電動汽車直流充電樁原理分析及研發

直流充電樁工作過程中會產生高達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生熱效應且易產生灼傷，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，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，經輸入斷路器、交流智能電能表之后由充電系統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基本原理圖如圖1 所示。

圖1 直流充電樁電氣系統基本原理框圖

二、直流充電樁EMF產生機制和電磁生物效應分析
直流充電樁EMF(低頻電磁場)產生來源主要為射頻輻射發射。射頻輻射發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，產生的瞬態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激變，從而會產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，產生的原因是EMF 在人體內感應的電流對神經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生多頻率的場，因此需要考慮傳遞函數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：經探頭分別測量信號得的分量→經傳遞函數進行分量加權→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，本文根據歐盟標準《IEC62110:2009交流電系統產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《IEC62110:2009 交流電系統產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。通過測量數據可以發現，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實訓臺

一、電動汽車充電樁系統實訓臺,電動汽車充電樁系統實訓裝置,電動汽車充電樁系統實訓設備產品簡介：
該設備完整展示了新能源汽車充電裝置系統,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實訓臺,電動汽車充電樁系統實訓裝置,電動汽車充電樁系統實訓設備功能特點：
1.詳細的原理框圖展示，真實可操作運行的充電系統與電機驅動系統。
2.面板采用4mm厚耐腐蝕、耐創擊、耐污染、防火、防潮的高級鋁塑板，表面經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，同步顯示數據。
三、電動汽車充電樁系統實訓臺,電動汽車充電樁系統實訓裝置,電動汽車充電樁系統實訓設備產品組成：
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實訓臺,電動汽車充電樁系統實訓裝置,電動汽車充電樁系統實訓設備技術規格：
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實訓臺,電動汽車充電樁系統實訓裝置,電動汽車充電樁系統實訓設備實訓項目：
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、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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