知识点：非车载充电机
近十年，随着能源枯竭与环境污染问题的日益严重，电动汽车成为社会发展的必然趋势。与之匹配的充电基础设施也进入蓬勃发展阶段，很多居民小区或写字楼均配有供电动汽车充电的设施。目前，电动汽车充电设备包括非车载充电机、配合车载充电机使用的交流充电桩及充电主机系统。其中，非车载充电机及交流充电桩是最为常见的两种电动汽车充电设备。
非车载充电机安装在电动汽车之外，将从电网中获得的交流电能转换为直流电能后采用传导方式向电动汽车动力电池充电。非车载充电机具有大功率、大电流的特点，可根据电池管理系统（BMS）提供的数据动态调节充电电流及电压参数，执行相应动作以完成充电过程，输出电压电流范围宽；其最突出的特点是直接向电动汽车动力蓄电池供给直流电流，充电速度快且充电时间短，这一点也是与交流充电桩最大的区别所在。交流充电桩虽同样固定在电动汽车之外，但其输出的仍是交流电，为车载充电机供电，仅起到控制电源及电能传输的作用，没有充电功能；由于车载充电机受电动汽车空间的限制，其功率较小，这样的充电方式决定了交流充电桩充电慢的缺点。
本文限定在分散非车载充电机范围，即结合用户居住地停车位、单位停车场、公共建筑物停车场、社会公共停车场、路内临时停车位等配建的为电动汽车提供电能的非车载充电机。不包括运营单位（如公交车、出租车）、环卫等专用的电动汽车非车载充电机的需要系数。
通过对比可知，非车载充电机可将直流电直接输出至电动汽车动力蓄电池，其充电功率及充电速度的优势远超过交流充电机，常被应用在快充大功率的场合，以满足用户短时充电的需求，解决充电慢的难题。现今国际上已实现商业化的大功率非车载充电机有欧洲某知名品牌A 350kW单枪、欧洲某知名品牌B 475kW和美国某品牌的超级快充站等。随着电池领域和充电模块领域的发展，电动汽车动力电池的耐性与寿命大幅提高，大功率模块成为发展主流，非车载充电机大功率要求逐渐提高。以当前的充电桩行业及对未来新能源汽车的要求来看，60~90kW的非车载充电机由于功率相对较低即将被市场淘汰。若要满足400km的续航里程并保证完成短时间充电，对于非车载充电机的充电功率要求很高，若控制充电时间在10min则充电功率至少要在350kW，因此进一步提高非车载充电机的功率是十分必要的。
需要系数作为非车载充电机负荷计算的重要参数，直接影响到变压器的选择，但在现今的研究中却缺少相关资料，对非车载充电机的配电设计和应用具有一定的影响。因此本文将针对不同的非车载充电机的实际运行数据，分析并总结非车载充电机的需要系数的建议值。
非车载充电机需要系数的研究
需要系数Kd的概念
需要系数Kd是指用电设备实际所需要的功率与其额定功率的比值，具体表示为：
式中：
Pc —— 有功计算功率，kW；
Pe —— 设备额定功率，kW。
需要系数主要来自于实际运行的负荷曲线，属于经验值，计算简单且在设备较多时精度较高，不适用于台数较少时的计算。需要系数作为负荷计算的重要参数，对变压器的合理选择具有十分重要的意义。
非车载充电机充电功率特性的测试
采集北京某品牌ZY 60A/500V的非车载充电机在充电过程中的实际运行数据进行充电功率特性分析。通过采集2019年11月至2020年1月共3个月、大约432条数据可知，非车载充电机用户较少，利用率较低，且充电功率受时段影响。
与交流充电桩不同，非车载充电机充电高峰集中在6：00-9：00及12：00-14：00（如图1所示），这种现象与用户的作息时间相关。由于交流充电桩充电时间长，用户一般选择在晚上进行充电；而非车载充电机的快充特点可满足上班族的充电需求，故供电高峰多在用车结束与午休时间。但相对于充电高峰，由于充电时间短，不受上下班时间的影响，其他时间的充电用户呈现较为均匀的分布，这同样与快充特点和用户的充电习惯有关。而充电功率需要依据实际供电状况进行选择。
而通过实测数据发现，非车载充电机在充电过程中充电电压缓慢上升但波动范围不大，充电电流与充电功率的变化趋势基本相同。以某型电动汽车充电过程为例（如图2所示）：图2（a）是充电电压曲线，在充电过程开始1min后电压上升至352V，之后基本保持在370~390V之间，在充电过程结束前达到最高396V，最高点后充电电压随着充电结束降为0；图2（b）是充电电流曲线，同样在充电开始1min后上升至80.1A，之后基本不变，在充电50min后降为33.2A，直至充电结束，充电电流稳定下降；图2（c）是充电功率曲线，与电流曲线具有相同的趋势，充电1min后功率上升至28.2kW，之后由于充电电压小范围上升，故充电功率持续上升，在充电50min后达到最大30.8kW，之后跟随充电电流急剧减小；结合图2（d）充电电量曲线分析，充电50min时充电电量约为24kWh，与结束时的总电量31kWh相比可知，此时充电电量大约为总充电电量的77.5%，接近80%。
对ZY测试的其他数据进行分析，呈现相似结果，充电功率在电池电量为75%~85%左右后会跟随充电电流产生下降趋势。在时间轴上，选择充电时间超过1 h的充电过程进行分析，发现若充电电流稳定，充电功率下降趋势一般出现在充电过程开始后的40~60min之后，具体时间取决于此时充电电流及供电状况。
另外，采用上海ZE与欧洲A的非车载充电机，对不同的车辆进行充电，得到部分测试曲线。以北汽EU260及吉利帝豪EV充电为例（以下称为汽车1与汽车2），汽车1的电池初始电量为11%，充电时，充电电压在330~360V间稳定，充电电流曲线与充电功率曲线趋势相同，由于电压的小范围变化故未完全重合。在电池电量充至78%后，充电电流与功率同时下降，保持小功率充电直至充电结束。汽车2与之类似，以12%的初始电量进行充电，过程中出现与汽车1类似的曲线，在电池电量80%左右充电电流与功率下降。其余电动汽车的测试曲线同样在电池电量80%左右出现充电功率的降低。
综上，非车载充电机的充电功率与充电电流变化趋势近似，充电电压的小范围波动会对其造成影响。另外，充电过程显示，充电功率的大范围变化一般发生在充电的后期，这一时间最重要的影响因素是动力电池的荷电状态SOC，电池快要充满电时通过BMS请求非车载充电机降容充电。基于以上可得近似的非车载充电机充电功率特性，如图3所示。但值得注意的是，图3只是理想的趋势图，仅表现参考数据的一般变化，并未将实际供电情况考虑在内，现实中的曲线会根据充电实际情况产生相应波动。另外，不同车型的充电功率特性也略有不同，有的车型到电池接近充满电的后期多次请求降容充电，直到充满电。故具体精确的P-t曲线应根据实际供配电情况和充电电流电压变化进行绘制。
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