淺析電動(dòng)汽車智慧充電樁平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：新能源汽車的越性日益顯著，與之相配套的電動(dòng)汽車充電樁迅猛發(fā)展。電動(dòng)汽車交流充電樁利用標(biāo)準(zhǔn)的充電接口為車載式充電機(jī)提供電源，具有電能計(jì)量、計(jì)費(fèi)、通信、控制等功能。直流充電樁則采用CAN通訊接口，直接接入蓄電池進(jìn)行充電。目前充電樁系統(tǒng)采用的三種主流技術(shù)方案各有劣，用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和成本，選擇相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁；技術(shù)方案

wu院辦公廳提出“我的新能源汽車產(chǎn)能在未來五年要突破90 萬輛，新能源汽車的保有量計(jì)劃占乘用車總量的百分之8左右”。新能源汽車的推廣示范點(diǎn)正逐漸擴(kuò)大，參與節(jié)能減排的城市愈來愈多。在新能源汽車的推廣中，電動(dòng)汽車充電樁的發(fā)展也迎來了春天。在電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)王里，電動(dòng)汽車充電樁起著重要的支撐作用，發(fā)展前景十分廣闊。

、電動(dòng)汽車及其電池

通常來講，當(dāng)前的電動(dòng)汽車外觀上與普通汽車是致的， 區(qū)別主要在于動(dòng)力源及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。也就是說，電動(dòng)汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)，沒有了油箱，將蓄電池安裝在里面。因此電動(dòng)汽車就是靠電力來驅(qū)動(dòng)的，這種汽車有很多的點(diǎn)，所用的蓄電池是采用流行的鋰電池。目前將電充入到電動(dòng)汽車中的做法有很多，使用較多的有常規(guī)充電、更換電池以及快速充電。常規(guī)充電具有簡(jiǎn)便易行，適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)，但是充滿電消耗的時(shí)間較長(zhǎng)。換電池的做法具有減少電費(fèi)的勢(shì)， 但是需要盡量安置相當(dāng)多的充電地點(diǎn)。使用快速充電的方法， 可以保證順利且時(shí)間短地將電充入電池，但是充電的時(shí)候電流過大，容易損壞電池。目前，各公司主要研究移動(dòng)式充電、無線式充電，還處于研究階段。

二、充電樁

1、充電樁簡(jiǎn)介

充電樁般采用充電接口，給電動(dòng)汽車的車載充電機(jī)充電，固定在某個(gè)位置，在電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)中充電樁是較重要的設(shè)施。充電樁可以通過投幣、IC 卡、移動(dòng)端支付等方式進(jìn)行計(jì)費(fèi)。充電樁分直流充電樁和交流充電樁兩種。直流充電樁是種小功率直流供電裝置，可以直接給蓄電池充電并實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)，對(duì)充電的電量計(jì)費(fèi)。交流充電樁與交流電網(wǎng)連接，輸出是220V 的交流電。交流充電樁使用車載充電機(jī)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池進(jìn)行充電。

2、交流充電樁功能概述

交流充電樁采用交流三相四線380V 輸入，220V 交流輸出，具有可定時(shí)、充滿自斷電的充電模式；交流充電樁采用觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互。在界面上可以設(shè)置充電的模式、電量、充電及剩余實(shí)間、計(jì)費(fèi)信息等。交流充電樁具有IC 身份識(shí)別功能，能夠自識(shí)別充電連接的情況，確定是否充電。交流充電樁采用家電網(wǎng)的標(biāo)識(shí)，安裝有漏電保護(hù)器，具有安穩(wěn)防護(hù)保護(hù)功能。

圖1 典型交流充電樁的充電原理框圖

交流充電樁的核心是CPU 控制器，采用主流的ARM9 處理器,主回路由輸入保護(hù)空氣開關(guān)、交流控制接觸器、交流智能電能表、充電接口連接器組成。輸出端與充電機(jī)相連接；車載充電機(jī)將輸出的交流電220V 整流、功率轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的直流電輸出給蓄電池。CPU 控制器控制顯示模塊，般采取觸屏式LCD 顯示，讀卡器讀IC 卡信息，打印機(jī)主要用于打印票據(jù)。二次回路中設(shè)有急停按鈕、充電樁智能控制器、計(jì)量表等。CPU 控制器控制的引導(dǎo)線接電池管理系統(tǒng)，主要目的是實(shí)時(shí)監(jiān)控充電的狀態(tài)。

3、直流充電樁功能概述

直流充電樁的相關(guān)的性能跟與交流情況基本致。然而只是電流不樣，個(gè)是直流，個(gè)是交流。

圖2 直流充電樁框圖

先，交流電源要在整流濾波的作用下，將交流電整流成直流電，然后輸入到IGBT 橋。此時(shí)的控制部分需要在驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上讓IGBT 啟動(dòng)，將直流變?yōu)樗枰拿}寬調(diào)制的交流。需要進(jìn)行相關(guān)的隔離，再經(jīng)過整流濾波進(jìn)步獲得直流充電方式。但是此時(shí)需要在相關(guān)控制電路的反饋下完成檢查功能，主要是針對(duì)實(shí)時(shí)的電壓以及電流。同時(shí)獲得相關(guān)的端電壓，就能夠保證相關(guān)的控制裝置能夠處理。通常情況下， 如果出現(xiàn)了很高的電壓，那么就會(huì)啟動(dòng)放電電路，這樣就能夠保證電池不受損壞。相關(guān)的充電樁要包括輔助電路，這樣就能夠保證其他電路元件能夠正常工作。同時(shí)還需要相關(guān)的保護(hù)電路，這樣能夠保證系統(tǒng)在工作的時(shí)候穩(wěn)定。在控制裝置上需要有相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，例如電量值、時(shí)間、用戶信息等等。

直流充電樁加入了電流調(diào)控模塊，可以按用戶選擇需要進(jìn)行快速充電及慢速充電，般電流可達(dá)到DC150-400A，10 分鐘內(nèi)可將電池電量沖至百分之80，與交流充電樁相比大大縮短了充電時(shí)間。

三、三種充電樁主流技術(shù)方案的比較

1、電源部分+采集部分+單片機(jī)主控電路+人機(jī)交互部分

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車智能充電樁電路主要包括電源部分、采集部分、主控電路部分、人機(jī)交互部分。

電源：電源涉及多種電路，例如電源變壓器、橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等等。這樣的電源裝置通常是為了滿足單片機(jī)以及系統(tǒng)進(jìn)行其他任務(wù)時(shí)的電壓需要；

采集：通常包括電壓、電流以及溫度檢查裝置。

主控電路：在電壓檢測(cè)取樣電路的基礎(chǔ)上，獲得電池兩端的電壓值，然后將數(shù)值情況輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)步?jīng)Q定使用什么樣的充電方式。通過使用PWM 脈寬調(diào)制中的占空比進(jìn)步控制相關(guān)的電流大小，保證能夠進(jìn)行相關(guān)的充電環(huán)節(jié)。

圖3 充電樁技術(shù)方案框圖1

人機(jī)交互：主要包括顯示裝置、報(bào)警以及按鍵裝置。主要功能是接收來自系統(tǒng)的電壓、溫度、電流大小、電池充滿百分比以及故障信息，并按要求給予實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)故障出現(xiàn)和充滿電時(shí)要發(fā)出聲光報(bào)警，該部分信息交換以中斷方式進(jìn)行。

2、充電主電路+檢測(cè)電路+DSP 控制芯片+保護(hù)電路+顯示部分

圖4 充電樁技術(shù)方案框圖2

通常情況下，此電路有主電路和控制回路兩部分。充電主電路主要包括三相輸入整流濾波電路以及DC-DC 全橋功率變換電路，主要保證蓄電池進(jìn)行充電的時(shí)候有電力支持?？刂苹芈钒―SP 控制器、擴(kuò)展RAM、保護(hù)電路、IGBT 溫度監(jiān)測(cè)電路以及放電回路等，主要是保證能夠智能操作充電環(huán)節(jié)。只有兩種電路互相配合才能夠保證充電過程順利進(jìn)行。

1. 主充電電路單元+主控制電路單元+計(jì)費(fèi)單元+人機(jī)交互單 元+刷卡單元

圖5 充電樁技術(shù)方案框圖3

使用 ARM9 處理器，主要是為了能夠智能化控制充電環(huán)節(jié)。通常情況下，包含五個(gè)串口，兩個(gè)從通用串行總線接口，有關(guān)材料規(guī)范，確保各個(gè)設(shè)備得到有效的外部檢查，使得二次設(shè)備安裝科學(xué)規(guī)范。設(shè)備外部包裝完整性、美觀度以及封印破損程度均是外部檢查內(nèi)容，從而避免電氣二次設(shè)備因設(shè)備外部存在破損或接頭痕跡過于明顯等情況，產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定以及漏電等安穩(wěn)問題。在進(jìn)行二次設(shè)備檢查工作時(shí)，應(yīng)確保二次回路檢測(cè)標(biāo)號(hào)且位于明顯位置，以便在系統(tǒng)運(yùn)行過程中做好檢修與日常養(yǎng)護(hù)工作。

4、 提升電廠電氣二次設(shè)備施工操作規(guī)范性

為了避免電廠電氣二次設(shè)備運(yùn)行安裝設(shè)計(jì)過程中因協(xié)調(diào)不當(dāng)出現(xiàn)運(yùn)行質(zhì)量問題，應(yīng)結(jié)合電廠運(yùn)行實(shí)際情況，對(duì)設(shè)備施工操作進(jìn)行有效規(guī)范，促使二次設(shè)備在得到有效維護(hù)的同時(shí)， 可在規(guī)范性高的操作措施下提升電廠電氣二次設(shè)備運(yùn)行科學(xué)性，操作規(guī)范性具體可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：是嚴(yán)格按照電廠電氣二次設(shè)備安裝運(yùn)行操作規(guī)范進(jìn)行施工操作，避免出現(xiàn)誤動(dòng)操作以及二次設(shè)備拒動(dòng)等現(xiàn)象，從而使電廠在收到電氣二次設(shè)備拒動(dòng)、誤動(dòng)等異常運(yùn)行錯(cuò)誤的損傷前先做好防范，使得設(shè)備運(yùn)行更為正常；二是確保設(shè)備檢修手續(xù)齊全。在對(duì)電廠電氣二次設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，不僅要求檢修技術(shù)人員具有從業(yè)資格證書，還需要檢修人員具備安穩(wěn)措施準(zhǔn)許資料，方可開展既定工作。此外，檢修人員對(duì)電廠電氣二次設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)與維修的同時(shí)，需要對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行詳盡記錄，如壓板、線路檢測(cè)情況以及操作規(guī)范執(zhí)行情況等具體內(nèi)容，并確保檢修人員操作規(guī)范落實(shí)情況均符合電廠電氣二次設(shè)備規(guī)范；三是確保施工人員具備高的思想覺悟與責(zé)任感。電廠電氣二次設(shè)備施工操作規(guī)范應(yīng)事無巨細(xì)，在設(shè)備施工操作全過程落實(shí)工作效率，將安穩(wěn)操作、規(guī)范操作落到實(shí)處，而身為施工人員應(yīng)虛心好學(xué)，秉持敬業(yè)奉獻(xiàn)的思想覺悟在不斷提升自身專業(yè)技能的同時(shí)，也與專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行溝通與學(xué)習(xí)，使得電廠電氣二次設(shè)備維護(hù)更加效率高，使得設(shè)備施工操作規(guī)范性在高質(zhì)量的電廠人才基礎(chǔ)上得以貫徹落實(shí)，為提高電廠運(yùn)行效率與安穩(wěn)穩(wěn)定性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

• 安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過vx小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求，控制二維碼對(duì)應(yīng)的充電樁完成電動(dòng)汽車的充電過程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測(cè)，充電樁異常交易監(jiān)測(cè)

交易結(jié)算：充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

用戶管理：用戶注冊(cè)，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等

vx小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個(gè)充電站配備塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

在瀏覽器打開云平臺(tái)鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺(tái)頁(yè)

平臺(tái)頁(yè)總覽每天的kaihu數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，累計(jì)的kai戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

l 充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁(yè)面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

• 充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁(yè)面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時(shí)長(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4vx小程序

• 搜索與使用

小程序可以通過掃描二維碼和文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

• 授權(quán)登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑*打開小程序時(shí)，會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示

• 主功能頁(yè)

次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等

• 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

• 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺(tái)服務(wù)器：建議按照我方配置購(gòu)買，或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置清單：（如申請(qǐng)阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同，分別如下：

3.2現(xiàn)場(chǎng)硬件配置清單：

五、總結(jié)

綜上所述，電廠電氣二次設(shè)備運(yùn)行需要提升施工操作規(guī)范性、做好二次設(shè)備檢查工作，并在合理設(shè)計(jì)電氣二次設(shè)備的同時(shí)，做好設(shè)備的選擇、調(diào)試以及安裝工作，從而達(dá)到提高電廠運(yùn)行質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]曹永遠(yuǎn)，電廠電氣二次設(shè)備的安裝及質(zhì)量控制[J]，建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2014(35):578-578

[2]趙慧娟，淺析電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

作者簡(jiǎn)介：劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用