簡(jiǎn)析電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

安科瑞 陳聰

摘要：作為新能源汽車的基礎(chǔ)動(dòng)力裝置，交流充電樁也是可以促使新能源汽車正常行駛的關(guān)鍵內(nèi)容。與其他汽車不同的是，新能源汽車并不需要汽油維持其運(yùn)行，只需要充電就可以保證汽車行駛的需求，可以降低汽油排放對(duì)環(huán)境的污染，近年來(lái)我國(guó)新能源汽車的增長(zhǎng)速度出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，但是其充電樁的發(fā)展還比較緩慢。目前在充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間仍存在一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在充電設(shè)施短缺、充電難等問(wèn)題，這些問(wèn)題的發(fā)生均會(huì)在一定程度上限制新能源汽車的發(fā)展，這就需要加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)，旨在可以為新能源汽車的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；交流充電樁；充電樁系統(tǒng)

0引言

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的背景下，人們對(duì)于生活環(huán)境以及生活質(zhì)量的要求都有所提升，汽車作為人們出行的必要手段，目前已經(jīng)呈現(xiàn)家家戶戶都有汽車的局面，但是隨著汽車數(shù)量的增加，對(duì)道路的影響以及對(duì)環(huán)境所帶來(lái)的污染問(wèn)題也明顯加劇，為了在滿足人們出行需求的基礎(chǔ)上盡可能降低對(duì)環(huán)境的污染，新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。在新能源汽車數(shù)量逐漸增多的背景下，對(duì)于充電樁的需求量也越來(lái)越大，與燃油車相比，新能源汽車只需要通過(guò)充電的方式就可以運(yùn)行，由此可見(jiàn)，充電系統(tǒng)的好壞對(duì)新能源汽車的實(shí)際運(yùn)行帶來(lái)的影響很大。根據(jù)目前新能源汽車在充電樁設(shè)計(jì)方面所具有的市場(chǎng)前景中分析，就可以提出一種科學(xué)且可靠的充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在可以將充電難與充電設(shè)施短缺的問(wèn)題有效解決。

1充電樁系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的作用是及時(shí)為新能源汽車充電，只有確保新能源汽車可以具有足夠的電量，才可以保證車輛正常運(yùn)行，客戶也能夠便捷、輕松地完成整個(gè)充電流程，而系統(tǒng)也具備完善的人機(jī)交互—電腦接口和清晰的系統(tǒng)聲音顯示，而當(dāng)前具有的充電模式也具有多種多樣的優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)各種客戶對(duì)新能源汽車充電的需要。當(dāng)前電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)期間，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)PLC可編程控制器與觸摸屏的相關(guān)設(shè)計(jì)，其中還包括對(duì)智能卡識(shí)讀模塊、模塊電能計(jì)量以及發(fā)票打印機(jī)的設(shè)計(jì)，這些內(nèi)容都是可以確保充電樁可以順利運(yùn)行的關(guān)鍵內(nèi)容，整個(gè)框圖如圖1所示。對(duì)于新能源汽車行駛期間，如果出現(xiàn)電量過(guò)低就需要及時(shí)充電，將汽車的電量充滿以滿足其行駛要求，而對(duì)于新能源汽車的充電而言，充電樁是較為重要的設(shè)施，在實(shí)際應(yīng)用充電樁充電期間，通過(guò)觸摸讀取畫(huà)面的方式能夠?qū)崿F(xiàn)PLC與各功能模塊之間的有效連接，在連接下就可以建立一種有效的通訊系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)電能計(jì)費(fèi)的方式，實(shí)時(shí)顯示充電時(shí)間、充電量以及充電費(fèi)用等相關(guān)內(nèi)容，當(dāng)完成整個(gè)充電需求之后就可以借助打印模塊對(duì)涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，便于用戶查看相關(guān)信息。

2電動(dòng)汽車交流充電樁硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1核心控制模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的新能源汽車交流充電樁系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)主要是使用220V交流民用電源開(kāi)展電力供應(yīng)，可以將220交流的民用電源經(jīng)過(guò)斷路器將其分為三路，分為的三路中一支路可以接避雷器，實(shí)現(xiàn)輸出接地的目標(biāo)，而其中涉及到的二支路在實(shí)際使用期間，其主要目的就是可以將硬件系統(tǒng)中的電源模塊有效連接，第三支路設(shè)計(jì)的主要目的則是當(dāng)主線接入交流智能電表后，就可以實(shí)現(xiàn)充電前期準(zhǔn)備工作，具體可以借助交流接觸器的方式輸出220VAC給充電槍，充電槍就可以具有充電的效果，以滿足新能源汽車的充電需求。但是對(duì)于整個(gè)電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，其核心控制模塊中充電槍與被充電汽車之間具有一定的連接性，要想確保其可以與相關(guān)的外面設(shè)備互相配合以完成連接的需要，就應(yīng)該保證主控板外面接口數(shù)量和數(shù)據(jù)處理速度滿足要求。本項(xiàng)目對(duì)于主控板的控制芯片主要進(jìn)行相關(guān)研究，可以在處理器過(guò)載特小的情況滿足相關(guān)要求，支持外面設(shè)備的高速連接，并在采集相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上將涉及到的任務(wù)有效處理，實(shí)際緩存期間高16KB，其工作頻率非常高，較高可達(dá)400MHz，由此能夠滿足多任務(wù)計(jì)算和充電棧主控板處理的需求。

2.2電源模塊設(shè)計(jì)

電源是所有系統(tǒng)要想運(yùn)行不可少的因素之一，也是關(guān)鍵的內(nèi)容，不論是相關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行，還是充電樁的充電要求，都離不開(kāi)電源模塊的使用，在電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，電源模塊的主要作用就是可以為充電樁提供相應(yīng)的直流電源供應(yīng)。但是由于系統(tǒng)中具有較多的電路，而不同電路對(duì)于電源的需求也有所差異，要想確保整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)電路均可以正常工作，就需要在電源模塊設(shè)計(jì)期間為其提供多種供電電壓，滿足不同電路對(duì)于電源的實(shí)際需要，各模塊器件正常工作所需的電壓和電流如表1所示。

2.3電量計(jì)量模塊設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間電能表也是重要的組成部位，電能表的實(shí)際作用就是可以對(duì)電路中的實(shí)際消耗進(jìn)行相應(yīng)測(cè)量。在電能表設(shè)計(jì)期間應(yīng)確保其可以滿足相關(guān)要求，因?yàn)槲覈?guó)電能表的實(shí)際發(fā)展歷程具有漫長(zhǎng)的特點(diǎn)，這個(gè)漫長(zhǎng)的主要表現(xiàn)形式就是從以往初的感應(yīng)式電能表，逐漸發(fā)展到電子式的電能表，當(dāng)前我國(guó)電表類型越來(lái)越多，其功能也會(huì)呈現(xiàn)越來(lái)越完善的情況。一款集計(jì)量、計(jì)量、液晶顯示、脈搏指示、通訊于一體的單相緊湊型儀表，其性能參數(shù)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17215.321-2008，由于儀表采用高精度測(cè)量芯片和高速M(fèi)CU數(shù)據(jù)處理單元，在實(shí)際應(yīng)用期間可準(zhǔn)確測(cè)量功率、電壓、電流等電參數(shù)，所具備穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，并具有停電數(shù)據(jù)自動(dòng)保存功能。此外，由于電表需要采用RS-485通訊方式，而主板采用TTL通訊方式，這就需要將兩種不兼容的模塊進(jìn)行配合，旨在能夠?qū)崿F(xiàn)主板與電表的正常通訊功能。

2.4控制導(dǎo)引模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路和車載BMS系統(tǒng)也是充電樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間可以通過(guò)CC和CP完成相應(yīng)的連接需求，并在連接期間可以有效確認(rèn)充電的相關(guān)參數(shù)，滿足實(shí)際充電需求。當(dāng)前國(guó)標(biāo)中所規(guī)定PWM信號(hào)一般都是由功率控制器件提供，該電路在實(shí)際運(yùn)行期間可以輸出雙極性PWM，也可以在運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)+12V電壓的輸出，在輸出電壓期間就可以滿足電動(dòng)汽車對(duì)電壓的實(shí)際使用需要。本研究所使用的電路設(shè)計(jì)主要配合HCNR200內(nèi)部的光電信號(hào)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)換要求，在轉(zhuǎn)換期間也能夠?qū)崿F(xiàn)被測(cè)電路與采樣電路之間所具備的功能特點(diǎn)，其中包括電氣隔離和線性測(cè)量所具備的雙重功能，能夠有效滿足電力供應(yīng)的需要。在此期間，控制引導(dǎo)模塊也可以引導(dǎo)輸入電壓的有效輸入，先需要經(jīng)過(guò)前級(jí)運(yùn)放并在完成以上操作之后需要將感測(cè)點(diǎn)CP輸入電壓的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為具有輸出功能的電流信號(hào)。此外電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路中的R10、R12也具有一定的作用，具體可以滿足限流和控制內(nèi)部LED發(fā)光強(qiáng)度的實(shí)際需要，在傳遞期間就可以將增益K控制在合理的范圍內(nèi)，其中涉及的電容Cl和C2是用來(lái)提高電路穩(wěn)定性的反饋電容。

3電動(dòng)汽車交流充電樁軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1移動(dòng)控制端設(shè)計(jì)

在我國(guó)社會(huì)不斷發(fā)展的背景下，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也出現(xiàn)了明顯的發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)成為人們生活中的需品，在生活與工作期間，“微、小、輕”已經(jīng)成為滿足人們生活的關(guān)鍵要素，在此基礎(chǔ)上，微信小程序應(yīng)運(yùn)而生。微信小程序在實(shí)際運(yùn)行期間并不需要用戶安裝軟件，而是可以通過(guò)搜索后就可以實(shí)現(xiàn)使用需要，并沒(méi)不會(huì)占據(jù)手機(jī)的內(nèi)存空間，在實(shí)際應(yīng)用期間既可以通過(guò)掃碼接入與小程序分享的方式進(jìn)入，還可以在搜索公眾號(hào)后直接進(jìn)入，無(wú)需安裝和卸載。在電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)實(shí)際使用期間，通過(guò)微信小程序的使用就可以便于用戶實(shí)現(xiàn)充電需要，具體是采用C/S交互的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中就可以使用MINA框架對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠完成數(shù)據(jù)信息的相關(guān)綁定要求，還可以在掌握數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)同步響應(yīng)的需要。借助微信小程序進(jìn)行充電樁的使用期間，就可以在用戶打開(kāi)小程序登錄身份驗(yàn)證之后，就可以預(yù)約充電時(shí)間段，避免長(zhǎng)時(shí)間等待充電的情況發(fā)生，但是在實(shí)際預(yù)約期間也需要注意，每個(gè)用戶只能預(yù)約當(dāng)前面10小時(shí)內(nèi)充電樁使用的時(shí)間段，不可以超時(shí)間預(yù)約，而在預(yù)約期間也只是預(yù)約一個(gè)充電樁的使用，不可以同時(shí)預(yù)約多臺(tái)充電樁，當(dāng)預(yù)約成功之后該臺(tái)充電樁在預(yù)約時(shí)間段內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)鎖定的情況，其他汽車無(wú)法實(shí)現(xiàn)充電需要。同時(shí)在預(yù)約成功后，用戶就需要在預(yù)約時(shí)間段內(nèi)到達(dá)充電樁，并將預(yù)約成功之后小程序發(fā)送的具有保密功能的8位充值碼輸入充電樁系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)充電的需要，如果用戶在預(yù)約后20min內(nèi)沒(méi)有完成充電，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)解綁該預(yù)約的用戶，滿足其他用戶的充電需要。充電樁之間建立聯(lián)系，對(duì)于充電樁的實(shí)際設(shè)計(jì)而言，一個(gè)充電樁既可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立存在的需要，也可以確保其屬于某個(gè)充電站。

4電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)

新能源汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間首先需要系統(tǒng)地搜集該方面有關(guān)文獻(xiàn)資料，積極掌握并利用學(xué)術(shù)界研究和實(shí)際應(yīng)用中的有關(guān)成果，并熟悉消費(fèi)要求、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)等方面的國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以及新能源汽車交流充電樁設(shè)施的外形構(gòu)造等基本情況。本文綜合研究并分析了各種類型充電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)新能源汽車設(shè)計(jì)的交流充電樁控制器和所采用的交流充電樁控制器，確保其能夠有著較突出的人性化、集成化、高智能化等特征，確保整個(gè)系統(tǒng)可以更加完善。通過(guò)上述研究?jī)?nèi)容，研究人員可以在軟硬件方面進(jìn)一步優(yōu)化和完善整個(gè)體系，從而獲得較佳的性能控制系統(tǒng)，其中涉及的智能管理系統(tǒng)同時(shí)具備人性化、集成化、高智能化等一系列優(yōu)勢(shì)，可以高效地實(shí)現(xiàn)刷卡消費(fèi)、人機(jī)交互、信息、計(jì)算、設(shè)備自檢等安全控制功能，該管理系統(tǒng)擁有清晰干凈的觸摸屏接口，并且動(dòng)作反應(yīng)敏捷，用戶能夠根據(jù)新能源汽車的具體充電要求，選定自身需求的充電模式[7]。

5安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(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)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

5.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

5.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

5.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)語(yǔ)

總之，在我國(guó)新能源汽車數(shù)量的逐漸增加，新能源汽車的車主對(duì)于充電的需求量也有所增加，為滿足電動(dòng)汽車的充電需求，本文主要研究電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在了解當(dāng)前充電樁實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，就可以開(kāi)展相關(guān)的研究，并在此期間，以相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)作為主要標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，在充電樁設(shè)計(jì)期間既可以滿足用戶使用小程序預(yù)約充電樁充電的需要，

也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，降低用戶等待充電時(shí)間。未來(lái)，隨著對(duì)充電樁研究的逐漸深入，在新能源汽車交流充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間還可以實(shí)時(shí)完成對(duì)充電狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，更好地滿足新能源汽車用戶的充電需求。

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