0212 充电桩的安装与调试Word文件下载.docx

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任务二充电桩的安装与调试

[知识学习]

1.直流式充电桩的安装与调试

2.交流式充电桩的安装与调试

[技能训练]

1.安装调试案例

教学过程

主要教学内容及步骤

教师活动

学生活动

【一】导入新章节

案例导入：

一辆比亚迪E5轿车在行驶过程中动力不足，动力蓄电池报警显示电量不足，需要立即寻找充电桩充电。

4S店刚到一批新的充电桩，需要立即安装，为客户进行充电。

【二】新授

[学习目标]

知识目标

能力目标

一、充电电源的发展现状和趋势

目前，新能源汽车充电电源主要采用高频开关电源以提供新能源汽车充电所需的电能。

而对充电电源的研究，目前主要呈现集成化、高密度化，高频化和智能化的特点。

前两项主要是对充电系统主电路的研究与改进，后一项主要是针对充电控制技术。

1.充电电源主功率电路

充电电源主功率电路一般包括整流桥、高频隔离DC/DC变换器、LC滤波电路等部分。

对于中小功率充电电源，一般采用二极管整流桥对输入的额定电压为220V的单相交流电整流，其高频隔离DC/DC变换器大多采用全桥LLC谐振变换器、反激变换器、半桥变换器等。

如图1-35为全桥LLC谐振新能源汽车充电系统主功率电路图。

4个功率MOSFET开关管及其寄生二极管、并联电容构成全桥逆变电路，逆变电路实现了电压的DC/AC变换，并使器件工作在高频条件下，减小了开关损耗、EMI噪声。

寄生电容管的设计实现了开关管的软开关技术，减小了开关应力，提高了变换器的转换效率；

LLC谐振电路由电容与两电感串并联构成，它兼顾了串联谐振和并联谐振的优点，使开关管的开关控制频率在极小的变化范围内就能实现输出电压的大范围变化，并实现了开关管在全负载范围内的ZVS；

非接触式感应电能传输电路的实现主要依靠高频耦合磁线圈。

它解决了传统导线直接接触式供电在安全性和可靠性方面的一些问题，是一种有效、安全的电能传输方式，因而新能源汽车领域具有广泛的应用前景。

近年来，随着材料科学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，非接触式感应电能传输技术的实际应用已经成为了现实。

二极管整流桥的输出具有很大的电压纹波和电流纹波。

而新能源汽车的动力蓄电池组对充电电流纹波极其敏感，因而需要设计滤波电路以减小充电电流纹波，实现安全充电。

LC滤波则是利用电感与电容并联，滤除高次谐波，是目前最为常用的滤波方式。

并联级联越多，对高次谐波的抑制能力越强，实际应用中常根据设计要求，设计合适的级联数和电感、电容参数。

图1-35全桥LLC谐振新能源汽车充电系统主功率电路图

2.充电控制技术

目前对于全桥变换器的控制方式最为常用的是移相控制方式，它充分利用了谐振电路和开关器件的寄生电容来实现ZVS，器件应力小、控制方法简单，在功率MOSFET管上运用的比较成功。

如图1-36为移相控制方式的波形图。

主电路中的超前臂开关功率管和滞后臂开关功率管分别互补导通，并且各自导通接近180（为实现开关管的ZVS，常设置一定的死区时间），通过控制斜对角的两开关管的导通时刻差电角度（即移相角）可达到调整输出电压范围的目的。

在该控制条件下，输出的方波电压宽度与移相角大小有关。

图1-36移相控制方式的波形图

3．数字化控制系统

新能源汽车充电系统的控制系统大都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统已成为当前发展的方向。

传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心，而由信号处理器（DigitalSignalProcessor：

DSP）构成的控制系统相对于单片机或微机具有更高的精度和速度，它的逻辑判断能力更为丰富。

其丰富的数字输入输出口、通信口、专用PWM输出口等，可以实现复杂的控制规律，可简化控制系统的硬件设计，使得整个控制系统体积减小，重量减轻，能耗降低，可靠性提高。

由DSP构成的控制系统是成为目前研究的热点。

图1-37充电桩数字化控制系统

二、交流充电桩工作原理

交流充电桩的输入端连接到交流电网上，输出端安装充电插头，与新能源汽车对接，为其提供电能补给和其他相关的服务。

交流充电桩在整体架构的设计上，采用了模块化的方法，由桩体、电气模块、计量模块、账务管理模块以及人机交互模块五个部分组成。

交流充电桩的结构，如图1-38所示。

图1-38交流充电桩工作原理

三、交流充电桩结构图

1.桩体

按照安装使用的方式以及占用空间大小的不同，桩体可以具有落地式以及壁挂式两种不同的外观类型。

落地式充电桩一般用于安装在大型的停车场或者路边停车位等空间较为宽敞的地方，安装方式为地面式安装，设备所占据的体积和空间都比较大，如图所示。

壁挂式充电桩一般用于在室内，或者是周围有墙壁的地方，例如地下的停车场或者在车库内部，安装方式为壁挂式安装，桩体的体积和占据的空间都比较小，如图1-39所示。

a）落地式充电桩b）壁挂式充电桩

图1-39充电桩的桩体结构

2.电气模块

电气模块负责控制充电桩电能输出的断开和导通，当发生紧急情况时，还能够及时的断开电能输出，保护充电桩和人员安全。

一般在电气模块中，使用交流接触器作为负责电源导通或者关闭的开关器件。

其工作原理如图1-40所示。

图1-40电气模块工作原理

交流接触器内部有导线线圈，规则的缠绕在静铁芯上；

动铁芯通过弹簧固定，与动触片和辅助触点的触片联动。

当内部的开关K闭合之后，电路导通，线圈上有电流通过，静铁芯便会产生电磁吸力。

此时，动铁芯受到该吸力，并克服弹簧的反作用力，带动动触片移动，闭合开关，导通电源和负载电路。

开关K断开后，静铁芯上的电磁吸力便会消失，动铁芯在弹簧的作用力下复位，同时，与之联动的动触片也与主触点分开，断开了电源与负载的电路。

3.计量模块

计量模块用于监测交流充电桩实时的电压、电流、输出电能以及输出功率等数据，目前使用较为普遍的是智能电表。

智能电表不仅具有普通电表的电量计量的作用，还可以实现用户端控制，并且与控制器进行双向数据通信。

同时，在计量模块内使用智能电表还可以提高设备的自动化程度。

图1-41充电桩控制模块

4.账务管理模块

账务管理模块根据当前实时电价和已消耗电量等数据计算本次消费金额并收取费用、打印账单。

完成账务管理任务需要控制器和嵌入式打印机共同配合。

充电桩采取梯形电价政策，控制器计算本次的消费金额并完成收费，打印机与控制器进行通信，控制器将消费信息发送至打印机，打印本次充电的账单详情。

5.人机交互模块

人机交互模块主要负责与用户的“沟通”，一般使用触摸屏作为载体，来实现这一功能。

用户根据自身需要进行某些功能的选择，同时充电桩可以实时的显示充电过程中的详细信息。

人机交互界面是实现自主充电的关键要素，用户通过显示屏上的提示与功能选择，可以设定个性化的充电方案，以此满足不同类型用户的需求。

图1-42充电桩人机交互界面

充电桩的五个主要模块在控制器的控制下有序的工作，具有充电过程监测、电路保护监测、实行分时电价、记录并保存所有的充电状态和充电历史的数据等功能。

四、交流充电接口

充电桩与新能源汽车充电接口对接之后，通过电缆进行传导式的电能传输，给车载电池进行电能补给。

为了保证在充电过程中的人员和设备安全，同时统一不同厂商生产的充电设备，交流充电桩需要使用专用的充电接口。

现行国家标准《新能源汽车传导充电用连接装置》中的第2部分“交流充电接口”中明确规定了新能源汽车传导充电用的交流充电接口的各项参数指标要求。

该标准对充电对接口的整体设计规则、功能设计、形式规范结构以及参数和尺寸等都做了详细的定义与说明。

在交流充电桩这一侧的接口包含有7个触头，触头的布置方式如图1-27所示，其电气参数值及功能定义如表1-43所示。

图1-43触头的布置方式

表1-2交流充电接口触头的电气参数及功能定义

在充电设备端口的对接和断开过程中，为保障设备和人员的安全，设计了不同触头的连接顺序。

端口对接时，首先需要接通5号触头，即保护接地触头，保障设备与已经接地。

然后再接通7号触头和6号触头，即控制导引触头和充电连接确认触头，确认对接口连接正常。

接口需要断开时，触头的断开顺序与连接过程正好相反。

先将控制导引触头和充电连接确认触头断开连接，然后再断开保护地触头。

具体的线路连接状况如图1-44所示。

图1-44线路连接状况

五、控制引导电路

充电设备与车载充电机的对接口在连接之后，连接的双方都需要能够读取到对接口当前连接状态的数据。

控制引导就是充电设备与新能源汽车之间通信和连接的过程，是确保充电设备与新能源汽车之间稳定连接和安全充电的关键要素。

根据现行国标《新能源汽车传导充电用连接装置》中关于交流充电对接装置的相关规定，充电桩需使用控制引导电路。

通过该电路实时的获取对接口当前的连接状态，并计算额定电流等参数。

控制引导电路原理图如图1-45所示。

图1-45控制引导电路原理

控制引导电路由充电桩部分、充电插头部分、车辆插座部分以及新能源汽车部分所组成。

在图2-6中，开关K表示充电桩内部与交流接触器联动的电源开关。

U1和U2为12V的直流电源。

电阻R3和R4代表充电插头和车辆插座中导线和触头等的内阻。

S1代表充电控制装置中控制充电连接装置的开关。

S2代表充电插头和车辆插座之间连接或者断开的开关。

充电插头内部还设置有开关锁止装置，开关S2与其是联动的。

当S2断开时，开关锁止也是打开状态；

当S2闭合后，开关锁止同时也闭合，禁止车辆在充电过程中移动。

S3是新能源汽车车辆内部用于控制装置的开关。

开关S1的前边是PWM波信号产生器。

当充电插头与车辆插座相对接后，相当于供电电源与车载充电机连接。

此时为确保线路连接正常，需要获取检测点2和检测点4两处的电压值。

当检测点2和检测点4的电压值都为12V时，表明开关S2没有闭合，充电插头和车辆插座之间没有连接成功，引导电路处于断开状态。

当两个检测点的电压值都变为6V时，表明S2已经闭合，引导电路处于导通状态，接口已经连接成功。

当充电插头和车辆插座确认连接成功之后，再闭合开关S1。

此时，充电桩会产生PWM波信号，该信号从充电桩一侧传送到新能源汽车一侧，最终传送至车载充电机。

充电机接收该PWM信号，并分析计算供电装置可以输出的最大电流和功率。

同时车载充电机进行自检功能，并闭合开关S3。

当充电插头和车辆插座连接成功，且车载电池准备好充电之后，供电控制装置控制充电开关K闭合，然后启动充电。

如果充电完成或者充电过程中连接装置断开，则系统立即控制交流接触器断开，切断充电开关K回路，停止充电，保障人员与设备的安全。

六、充电桩的选址布置

1.充电站选址

1）充电站的选址应结合城市新能源汽车发展规划统筹考虑，并与配电网现状和近远期规划相密切结合，以充电站对供电可靠性的要求，以及电网对充电站电能质量控制的要求。

2）充电站应便于供电电源的取得，宜接近供电电源端，并便于供电电源线路的进出。

3）公共充电站应选择在进出车便利的场所。

宜选择在城市次干道路旁，不宜选择在支路和交叉道路路口附近。

充电站进出口宜与城市次干道路相连。

4）当电动电力工程抢修车、电动供电营销车数量较多时，宜设置专用充电站，专用充电站宜设置在供电部门维修基地等附近。

5）新建充电站应充分利用临近的道路、交通、给排水、消防等市政公用设施。

6）充电站应满足环境保护和消防安全的要求，与其他建筑物、构筑物之间的防火间距应满足GB50229-2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》、GB50016-2006《建筑设计防火规范》的有关要求。

7）充电站不应设在有爆炸危险环境场所的正上方或正下方，当与有爆炸危险的建筑物毗邻时，应满足GB50058《爆炸和火灾危险环境场所电力装置设计规范》的要求。

8）充电站不应设在有剧烈振动或高温的场所，不宜设在多尘、水雾或有腐蚀性气体的场所，当无法远离时，不应设在污染源风向的下风侧。

9）充电站不应设在浴室或其他经常积水场所的正下方，安装电气设备的功能用房不应与上述场所贴邻。

10）充电站不应设在室外地势低洼、易积水的场所和易发生次生灾害的地点。

充电站宜预留一定的备用场地。

2.充电站布置

（1）总体布置

1）充电站的总体布置应满足便于新能源汽车的出入及停放，保障站内人员和设施的安全。

2）充电区的入口和出口至少应有两条车道与站外道路连接，充电站应设置缓冲距离或缓冲地带，附设新能源汽车等候充电的停车道，便于新能源汽车进出。

3）充电区单车道宽度不应小于3.5m，双车道宽度不应小于6m。

转弯半径按照新能源汽车类型确定，且不宜小于9m；

道路坡度不应大于6%，且坡向站外。

4）充电机应靠近充电区设置，新能源汽车在停车位充电时不应妨碍站内其他车辆的充电与通行。

5）充电区应考虑安装防雨、雪的设施，以保护站内充电设施、方便进站充电的新能源汽车驾乘人员。

（2）电气布置

1）充电站电气设备的布置应遵循安全、可靠、适用的原则，并便于安装、操作、搬运、检修、调试。

电气设备的布置应符合GB50053《10kV及以下变电所设计规范》和GB50054《低压配电设计规范》的规定。

2）高压开关柜、变压器、低压开关柜、充电机、监控装置等，宜安装在各自的功能房间，且宜设在建筑物的首层，便于运输和安装。

3）低压开关柜与充电机之间、充电机与充电区停车位之间应尽量靠近。

4）当受到建设场地限制时，低压开关柜与充电机可安装在同一房间。

或变压器与低压开关柜设置在同一房间，变压器应选用干式，且外壳防护等级不低于IP20。

5）当受到建设场地限制时，变配电设施与充电机可设置在户外组合式成套配电站中，其基础应适当抬高，以利于通风和防水。

6）变压器室不宜与监控室贴邻布置或位于正下方，不能满足时应采取防止电磁干扰措施。

3.充电站安全防护

（1）消防及安全充电站的建（构）筑物构件燃烧性能、耐火极限、站内建（构）筑物与站外民用建（构）筑物及各类厂房、库房、堆场、储罐之间的防火间距应满足GB50016-2006《建筑设计防火规范》的有关规定。

充电站电力设备的消防安全要求应满足DL5027《电力设备典型消防规程》的有关规定。

二级电力用户的充电站宜设置火灾自动报警系统，并应满足GB50016-2006《火灾自动报警系统设计规范》的有关规定。

充电站应设置灭火剂，灭火剂的选用应能提高灭火的有效性、降低对设备和人员的影响。

充电站内应设置消防砂坑（库），消防用砂应保持充足和干燥。

电缆在室外进入建筑物内的入口处，以及电缆在穿越各房间隔墙、楼板的孔洞在线路敷设完毕后，应采用防火封堵材料进行封堵。

充电站防治白蚁的措施应按照国家及地方相关标准执行。

图1-46充电站消防标识

（2）噪声限值充电站的噪声限值不应超过GB3096-2008《声环境质量标准》的有关规定。

（3）标志标识充电站内的各类设备、设施及场所应进行标识。

充电桩应进行标识。

所有标识的颜色代码、尺寸、内容等应符合Q/CSG10001-2004《变电站安键环设施标准》相关要求。

图1-47标识样例

七、实施步骤

根据任务要求，每六人一组，每组选出一名组长，组长对小组成员进行任务分配。

以小组为单位，根据实训室的充电桩的配置，对完成以下相关的操作：

1.典型纯电动汽车交流充电桩的安装与调试

1.安装前准备

1）充电桩施工图纸的学习、核查；

2）交底培训：

安全交底、施工注意事项交底；

3）安装电工、焊工、起重吊装工和电气调试人员等，按有关要求持证上岗；

4）施工现场的准备：

临时用电、作业现场、作业工具等的准备；

5）施工方案的制作：

施工平面图、施工内容、施工要求、施工小组建设、施工进度表、完工验收等。

2.线管敷设工艺

线管敷设工艺流程：

明管敷设→支吊架加工→固定点位置测定→支吊架固定→管路敷设与连接→地线连接。

（1）支吊架加工支吊架有一字型、L型和门型。

一字型、L型支架可用槽钢、角钢制作，门型吊架可用槽钢、角钢、C型钢制作，载荷轻的桥架，其门型吊架的吊杆可用圆钢制作。

支吊架的表面防腐与桥架一致，加工应平直，无明显扭曲。

（2）支吊架位置测量及固定电缆管道支架、托盘等的层间距离，应满足载荷要求，同时应能方便的敷设电缆及其固定安置接头。

吊装线槽的吊杆直径，不应小于6mm。

焊在预埋件和允许焊接的钢结构上的支吊架，焊接不少于两个边，必须牢固，焊接处应及时除去焊渣，补漆。

（3）明敷不宜敷设在热力管道、热力设备、高压线路的上部，电缆与管道之间无隔板防护时，净距应满足以下要求。

管道穿过不同区域之间的墙、板孔洞处，应采用非燃性材料严密堵塞。

管道水平敷设时距离地面的高度一般不低于2.5m，垂直敷设时距离地面1.8m以下部分应采取保护接地措施。

（4）暗敷线管至地下构筑物基础，不得小于300mm。

线管表面至地面深度，不得小于700mm，当位于行车道下时，不宜小于1000mm；

电缆管应有不小于0.1%的排水坡度。

暗配的导管，埋设深度与建筑物、构筑物表面的距离不应小于15mm。

电缆在屋内埋地穿管敷设或电缆穿墙、楼板穿管时，穿管内径不应小于电缆外径的1.5倍。

（5）接地接地线多采用扁钢、圆钢、铜杆等，当无规定时，接地体顶面埋设深度不应小于0.6m，利用线管做接地线时，应先焊好接地线，有螺纹的管接头处，应用跳线焊接，金属电缆桥架及其支吊架全长不小于两处与接地（PE）或接零（PEN）干线相连接，非镀锌桥架间连接板的两端跨接铜芯接地线，接地线最小允许截面积不小于4mm2，镀锌桥架间连接板的两端不跨接铜芯接地线，但连接板两端不少于两个有防松螺帽或防松垫圈的连接固定螺栓。

3.设备安装

设备安装工艺流程：

基础制作→充电桩搬运→充电桩固定安装

（1）基座制作基础采用水泥一次浇筑成型，要求基础的每一个面平整无麻面。

预埋泄水管，坡度为2%，泄水管内侧加设防鼠网；

预埋接地件和预留进出线孔。

在满足地基稳定和变形要求的前提下，当上层地基的承载力大于下层土时，宜利用上层土作持力层。

除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。

（2）配电箱（柜）、充电桩搬运清扫道路，排除障碍物，保证道路平整畅通。

吊装时，应使用设备自设吊环，无吊环时应吊挂四角主要承力处。

运输时充电桩应保持水平，禁止倾斜或倒放

（3）配电箱（柜）、充电桩安装配电箱（柜）的安装分立地安装和挂墙、嵌墙安装，根据设备尺寸进行放线定位，安装要牢固，安装过程中要注意设备的外观、漆层无损伤，不能损伤设备的元器件和线路，保证设备的整洁干净。

设备内部的电线接线压接牢固、可靠，二次线接线正确牢固，导线与端子排连接紧密，标示要清晰、齐全。

充电桩安装：

充电桩定位，按充电桩外形尺寸进行测量放线定位，把充电桩牢固的安装在做好的基础上，垂直允许偏差为0.15%。

充电桩内要保持配线的整齐，回路编号齐全，以及标示正确。

要注意充电桩安装地点不得有爆炸危险介质，周围介质不含有腐蚀金属的破坏绝缘的有害气体及电介质软件界面。

充电桩安装上要做到竖直方向上要垂直，水平方向上要平整。

4.电线电缆敷设

电缆敷设工艺流程：

电缆敷设→电缆绝缘测试→挂标牌

（1）电缆敷设电缆在墙体上敷设时，要注意整齐美观，不得影响建筑物的整体外观，保护管固定点间距不得大于1.5m，改变方向时增加保护管固定点间距。

电缆敷设完毕后，应及时清除杂物，盖好盖板。

必要时，尚应将盖板缝隙密封。

（2）电缆绝缘测试使用1000V绝缘电阻表，绝缘阻值不小于10MΩ。

（3）挂标牌电缆标牌应挂在醒目的地方，标牌上应标识电缆型号规格、大小、电缆来处。

5.回路接通

电缆终端与接头的制作，应严格遵守制作工艺规程，三芯电力电缆在电缆接头处，其电缆铠装、金属屏蔽层应各自有良好的电气连接并相互绝缘；

在电缆的终头处，电缆铠装、金属屏蔽层应用接地线分别引出，并应接地良好。

6.充电桩调试

（1）依照电气图接线包括交流进线、通信线、充电柜与终端之间的连线。

（2）上电上电前先检查接线是否正常，是否出现短路。

检查终端接线是否正确，确认接线正确后，就可以上电。

（3）上电后检查柜内元器件运行是否正常，监控器参数设置是否正确，监控器是否有故障。

元器件有故障则更换，监控器出现故障则根据故障原因逐一排除，直到元器件和监控器运行正常。

有些还需要升级程序。

（4）充电实验各个元器件运行正常，监控数据正常，没有其他故障，就可以进行充电实验。

充电时检查充电机是否按照BMS需求的电压电流进行充电以及电表的计量功能。

（5）完成交付充电以上的工作完成，调试设备完好后，就可以为客户进行新能源汽车充电了。

2.典型混合动力汽车充电桩的安装与调试

混合动力汽车充电桩的安装与调试过程与纯电动汽车充电桩安装与调试过程大体一致，按照纯电动汽车充电桩安装与调试步骤，完成即可。

【三】小结与评价

1）充电桩的安装与调试工作包括安装前准备、设备安装、电线电缆敷设、回路接通、充电桩调试等几个步骤。

2）线管敷设工艺流程：

3）设备安装工艺流程：

基础制作→充电桩搬运→充电桩固定安装。

【四】作业布置

1.简述充电桩的充电步骤。

2.简述充电桩的技术要求和基本参数。

3.简述充电桩的安装与调试步骤。

展示一段实车故障案例的视频

出示并分析本次课学习目标

对充电电源的发展现状和趋势讲解

交流充电桩工作原理理论讲解

讲解、分析

讲解、图片资料例举

引导观看图片、视频资源，并进行讲解

教师引导总结小结、评价

听讲、思考

观看案例、思考

观看、思考

学生评价并小结

培养对本节课内容学习兴趣

目标导向

对充电电源的发展现状和趋势有总体认知

理解交流充电桩工作原理

了解交流充电桩结构图

掌握交流充电接口

直观认识控制引导电路

了解充电桩的选址布置

实施步骤

巩固本节课内容，分享成果，培养表达能力

教后记

（教学反思）