一款交直流一体充电桩的结构设计

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【摘要】电动汽车充电桩作为配套纯电动汽车的全新产品，在产品的结构设计中会有很多新的需求。笔者通过总结过往一款充电桩产品的实践结构设计，全面陈述了从根据对整个产品的从外观需求到结构设计、热设计的整个过程。

【关键词】充电桩;户外设备;结构设计

引言

充电桩是用于新能源纯电动汽车充电的一种终端设备，其功能类似于加油站里面的加油机，其用户对象是纯电动汽车。充电桩是满足电动汽车充电而配备的户外的设备，可固定在停车场、广场及其它便于电动汽车停靠的地点。[1]

根据《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，到2015年底，我国将在20个以上示范城市和周边区域建成由40万个充电桩、2000个充电站构成的网络化供电体系。预计总投资600亿元以上，其中充电设备投资120亿元。面对如此巨大的市场，电动汽车充电桩产业的发展前景十分广阔。

1.充电桩结构设计需求

1.1 功能要求

本产品为新型电动汽车交直流一体充电桩，采用的是交、直流两种充电方式，包括充电连接器、主控制器、人机交互系统、直流充电电源和交直流回路单元等。这款充电桩具有直流充电接口和交流充电接口各一个，可以同时为两辆对应接口的电动汽车充电。

本充电桩产品在结构设计上需要满足充电电源模块和电器主回路和控制系统的安装，需要考虑充电模块的散热问题，需要考虑电器主回路的配线和电气安全问题。同时，充电桩是用于新能源纯电动汽车充电的一种终端设备，需要有人机操作界面，需要刷卡使用、按键操作，液晶界面能显示充电量、费用、充电时间等数据，因此在设计操作界面时需要考虑用户操作使用的友好和便捷性。

1.2 使用环境要求

根据国网Q/GDW 485-2010《电动汽车交流充电桩技术条件》标准的要求。充电桩产品要满足户外使用环境要求环境使用需要，具体要求如下：环境温度：-20℃～+50℃;湿度：5～95%（无凝结）。[2]

本充电桩产品在IP防护设计上满足的《GB 4208-1993 外壳防护等级（IP代码）》IP54等级的防护能力要求，满足 GB/T 4797.6-1995《电工电子产品自然环境条件尘、沙、盐雾》中表9的要求，保证充电桩能在户外潮湿、含盐雾的环境下正常运行。本产品的铁质壳体以及走线铜排等要考虑防腐蚀要求，同时户外终端使用设备要具有防风、防盗的功能。

2.结构总体设计

2.1 桩体结构的基本形式

本产品考虑户外防护和隔热的要求，采用双层结构设计。桩体材质采用低碳钢板，厚度1.5m，加工方式采用钣金折弯、焊接成型工艺。桩体表面通过静电粉末喷涂工艺处理实现整体外观质感，同时保护钢板不被锈蚀。

本充电桩产品按照整体布局设计，顶盖上安装亚克力顶棚，起通风、防雨和装饰作用，左右侧为左右侧板，左侧为交流接口，直流电接口位于桩体的右侧，底部为底框部件，作为现场安装基础，内部框架作为桩体的骨架，用于安装各种电器件。

产品整体造型以长方体为主，，局部加圆角、曲面。桩体的整体外形设计，主要根据充电模块的数量和大小，内部电器件的安装和走线空间，最终桩体外形尺寸定为1840mm*750mm*550mm。

2.2 桩体内部结构设计

桩体内部结构布置根据电器功能的要求，采用模块化设计，每一个电器功能单元安装到一个安装整板上面。同时，根据产品的电气原理图的走线要求，实现合理化布置。

本桩体内主回路走线设计为自下而上，从左到右。因此，内部电器 件布局从下到上依次为交流进线部分、整流模块部分、直流输出部分、充电接口和控制单元。同时，在走线中要做到强弱电分离，以减少对信号线的电磁干扰。[2]

图1 充电桩三维设计图

图2 桩体内部器件布置图

2.3 关键部件的设计

2.3.1 面板指示灯

本充电桩的面板指示灯使用高亮LED灯珠，通过在面板与灯板之间上增加了导光柱和分光膜等零件，实现了面板指示灯在点亮时发光细腻均匀的效果。本充电桩指示灯在结构上不凸出面板表面，在外观视觉效果上较普通的指示灯更好。

2.3.2 面板按键

对大多按键的使用功能上来讲，按键与面板直径必定存在缝隙，因此面板按键的防水设计是难点。本充电桩的面板按键采用亚克力薄膜按键方式，既实现了薄膜按键的整体防水功能，又较普通薄膜按键又更好的操作手感和耐用性。

2.3.3 充电接口

充电接口是充电桩产品中最为特殊和重要的部件，其结构设计保证其使用稳定可靠和操作方便。本充电桩交流充电接口，采用掀盖式设计，充电接口安装桩体内框壳体上，在侧门对应位置增加一个掀盖式的舱门结构。直流充电接口则为外伸托架式设计，托架上有固定充电插头和卡主电缆的结构，在充电电缆可牢固可靠地挂在设计的托架结构上。

3.安规和Ip防护的设计

3.1 人身安全的保护

充电桩体的外壳零件均为碳钢材质，各零件件采用螺钉连接方式等搭接方式，桩体后门与桩体用6平方接电线连接，使桩体具有良好的导电连续性，保证了桩体整体的屏蔽效能。桩体的后门、顶盖等金属材质外壳均通过6平方接地线连接在一起，采用保护接地。桩体中的非金属零件原材料均为阻燃材质，满足UL 94 V0级要求。桩体内电器件和外部接线端子应设计安装在离地面 600mm 以上的位置，电器件和铜排的间距应该满足安全电气间隙和爬电距离的要求。

3.2 IP防护设计

3.2.1 防尘

本充电桩体采用双层结构，满足户外使用的需要，IP防护设计上满足的《GB 4208-1993 外壳防护等级（IP代码）》 IP54的要求，具备防尘功能，异物不会调入桩体内，引起电气安全隐患。

3.2.2 防水

桩体内部框架整体焊接，后门、操作面板等开孔处采用防水沿结构设计，后门零件上采用发泡涂胶工艺。操作面板上贴亚克力整面板，整体防水，反面使用3M防水胶。后门上的过滤器风扇、门锁等配件均选择满足户外使用的IP55等级。

3.3 防腐蚀、防盗等设计

3.3.1 三防

本充电桩内接插件和充电接口等电器件进行防潮湿、防霉变、防盐雾处理，其中防盐雾腐蚀能力满足 GB/T 4797.6-1995《电工电子产品自然环境条件尘、沙、盐雾》中表9的要求，使充电桩能在室外潮湿、含盐雾的环境下正常运行。[3]

3.3.2 防腐蚀

充电桩铁质外壳整体结构喷户外防护塑粉，桩体内部安装桩采用覆铝锌板，紧固件采用不锈钢材质。非铁质的金属外壳也应具有防氧化保护膜或进行防氧化处理。

3.3.3 防风保护

本充电桩桩体外壳和内胆均为1.5厚的钢板，有很好的抗冲击强度和较大的自重，桩体及暴露在外的部件应能承受 GB/T 4797.5-9《电工电子产品自然环境条件降水和风》中表 9规定的不同地区、不同高度处相对风速的侵袭。

3.3.4 防盗保护

充电桩的后门上使用防盗锁，固定交流充电桩的地脚螺栓在桩体底框内部，需要再在打开外壳门后方能安装或拆卸。

4.散热的设计过程

4.1 热设计需求和风道设计

4.1.1 热设计需求

根据充电桩设备的工作环境温度要求和充电模块的自身性能，对其工作温度范围要求如下：

充电模块工作温度范围：-25℃～+70℃

桩体稳定工作温度范围：-25℃～+60℃;

本充电的主要发热器件为整流模块，其中一个充电电源模块为6 kW，其工作效率为92%，反之其损耗的发热量为6*（1-92%）=0.48kW。本充电桩共有6个电源模块，共计2.88 kW，再加上控制电路和线路热损耗，总发热量约为2.95kW。

4.1.2 风道设计

本充电桩体采用双层结构，隔热性能良好，内部空腔形成风道，顶盖上设计散热通风孔。由于功率模块的自身发热量较大，需要通过强制风冷的方式进行散热。根据计算模块自身的散热风扇的通风量，在风扇选择上威图原装的SK 3241型风扇，风扇通风量特性曲线如图3所示。

图3 过滤器风扇风量特性曲线

风扇位置设计在桩体后门上端，双风机并联， 采用吸风方式，便于桩体内空气流动，减小风阻。冷空气从桩体两侧底部进入，在桩体内形成一个自下而上的风道，在桩体上端安装一个隔热挡板零件，使充电模块散发的热空气导向到吸风风扇，尽量避免热空气流入到桩体上部，影响控制电路板件。

4.2 冷却方式的选定和计算分析

将充电桩模型导入FLOTHERM分析软件中并建立分析模型，其中充电桩进出风口采用软件自带的风阻模型代替，软件对模型自动划分网格。分析时，设置分析的环境温度为40℃，计算了充电桩内部流场及温度场分布情况，分析结果如图4、5所示。

图4 温度分布及速度矢量图（侧视）

图5 温度分布及速度矢量图

桩体的热分析设计过程中，应当先测得系统的阻力特性， 然后软件根据在计算中自行选择实际工作点风量进行计算[4]，得到了如上图所示的温度场分布。可以分析出桩体内和模块自身的最高温度分别为54℃和65℃，均不超出稳定工作范围，从而验证桩体设计中的风机选择和风道设计合理，满足实际工作的使用需求。

5.结束语

充电桩产品的结构设计，是对于户外设备的结构设计的崭新应用。产品设计既需要满足安装防盗、IP防护、散热、防腐蚀等一般户外设备的需求，又要满足外观新颖、人机操作便利、对人电气安全、充电接口设计等新的要求。因此，在进行该类产品的结构设计时，一定要对产品的各类设计需求进行梳理，结合外部应用环境和电气要求系统地进行分析，最终得出合理化的产品设计。由于本人的水平经验有限，在此仅陈述了对一款充电桩产品的结构设计过程，与大家共享和交流。

参考文献

[1]姚丽娟.电动汽车交流充电桩设计.2012.

[2]国家电网公司企业标准. Q/GDW 485-2010《电动汽车交流充电桩技术条件》.2010.

[3]孟祥军.电动汽车智能充电桩的设计与实现，2011.

[4]郭胜军.户外机柜的热仿真分析，2011.

作者简介：

李冲，男，国电南瑞科技股份有限公司工程师，主要从事充电桩产品的结构设计开发工作。

林元华，男，国电南瑞科技股份有限公司助理工程师。