淺談電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：在節(jié)能減排環(huán)境下，為減少環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車應(yīng)時(shí)而生。充電樁作為電動(dòng)汽車的重要組成部分以及重要能量來源，加強(qiáng)其研究能促進(jìn)電動(dòng)汽車的長久發(fā)展。文章分析研究了充電樁的發(fā)展時(shí)期和現(xiàn)狀，對(duì)我國目前已有的充電方式以及可行性進(jìn)行了分析，探究了電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)，具體為硬件、軟件、功能設(shè)計(jì)等方面，希望能助力我國的電動(dòng)汽車飛速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁；設(shè)計(jì)

引言

在保護(hù)生態(tài)環(huán)境背景下，為保護(hù)人類生存環(huán)境、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，我國汽車工業(yè)逐漸向節(jié)能環(huán)保、綠色產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變，電動(dòng)汽車作為重要組成部分也勢必朝著節(jié)能減排趨勢發(fā)展。充電樁作為電動(dòng)汽車的加油機(jī)，對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、電動(dòng)汽車充電樁概述

1、電動(dòng)汽車充電樁發(fā)展歷程及近況

新經(jīng)濟(jì)時(shí)代，我國工業(yè)發(fā)展飛速，但給生態(tài)環(huán)境帶來很多壓力和傷害。隨著我國經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)、提倡節(jié)能低碳是我國社會(huì)發(fā)展必然趨勢。因此電動(dòng)汽車出現(xiàn)并逐漸推廣，目前，電動(dòng)汽車在我國整個(gè)汽車市場有著舉足輕重的地位，在電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用初期，因部分配套設(shè)施沒有得到完善，所以在很大程度上阻礙、制約了電動(dòng)汽車的普及發(fā)展，隨著環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的建立，該問題受到了相關(guān)部門的關(guān)注和重視，投入了大量的資金對(duì)電動(dòng)汽車的配套設(shè)施進(jìn)行豐富、完善，并且已經(jīng)取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)，其中包含充電站、充電樁等。

2、電動(dòng)汽車充電的方法

電動(dòng)汽車充電的方法主要有交流充電、直流充電。直流充電不只是大型的公共汽車，在很多停車場地都會(huì)使用，同時(shí)具備交流、直流兩種充電樁，直流充電樁相對(duì)于交流更適用于大型車的快速充電。

（1）交流充電。使用220 V，380 V交流式充電電源，推動(dòng)了電動(dòng)汽車多功能車載濾波電路、三相整流橋等充電設(shè)施的發(fā)展，能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車的二次電池進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效充電，耗費(fèi)時(shí)間較短，功率較高，被廣泛應(yīng)用在小型電動(dòng)汽車上。

（2）直流充電。借助地皮表面的電源，對(duì)電動(dòng)汽車的二次電池（蓄電池）實(shí)施充電行為。與交流充電方式不同，直流充電并不需要二次電池進(jìn)行作用，充電時(shí)間較快，被廣泛應(yīng)用于大型的電動(dòng)汽車以及電動(dòng)汽車快充。

二、充電樁建設(shè)的兩種可行模式

1、連接方式

為便利汽車充電，可以在電動(dòng)汽車的停放場地建造相應(yīng)數(shù)量的交流充電樁，所用的220 V，380 V交流電壓是當(dāng)今汽車工業(yè)中普遍存在的，相對(duì)容易獲取，所以可以使用兩種交流電壓形式。家用電動(dòng)車或者小型電動(dòng)車都可以，較大特點(diǎn)是電動(dòng)汽車可以隨時(shí)利用閑暇時(shí)間進(jìn)行充電，使用便捷。

2、建設(shè)直流充電樁

與交流充電樁不同，直流充電樁更適合大型的電動(dòng)汽車充電，在大型電動(dòng)汽車停放場地建立直流充電樁，能夠使大型的電動(dòng)汽車迅速充電。因?yàn)橹绷鞒潆姌兜墓β势?，很容易?duì)電動(dòng)汽車的電網(wǎng)造成損害，因此需要定期對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

三、安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺(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、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過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，充電樁異常交易監(jiān)測。

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)首頁

平臺(tái)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(shí)長，累計(jì)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(shí)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(jì)。

2.3實(shí)時(shí)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(shí)長，進(jìn)行負(fù)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(shí)長和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)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(diǎn)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(shí)，會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：

l 主功能頁

初次進(jìn)入主功能頁時(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。

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(jìn)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(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)。

l 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：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（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)場推薦硬件配置清單：

四、安科瑞限流式保護(hù)器的介紹與選型

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、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，保障使用場所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

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)開關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程，分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(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)空氣開關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開關(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

從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開關(guān)與固態(tài)開關(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）過載保護(hù)功能，線路持續(xù)過載時(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)部器件工作溫度過高時(shí)，保護(hù)器限流保護(hù)；

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

E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報(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)測功能，線路漏電超過報(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無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺(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關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(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)確保安裝場所無滴水、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?？煽窟B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大而導(dǎo)致局部過熱，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)載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е?，可通過加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護(hù)器復(fù)位，恢復(fù)正常運(yùn)行。

五、結(jié)束語

綜上所述，可以看出來，在電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)中，要考慮的因素較多，設(shè)計(jì)要求也更加高，對(duì)智能充電樁的要求也比較嚴(yán)格，因此在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，需要對(duì)智能充電樁的連接方式、接口設(shè)計(jì)、問題處理等都要進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，讓智能充電樁的設(shè)計(jì)可以更好的服務(wù)于客戶。

參考文獻(xiàn)

[1] 柏靜.電動(dòng)汽車充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析.

[2] 魯莽,周小兵,張維.國內(nèi)外電動(dòng)汽車充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J].華中電力.

[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