淺析一種電動(dòng)汽車充電樁集中監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：為實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電過(guò)程的監(jiān)控以及大量電動(dòng)汽車充電負(fù)荷與電網(wǎng)的友好互動(dòng)，從而發(fā)揮其靈活調(diào)節(jié)作用，本文提出一種對(duì)充電樁進(jìn)行集中監(jiān)控的平臺(tái)設(shè)計(jì)方案、構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)充電樁的監(jiān)控方案以及與系統(tǒng)之間的通信方案，通過(guò)數(shù)據(jù)的采集處理實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)之間的交互。目前該系統(tǒng)已經(jīng)完成平臺(tái)和

充電樁交互測(cè)試，并嵌入配電自動(dòng)化系統(tǒng)，運(yùn)行情況表明該集中監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用于大規(guī)模電動(dòng)汽車充電樁

監(jiān)控的正確性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：有序充電，串口通信，數(shù)據(jù)采集，配電自動(dòng)化系統(tǒng)

        面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油資源的過(guò)度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問(wèn)題，電動(dòng)

        汽車(electricvehicle，EV)以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性，成為當(dāng)今國(guó)際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)之一。然而，隨之而來(lái)的大量電動(dòng)汽車負(fù)荷接入電網(wǎng)所帶來(lái)的影響逐漸引起了電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)者和研究人員的關(guān)注，文

獻(xiàn)[2][3][4][5]均表明大規(guī)模電動(dòng)汽車的充電行為會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)局部電壓下降、變壓器過(guò)載、負(fù)荷峰上加峰等影響?？紤]到電動(dòng)汽車負(fù)荷的需求響應(yīng)特性，文獻(xiàn)[6][7][8]提出利用電價(jià)對(duì)電動(dòng)汽車充電行為進(jìn)行有序引導(dǎo)，使其能充分發(fā)揮彈性負(fù)荷的作用，改善負(fù)荷形態(tài)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

        由于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的有序控制是建立在電動(dòng)汽車充電行為監(jiān)視的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]介紹了電動(dòng)汽車充電設(shè)施監(jiān)控的特點(diǎn)，以需求確定功能，提出了系統(tǒng)分層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并給出通信組網(wǎng)方式及各層的軟件功能實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]根據(jù)電動(dòng)汽車充電站的需求，充分考慮未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以IEC61970/61850系列標(biāo)準(zhǔn)為技術(shù)基礎(chǔ)，提出汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建模方案，建立電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)模型、設(shè)備信息模型、通信模型，并介紹建模方法，給出了站內(nèi)智能電子設(shè)備(IED)信息集成的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)方案的應(yīng)用前景。除了充電站的監(jiān)視，大量散落在住宅小區(qū)、商場(chǎng)、辦公區(qū)域的充電樁的監(jiān)視也*，對(duì)  其進(jìn)行監(jiān)控既是保證動(dòng)力電池充電的需要，也是進(jìn)一步提高大規(guī)模電動(dòng)汽車有序充電管理的必要條件。

        基于以上分析，本文提出一種對(duì)充電樁進(jìn)行集中監(jiān)控的平臺(tái)設(shè)計(jì)，通過(guò)充電樁的采集監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)充電信息的實(shí)時(shí)采集，并與平臺(tái)進(jìn)行交互，從而為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電動(dòng)汽車的有序充電提供支撐。借助所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)，并將其嵌入到配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車有序充電的控制，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了所提出監(jiān)控平臺(tái)的合理性。

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(guò)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(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過(guò)微信小程序掃描二維碼，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(guò)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

        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(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)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)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(guò)百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)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(guò)百分之八十時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)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(kāi)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)首頁(yè)

        平臺(tái)首頁(yè)總覽每天的開(kāi)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)，累計(jì)的開(kāi)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

?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)。

2.4微信小程序

?搜索與使用

        微信小程序可以通過(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到，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(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)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)

        初次進(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：

 

1、限流式保護(hù)器的設(shè)計(jì)

        電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開(kāi)關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(zhǎng)、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當(dāng)弊端，發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級(jí)速度快速限制短路電流以實(shí)現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場(chǎng)所人員和財(cái)產(chǎn)的。

        安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護(hù)器的主要元件是固態(tài)開(kāi)關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，分?jǐn)鄷r(shí)間微秒級(jí)，速度快，無(wú)電弧產(chǎn)生。

        如圖1所示，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

        從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)所釋放的能量差別可以達(dá)到數(shù)千倍之多。因此當(dāng)裝配限流式保護(hù)器的回路發(fā)生短路故障時(shí)，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災(zāi)。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器是單相限流式保護(hù)器，較大額定電流為63A。主要功能如下：

A）短路保護(hù)功能，線路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)；

B）過(guò)載保護(hù)功能，線路持續(xù)過(guò)載時(shí)，保護(hù)器限流保護(hù)；

C）表內(nèi)超溫保護(hù)功能，保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器限流保護(hù)；

D）過(guò)/欠壓保護(hù)功能，線路欠壓或過(guò)壓時(shí)，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

E）電纜溫度監(jiān)測(cè)功能，被測(cè)線纜溫度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測(cè)功能，線路漏電超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

G）通訊功能，保護(hù)器配置1路RS485接口，1路2G無(wú)線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000云平臺(tái)，或第三方監(jiān)控軟件或平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數(shù)

4、應(yīng)用方案圖示

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器建議安裝在入戶開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開(kāi)關(guān)的具體規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，典型應(yīng)用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項(xiàng)

        在選用限流式保護(hù)器時(shí)，限流式保護(hù)器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級(jí)的斷路器的額定電流保持一致。例如，當(dāng)限流式保護(hù)器輸入端斷路器的額定電流為32A時(shí)，應(yīng)將限流式保護(hù)器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護(hù)器的正常使用，嚴(yán)禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。

        ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場(chǎng)所無(wú)滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。

        為確保可靠連接，接線時(shí)應(yīng)按接線圖進(jìn)行，同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導(dǎo)致局部過(guò)熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護(hù)器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實(shí)。

        保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電，嚴(yán)禁非專業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間，若被保護(hù)線路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護(hù)時(shí)，保護(hù)器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長(zhǎng)按保護(hù)器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護(hù)器恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)。

        當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時(shí)，則可能是因?yàn)樨?fù)載電流過(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е?，可通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來(lái)后，再長(zhǎng)按復(fù)位鍵，使保護(hù)器復(fù)位，恢復(fù)正常運(yùn)行。

        本文提出了一種電動(dòng)汽車充電樁集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)本地采集車輛電池的電流、電壓等參數(shù)，

并采用串口及GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)充電信息的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)視，結(jié)合配電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行有序控制。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的安裝調(diào)試表明該平臺(tái)具有較好的性、可靠性、準(zhǔn)確性，能夠保障各充電樁的信息快速、地傳輸。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于某市多個(gè)電動(dòng)汽車充電樁，為電動(dòng)汽車的推廣與應(yīng)用提供了借鑒

和使用基礎(chǔ)。

 

[1]周建英，陳浩琿，方穎穎，張柳菁，莊玉林.一種電動(dòng)汽車充電樁集中監(jiān)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)[R/OL].

http://www.gov。。ｃｎ/zwgk/2012-07/09/content_2179032.htm,2012-06-28.

[3]田立亭,張明霞,汪奐伶.電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)影響的評(píng)估和解決方案[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(31):43-49.

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[8]潘樟惠,高賜威,劉順桂.基于需求側(cè)放電競(jìng)價(jià)的電動(dòng)汽車充放電調(diào)度研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2016,40(4):1140-1146.

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[10]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，男，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。