淺析基于智能控制的電動汽車充電樁系統(tǒng)研究

劉細鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：近幾年來，在全球可持續(xù)發(fā)展環(huán)境下，電動汽車以新型綠色成為汽車工業(yè)研究熱點。憑借操作方便，以及較高的實用性，智能充電樁作為電動汽車的配置基礎(chǔ)設(shè)施也隨之被大力推廣。智能充電樁技術(shù)的關(guān)鍵點之一是通過設(shè)計更有效、可靠的智能充電樁進而保障電動汽車有效的的使用過程。本文通過基于智能控制，分析了電動汽車智能充電樁的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電動汽車、智能、充電樁

引言

隨著不能再生能源，如石油的不斷使用，能源危機和環(huán)境要求迫使各國更加重視新能源的開發(fā)[1]。與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電動汽車不僅在便利性、續(xù)航性能和制造成本上有許多優(yōu)點，而且不需要浪費額外的時間來進行燃油補充。電動是一種綠色新能源，其通過電能作為動力來源進行驅(qū)動，*擺脫對石油的依賴。再者，由于電機運行聲音遠低于傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動機的運行聲音，使得低噪音也成為研究電動汽車的一個重要原因。

目前，很多科研機構(gòu)及國家在電動汽車的研發(fā)和市場投入上已經(jīng)有所成就，但我國在電動汽車上的研究起步晚，發(fā)展慢。因而，智能電動汽車的研究必然是發(fā)展趨勢。

一、充電系統(tǒng)的功能要求

在智能充電汽車系統(tǒng)中，電能通過電網(wǎng)傳遞到智能電動汽車“中轉(zhuǎn)站"。電動汽車智能充電樁再此過程中發(fā)揮巨大作用。除基本的安穩(wěn)性、便攜性和效率高要求外，智能充電樁還應(yīng)具備以下幾種功能：指示功能；記錄功能；智能計費功能；監(jiān)控功能；報警及故障保護功能。

二、充電系統(tǒng)的充電和智能充電樁的建設(shè)方式

1、充電系統(tǒng)的充電方式

電動汽車智能充電的方式主要有以下4種。

（1）交流充電：與交流電網(wǎng)相接，一般來說會用220V或者380V的交流電來實現(xiàn)電動汽車的充電過程。交流電源連接到汽車充電電動機，充電電池。交流充電安穩(wěn)性較高，但因時間較長，故一般用于小型電動汽車或外接式的混合動力汽車。

（2）直流通電：直流通電一般通過地面來提供電源，并且直接為電動汽車充電。相對交流充電的方式，其減少了車載充電樁，從而降低了汽車自身的重量。其使用的充電樁的功率一般較大，會對電網(wǎng)產(chǎn)生巨大的影響。因此在布置時，需要進一步考慮電網(wǎng)的保護措施。

（3）更換電池組：簡單而言，就是在汽車上額外備用一個蓄電池，當(dāng)一個蓄電池電力不足時用另外一個蓄電池進行更換。這是一種更快、更方便的方式，簡單地移除電動汽車的所有電池模組，并以已經(jīng)充滿電的同類型電池取代。由于需要對電池模塊的充電、存儲、維護和更換，因此充電站有很高的建設(shè)標準。投資成本相對較大，智力程度較低。一般而言，不予采納。

（4）非接觸式充電：非接觸式充電分為電磁感應(yīng)、磁共振和微波三種。非接觸式電動汽車的智能充電樁可以通過反復(fù)充電，為車輛提過持續(xù)運轉(zhuǎn)的能量。另一方面，非接觸式充電不需要電纜將汽車連接到供電系統(tǒng)，可以直接充。

2、充電樁的建設(shè)方式

從技術(shù)和使用層面上看，電動汽車智能充電樁的定位在幾個主要場景：居民區(qū)、公司和學(xué)校等特殊場景；安穩(wěn)商場、連鎖超市、運動和停車場等公共場景；高速公路服務(wù)區(qū)等。

綜合來看，交流充電相對更換電池組和非接觸式成本較低，風(fēng)險較小。而且，220V和380V的交流充電方式其電壓易于獲得，且對電網(wǎng)無大的負面影響。因此，220V和380V交流充電應(yīng)該是我們需要研究的主流方式。

三、建設(shè)智能充電樁監(jiān)控系統(tǒng)

智能充電樁的監(jiān)控系統(tǒng)作為智能充電樁系統(tǒng)的核心之一，是智能充電樁電氣系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)和安穩(wěn)監(jiān)控系統(tǒng)的總稱[5]。重要性主要體現(xiàn)在以下2個方面。

1、保證充電安穩(wěn)的需要

對于智能充電樁而言，如果充電過程不理想會加速甚至造成智能充電樁的永遠損壞，更有甚者還會引起爆炸。智能充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的充電監(jiān)控功能不僅可以監(jiān)控智能充電樁的實時狀態(tài)，還能作為保護措施從而高度保證充電過程的安穩(wěn)。

2、提高智能充電樁運行和管理水平的需要

電動汽車智能充電樁是電動汽車能源基礎(chǔ)設(shè)施，其保障了電動汽車的正常運行。組成智能充電樁的子系統(tǒng)數(shù)目較多，百分之一百人工管理不合實際。因此，采用先進的智能化技術(shù)來完成智能充電樁的運行和管理，提高其水平是十分有必要的。

四、充電樁智能的設(shè)計

電動汽車智能充電樁的系統(tǒng)設(shè)計主要包括硬件、軟件和環(huán)境和電磁3個部分，除滿足標準外，還可以添加其他附加功能。

1、硬件設(shè)計

電動汽車系統(tǒng)十分復(fù)雜，其智能充電樁的硬件系統(tǒng)部分主要包括：主控板、讀卡器、通訊模塊、觸摸屏等。主控板是智能充電樁的核心主體。主控板進行充電過程全部控制。主控板通過通信信道渠道完成服務(wù)器的智能化[7]。為保證電動汽車智能充電樁的運行過程正常，相關(guān)部門也要對智能充電樁進行實時監(jiān)控。

2、軟件設(shè)計

電動汽車智能充電樁的軟件設(shè)計部分，其具體可以拆分為：系統(tǒng)工作流程和功能模塊設(shè)計兩個部分。在電動汽車智能充電樁中，系統(tǒng)程度的工作流程是：當(dāng)電動汽車因為電力匱乏急需充電，則可以刷IC卡或者通過其他智能支付方式進入充電狀態(tài)。充電過程通過電動汽車智能充電樁的主控制系統(tǒng)進行保障。如果充電系統(tǒng)發(fā)生故障，那么充電操作將被禁止，并且還將警告服務(wù)器。

功能模塊化設(shè)計目的是使智能充電樁運行效率高，并且有可觀的延展性。其主要包括主控模塊、人機交互模塊、讀卡器模塊、費用計量模塊、通信模塊等。主程序是在軟件系統(tǒng)開始時，通過系統(tǒng)配置的文件配置相關(guān)程序，并且加載完成各通信模塊。人機交互模塊主要完成用戶操作，并進行與用戶的信息交互。安穩(wěn)模塊主要完成對用戶信息和智能充電樁數(shù)據(jù)傳遞過程的線路加密，保證用戶信息安穩(wěn)，不被外界竊取。

3、環(huán)境和電磁設(shè)計

電動汽車智能充電樁一般布置在戶外，因此需要有能抵抗惡劣的自然環(huán)境的能力。另外，電動汽車智能充電樁應(yīng)該擁有抗電磁干擾的性能，至少可以抵御正常電子通設(shè)備產(chǎn)生的弱電磁干擾。不能僅僅因為一個微弱的電磁信號就影響整個充電過程的實現(xiàn)。

五、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警；和用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。

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，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，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，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶管理：用戶注冊，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

微信小程序：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)存儲和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調(diào)度管理，即當(dāng)負荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

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

2.2平臺首頁

平臺首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計。

2.3實時監(jiān)控

l 充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁面監(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、總時長，進行負荷限制、故障查詢。

l 充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

l 搜索與使用

微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l 授權(quán)登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

l 主功能頁

初次進入主功能頁時需要授權(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，可以進行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。

l 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入充電選擇頁面，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，電價和預(yù)計可充電量等數(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)束可以進進行評價。

l 個人信息

個人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、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平臺服務(wù)器：建議按照我方配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

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

3.2現(xiàn)場硬件配置清單：

六、結(jié)語

電動汽車充電樁系統(tǒng)的智能化是一個復(fù)雜的工程，涉及多個方面的技術(shù)要求。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，應(yīng)結(jié)合智能控制研發(fā)滿足系統(tǒng)綜合監(jiān)控需要，人機操作界面友善、易擴展的系統(tǒng)，來推動電動汽車智能控制的進一步發(fā)展。

參考文獻

[1] 劉朝暉.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程

[2] 吳顯富.基于智能控制的電動汽車充電樁系統(tǒng)研究

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

作者簡介：劉細鳳，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