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行业新闻

汽车交流充电桩主板的工作原理是什么?

汽车交流充电桩主板是交流充电桩的核心控制部件,它通过协调多个功能模块,实现对充电过程的控制和管理。以下从电网接入与电源转换、充电控制、安全保护、计量计费和通信这几个关键环节来详细阐述其工作原理:


  1. 电网接入与电源转换

    • 电网连接:交流充电桩主板首先通过电缆与外部电网连接,接入单相 220V 或三相 380V 的交流电。这是为后续充电过程提供电能的基础。

    • 电源模块工作:接入的交流电进入电源模块。电源模块内部包含多个子电路,如输入滤波电路、整流电路、功率因数校正电路(PFC)、直流 - 直流(DC - DC)转换电路以及输出滤波电路等。

    • 电能转换流程:输入滤波电路用于去除电网中的高频杂波和干扰信号,保证输入电能的质量。经过滤波后的交流电进入整流电路,整流电路通常由二极管组成,将交流电转换为直流电。然而,此时的直流电存在较大的纹波,并且功率因数较低,会对电网造成不良影响。

    • 功率因数校正与稳压:为了解决这些问题,功率因数校正电路开始工作。PFC 电路通过控制开关管的导通和关断,使输入电流跟随输入电压的变化,从而提高功率因数,降低对电网的谐波污染。经过功率因数校正后的直流电,再进入直流 - 直流转换电路。DC - DC 转换电路根据不同的需求,将输入的直流电转换为不同电压等级的直流电,为充电桩主板的各个功能模块提供稳定的电源。最后,输出滤波电路对转换后的直流电进行再次滤波,去除残留的纹波和干扰信号,确保输出的直流电具有较高的稳定性和纯净度。

  2. 充电控制

    • 连接检测与握手:当用户将充电枪插入车辆充电接口后,交流充电桩主板会通过检测电路实时监测充电枪与车辆之间的连接状态。一旦检测到连接成功,主板会通过通信模块与车辆的电池管理系统(BMS)进行通信,发起握手信号。在握手过程中,充电桩主板会向车辆 BMS 发送自身的基本信息,如充电桩的型号、额定功率、更大输出电流和电压等参数,同时接收车辆 BMS 反馈的车辆电池信息,包括电池类型、剩余电量、允许的更大充电电流和电压、电池温度等。通过这次握手,充电桩主板和车辆 BMS 之间建立了通信连接,并相互了解了对方的基本信息和电池状态,为后续的充电过程提供了必要的基础数据。

    • 充电参数计算与调整:根据握手过程中获取的车辆电池信息,交流充电桩主板的主控芯片会依据预设的充电策略和算法,计算出适合当前车辆电池状态的充电参数,如充电电流、充电电压、充电功率等。在充电过程中,主控芯片会通过电流传感器和电压传感器实时监测充电电流和电压的实际值,并将这些实际值与预设的目标值进行比较。如果实际值与目标值存在偏差,主控芯片会根据偏差的大小和方向,通过控制电路对充电电路中的功率器件(如 MOSFET 或 IGBT)进行调节,改变功率器件的导通时间和导通程度,从而调整充电电流和电压的大小,使实际充电参数始终保持在预设的目标值范围内,确保充电过程的稳定性和可靠性。

    • 充电模式切换与控制:交流充电桩主板支持多种充电模式,常见的充电模式包括恒流充电模式、恒压充电模式以及脉冲充电模式等。在充电过程中,主控芯片会根据车辆电池的充电状态和预设的充电策略,自动切换不同的充电模式,以实现对车辆电池的快速、高效、安全充电。

    • 充电过程的启动、停止与监控:当充电参数计算完成且充电模式确定后,交流充电桩主板会通过控制电路发出启动信号,控制充电继电器闭合,从而接通充电电路,正式启动充电过程。在充电过程中,主控芯片会持续通过电流传感器、电压传感器、温度传感器等检测设备,实时监测充电电流、充电电压、充电功率、电池温度等关键参数的变化情况,并将这些参数与预设的安全阈值和正常工作范围进行比较。如果检测到某个参数超出了预设的安全阈值或正常工作范围,主控芯片会立即判断充电过程出现异常,并通过控制电路发出停止信号,控制充电继电器断开,迅速切断充电电路,停止充电过程,以防止异常情况对车辆电池和充电桩造成进一步的损坏,确保充电过程的安全性。同时,主控芯片会将充电过程中出现的异常情况和相关参数信息记录下来,并通过通信模块上传至后台管理系统,以便工作人员及时了解充电桩的运行状况和故障原因,进行相应的维修和处理工作,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。

  3. 安全保护

    • 过流保护:在充电过程中,电流传感器会实时监测充电电流的大小。交流充电桩主板预设了一个过流保护阈值,这个阈值通常根据充电桩的额定功率、车辆电池允许的更大充电电流以及相关安全标准来确定。当电流传感器检测到充电电流超过了预设的过流保护阈值时,它会立即将这一信号传递给主控芯片。主控芯片接收到过流信号后,会迅速做出反应,通过控制电路发出指令,使充电继电器迅速断开,从而在极短的时间内切断充电电路,阻止过大的电流继续流向车辆电池和充电桩内部的电路元件。这样可以有效地防止因过流而导致的车辆电池过热、损坏甚至起火爆炸等严重安全事故,同时也保护了充电桩内部的电路元件和设备,避免因过流而造成的损坏,延长了充电桩的使用寿命。

    • 过压保护:电压传感器负责实时监测充电电压,包括输入充电桩的电网电压和输出给车辆电池的充电电压。交流充电桩主板同样预设了过压保护阈值,这个阈值是根据车辆电池的额定电压、允许的更大充电电压以及相关安全标准来确定的。当电压传感器检测到充电电压超过了预设的过压保护阈值时,它会迅速将这一信号传递给主控芯片。主控芯片接收到过压信号后,会立即采取措施,通过控制电路发出指令,首先停止充电过程,控制充电继电器断开,切断充电电路,防止过高的电压继续对车辆电池和充电桩造成损害。同时,主控芯片会启动稳压措施,通过控制电路调节充电桩内部的稳压电路,对输入的电网电压进行稳压处理,使其恢复到正常的工作范围之内,以确保后续充电过程的安全和稳定。如果在启动稳压措施后,电压仍然无法恢复到正常范围,主控芯片会将这一故障信息记录下来,并通过通信模块上传至后台管理系统,以便工作人员及时了解充电桩的运行状况和故障原因,进行相应的维修和处理工作,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。

    • 欠压保护:欠压保护功能同样依赖于电压传感器对充电电压的实时监测。交流充电桩主板预设了欠压保护阈值,这个阈值是根据充电桩正常工作所需的更低输入电压以及相关安全标准来确定的。当电压传感器检测到输入充电桩的电网电压低于预设的欠压保护阈值时,它会迅速将这一信号传递给主控芯片。主控芯片接收到欠压信号后,会立即判断当前的电网电压已经无法满足充电桩正常工作的需求,为了避免因欠压而导致的充电桩内部电路元件损坏、充电过程异常甚至无法充电等问题,主控芯片会迅速通过控制电路发出指令,停止充电过程,控制充电继电器断开,切断充电电路,防止在欠压状态下继续进行充电操作。同时,主控芯片会将这一欠压故障信息记录下来,并通过通信模块上传至后台管理系统,以便工作人员及时了解充电桩的运行状况和故障原因,进行相应的维修和处理工作,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。此外,在欠压故障排除后,电网电压恢复到正常工作范围之内时,主控芯片会自动检测到电压恢复正常的信号,并通过控制电路发出指令,重新启动充电过程,控制充电继电器闭合,接通充电电路,继续为车辆电池进行充电操作,确保充电过程的连续性和稳定性。

    • 漏电保护交流充电桩主板漏电保护功能是通过漏电检测电路来实现的。漏电检测电路通常采用剩余电流动作保护器(RCD)的原理,它会实时监测充电电路中火线和零线的电流矢量和。正常情况下,充电电路中的电流从火线流入,经过负载(车辆电池)后从零线流出,火线和零线的电流大小相等、方向相反,它们的电流矢量和为零。然而,当充电电路发生漏电故障时,一部分电流会通过漏电路径(如充电桩外壳、地面等)流失,导致火线和零线的电流大小不再相等,它们的电流矢量和不再为零,而是出现了一个剩余电流。漏电检测电路会实时监测这个剩余电流的大小,交流充电桩主板预设了一个漏电保护阈值,这个阈值通常根据相关安全标准来确定,一般为 30mA。当漏电检测电路检测到剩余电流超过了预设的漏电保护阈值时,它会迅速将这一信号传递给主控芯片。主控芯片接收到漏电信号后,会立即判断充电电路发生了漏电故障,为了保障用户的人身安全和充电桩的设备安全,主控芯片会迅速通过控制电路发出指令,立即切断充电电路,控制充电继电器断开,同时触发报警装置,通过指示灯闪烁、蜂鸣器鸣叫等方式向用户发出漏电报警信号,提醒用户注意安全,并及时采取相应的措施进行处理。此外,主控芯片会将这一漏电故障信息记录下来,并通过通信模块上传至后台管理系统,以便工作人员及时了解充电桩的运行状况和故障原因,进行相应的维修和处理工作,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。在漏电故障排除后,需要对充电桩进行全面的检查和测试,确保漏电检测电路和其他相关设备都能正常工作,然后才能重新启动充电桩进行充电操作,以避免再次发生漏电故障,保障用户的人身安全和充电桩的设备安全。

    • 短路保护:短路保护功能主要由电流传感器和主控芯片协同实现。在充电过程中,电流传感器会实时监测充电电流的大小和变化情况。当充电电路发生短路故障时,由于短路点的电阻极小,根据欧姆定律 I = U / R(其中 I 为电流,U 为电压,R 为电阻),在电压不变的情况下,电阻越小,电流越大,因此充电电路中的电流会瞬间急剧增大,远远超过正常充电电流的范围。电流传感器检测到这种异常的大电流信号后,会立即将这一信号传递给主控芯片。主控芯片接收到短路信号后,会迅速做出反应,通过控制电路发出指令,在极短的时间内(通常在几毫秒内)使充电继电器迅速断开,从而切断充电电路,阻止过大的电流继续对充电电路和相关设备造成损害。这样可以有效地防止因短路而导致的电线过热、起火爆炸等严重安全事故,保护了充电桩和车辆的设备安全。同时,主控芯片会将这一短路故障信息记录下来,并通过通信模块上传至后台管理系统,以便工作人员及时了解充电桩的运行状况和故障原因,进行相应的维修和处理工作,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。在短路故障排除后,需要对充电电路进行全面的检查和测试,确保所有的电线、电缆、连接器以及其他相关设备都能正常工作,不存在任何潜在的短路隐患,然后才能重新启动充电桩进行充电操作,以避免再次发生短路故障,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。

    • 温度保护:温度保护功能是通过在充电桩的关键部位,如功率模块、变压器、充电枪插头以及充电电缆等,安装温度传感器来实现的。这些温度传感器会实时监测所在部位的温度变化情况,并将温度信号实时传递给主控芯片。交流充电桩主板预设了安全温度范围,这个范围是根据充电桩各个关键部位所使用的材料的耐热性能、正常工作温度范围以及相关安全标准来确定的。一般来说,充电桩关键部位的安全温度范围通常设定在 70℃ - 80℃之间。当温度传感器检测到某个关键部位的温度超过了预设的安全温度范围的上限时,它会立即将这一高温信号传递给主控芯片。主控芯片接收到高温信号后,会迅速判断该关键部位的温度已经过高,可能会对充电桩的设备安全和正常运行造成威胁。为了防止因高温而导致的设备损坏、故障甚至起火爆炸等严重安全事故,主控芯片会迅速通过控制电路发出指令,首先采取降低充电功率的措施,通过控制电路调节充电电路中的功率器件(如 MOSFET 或 IGBT)的导通时间和导通程度,减少充电电流和功率的输出,从而降低充电桩关键部位的发热功率,使温度逐渐下降。如果在降低充电功率后,温度仍然无法下降到安全温度范围之内,主控芯片会进一步发出指令,暂停充电过程,控制充电继电器断开,切断充电电路,停止为车辆电池进行充电操作,以彻底消除因充电而产生的热量,使关键部位的温度能够尽快下降到安全温度范围之内。同时,主控芯片会将这一温度过高的故障信息记录下来,并通过通信模块上传至后台管理系统,以便工作人员及时了解充电桩的运行状况和故障原因,进行相应的维修和处理工作,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。在温度下降到安全温度范围之内后,主控芯片会自动检测到温度恢复正常的信号,并通过控制电路发出指令,首先对充电桩进行全面的检查和测试,确保所有的设备和电路都能正常工作,不存在因高温而导致的损坏或故障隐患。在确认所有设备和电路都能正常工作后,主控芯片会根据车辆电池的充电状态和预设的充电策略,重新启动充电过程,控制充电继电器闭合,接通充电电路,继续为车辆电池进行充电操作,确保充电过程的连续性和稳定性。通过以上温度保护机制,可以有效地防止因充电桩关键部位温度过高而导致的设备损坏、故障甚至起火爆炸等严重安全事故,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。

  4. 计量计费

    • 电量计量交流充电桩主板的电量计量功能主要通过电流传感器和电压传感器来实现。在充电过程中,电流传感器会实时监测充电电流的大小,将其转换为电信号并传递给主控芯片;同时,电压传感器会实时监测充电电压的大小,同样将其转换为电信号并传递给主控芯片。主控芯片接收到来自电流传感器和电压传感器的信号后,会根据这些信号所代表的电流和电压值,利用积分算法或其他电量计量算法,计算出在一定时间内充电过程中消耗的电能,即电量。具体来说,积分算法是通过对电流和电压随时间的变化进行积分运算,来计算消耗的电能。例如,假设在某一时间段内,充电电流 I (t) 和充电电压 U (t) 随时间 t 的变化已知,那么在该时间段内消耗的电能 W 可以通过以下积分公式计算:W = ∫[U (t) × I (t)] dt ,其中积分区间为该时间段的起始时间和结束时间。主控芯片会按照一定的时间间隔(例如,每隔 1 秒或更短的时间)对电流和电压进行采样,并根据采样得到的数据进行积分运算,从而实时计算出充电过程中消耗的电量。同时,主控芯片会将计算得到的电量数据存储在本地的存储器中,以便后续查询和统计分析。此外,主控芯片还会通过通信模块将电量数据实时上传至后台管理系统,实现对充电桩充电电量的远程监控和管理,为运营方提供准确的数据支持,以便进行运营决策和成本控制。

    • 计费计算:在电量计量的基础上,交流充电桩主板会根据预设的计费规则来计算充电费用。计费规则通常由运营方根据市场需求、成本核算以及相关政策法规等因素来制定,并通过后台管理系统将计费规则下发至交流充电桩主板。常见的计费规则包括按电量计费、按时间计费、按充电功率计费以及采用阶梯式计费等方式。

    • 数据记录与上传:在充电过程中,交流充电桩主板会详细记录每次充电的相关数据,包括充电开始时间、结束时间、充电电量、计费金额、充电电流、充电电压等信息,并将这些数据存储在本地的存储器中,以便后续查询和统计分析。同时,交流充电桩主板会通过通信模块将这些充电数据实时上传至后台管理系统,实现对充电桩的远程监控和管理。运营方可以通过后台管理系统对充电桩的运行状态、充电数据、计费信息等进行实时监控和统计分析,以便及时发现问题并采取相应的措施进行处理,保障充电桩的正常运行和用户的充电安全。此外,运营方还可以根据后台管理系统提供的充电数据和统计分析结果,进行运营决策和成本控制,例如调整计费策略、优化充电桩布局、合理安排维护计划等,以提高运营效率和经济效益,实现可持续发展。

  5. 通信

    • 与车辆 BMS 通信交流充电桩主板与车辆的电池管理系统(BMS)之间的通信是实现安全、高效充电的关键环节。它们之间的通信通常采用 CAN 总线协议或 GB/T 27930 协议等标准通信协议。在充电前,交流充电桩主板会通过 CAN 总线或其他通信接口向车辆 BMS 发送充电请求信号,同时附上充电桩的基本信息,如充电桩的型号、额定功率、更大输出电流和电压等参数。车辆 BMS 接收到充电请求信号后,会对充电桩的信息进行验证和处理,并根据车辆电池的当前状态,如电池类型、剩余电量、允许的更大充电电流和电压、电池温度等信息,生成响应信号并发送回交流充电桩主板。交流充电桩主板接收到车辆 BMS 的响应信号后,会对信号进行解析和处理,获取车辆电池的相关信息,并根据这些信息,结合预设的充电策略和算法,计算出适合当前车辆电池状态的充电参数,如充电电流、充电电压、充电功率等。在充电过程中,交流充电桩主板和车辆 BMS 会保持实时通信,不断交换充电参数和电池状态信息。交流充电桩主板会通过电流传感器、电压传感器等检测设备实时监测充电电流、充电电压等实际充电参数,并将这些参数通过 CAN 总线或其他通信接口发送给车辆 BMS。车辆 BMS 接收到这些参数后,会将其与车辆电池的理想充电参数进行比较,并根据比较结果,结合车辆电池的实时状态,如电池温度、电池内阻等信息,生成调整指令并发送回交流充电桩主板。交流充电桩主板接收到车辆 BMS 的调整指令后,会对指令进行解析和处理,并根据指令


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