要噪聲源的布局及噪聲頻譜，設(shè)計(jì)合理的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，錯(cuò)開布置進(jìn)風(fēng)口位置與模塊位置，出風(fēng)口通過外掛防雨罩的方式，延長噪聲的傳播路徑，改變?cè)肼暤膫鞑シ较?，降低整機(jī)噪聲。

5.3 機(jī)柜內(nèi)置吸音棉

通過對(duì)噪聲頻譜的分析，選用合適的吸音棉，粘貼在噪聲的傳播路徑上，對(duì)噪聲進(jìn)行反射和吸收，以降低噪聲。

6 結(jié)論

綜上，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新能源行業(yè)也經(jīng)歷了飛速的發(fā)展。電動(dòng)汽車作為傳統(tǒng)燃油汽車的綠色替代品，其發(fā)展得到了國家政策的大力支持和推動(dòng)。但電動(dòng)汽車如何實(shí)現(xiàn)快速、安全充電一直是研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究了大功率直流快充樁的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，包括外殼的材質(zhì)及加工工藝，模塊化元件的結(jié)構(gòu)布局，包括防水防塵、通風(fēng)散熱、降噪結(jié)構(gòu)等。本文設(shè)計(jì)的充電樁可以滿足電動(dòng)汽車快速、安全充電的需求，并且應(yīng)用范圍廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 張棟，熊萌，尤國建，等. 電動(dòng)汽車大功率直流快充充電樁充電模塊的設(shè)計(jì)及性能測(cè)試[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（20）：213-216.

[2] 吳冬，王兵，孫木，等. 大功率直流快充充電樁關(guān)鍵技術(shù)及性能測(cè)試[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（27）：56-57.

[3] 楊國安，趙恒緯，楊亞雄. 大功率直流充電樁多路輸出模式分析[J]. 電力系統(tǒng)裝備，2020（8）：73-74.

[4] 陸樂. 直流充電樁PFC 和DC-DC 電路功率開關(guān)管開路故障診斷研究[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2021.

[5] 周磊. 便攜式高精度直流充電樁計(jì)量檢定系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2020.