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電動汽車充電樁監(jiān)控平臺系統(tǒng)的設(shè)計與應用

 更新日期:2023-07-17 點擊量:386

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:針對當前電動汽車續(xù)航能力嚴重不足以及不能及時充電的問題,將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無線射頻技術(shù)及CAN總線技術(shù)應用到電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究中。開展了無人值守的智能電動車充電樁的現(xiàn)實依據(jù)和理論可行性分析,提出了一種兼?zhèn)銫AN總線網(wǎng)絡通訊功能和無人值守功能的電動汽車智能充電樁的軟件設(shè)計方法和硬件結(jié)構(gòu)組成方案,把每個電動汽車智能充電樁視為一個智能節(jié)點,建立了上位機組態(tài)監(jiān)控和下位機數(shù)據(jù)采集相互結(jié)合的系統(tǒng)整體框架。在組態(tài)軟件MCGS上對電動汽車智能充電樁的人機交互界面進行了模擬演示試驗,并對電池充電過程中的各項參數(shù)指標進行了采集與分析。研究結(jié)果表明:電動汽車智能充電樁能夠快速地為電動汽車充電,并且具備完善的遠程通信和監(jiān)控功能,保證了電動汽車的續(xù)航能力。

關(guān)鍵詞:電動汽車;充電樁;REIP無線射頻;智能監(jiān)控;CAN總線

0引言

常規(guī)石化燃料的使用在對大氣造成了很大程度的污染的同時,其作為一種能源,儲量也越來越少。目前,很多國家和科研機構(gòu)正在積極的致力于電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn),我國在電動汽車行業(yè)起步早、發(fā)展快,發(fā)展電動汽車已經(jīng)成為節(jié)能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢。電動汽車憑借其少污染、少噪音、駕駛簡單的優(yōu)勢一度成為人們關(guān)注的焦點,但是電動汽車續(xù)航能力弱以及充電不方便等缺點也成為限制大范圍使用的障礙。目前,電動汽車采用蓄能電池作為動力來源,當電壓較低時,就要進行電能補給,否則性能會受到很大影響。目前,國內(nèi)有很多充電模式,例如:電池組快速更換、快速充電以及常規(guī)充電等,但是動力電池體積大、重量大、更換不方便舊J。電動汽車智能充電樁不僅能夠解決電動汽車隨時隨地充電的問題,還能夠?qū)恿﹄姵剡M行維護,具有人性化的人機交互界面和完善的通訊能力,確保了用戶操作簡便,實現(xiàn)了智能化。本研究將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無線射頻技術(shù)等應用到電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究中。

1 電動汽車(EV)的充電方法和建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

目前,電動汽車(EV)充電的方法主要有:

(1)交流充電。由電網(wǎng)提供220 V或者380 V交流電源,經(jīng)過車載充電裝置的濾波、整流和保護等功能,實現(xiàn)對電動汽車蓄電池的充電過程。這種充電方法充電時間較長,充電功率較小,適合小型純電動車以及混合動力運行的汽車。

(2)直流充電。這種充電方式是由地面提供直流電源,直接為車上的蓄電池進行充電,省去了車載充電裝置,有利于車身自重的減輕。地面充電機一般功率較大,能實現(xiàn)快速充電。適合電動公交車等大型電動汽車。

(3)更換電池組。這種充電方法為每一輛電動汽車準備了兩組蓄電池,一組為電動汽車提供電源的同時,另一組處于地面充電狀態(tài),當車載電池組電量不足的時候,可以及時地拆下并更換已經(jīng)充足電量的電池組。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)較短時間的充電過程。但是需要建設(shè)大量的電池更換站,需要大量人員進行維護。投資成本大,智能化程度低,不予采用。

(4)非接觸式充電。這種充電方式需要在路面上嵌入電氣元件,并且能夠和車輛進行隨時接觸,這樣在車輛行駛的過程中才能夠?qū)崿F(xiàn)隨時充電,不用受到充電地點的限制。這種充電方式目前還沒有引起人們足夠的注意和興趣,不予采用。

對建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性分析如下:

隨著社會科技力量的不斷強大,電動車以其排放和噪音小的優(yōu)勢會逐漸地被人們所認可。建設(shè)龐大的充電系統(tǒng)也是一部分,就如同現(xiàn)在的汽車加油站一樣,遍地可見。同時,現(xiàn)在的電動車輛電池大部分采用能效比較高、體積較小的鋰離子蓄電池作為能源電池。鋰離子電池對充放電的要求較高,如果沒有相應的監(jiān)控方式,就會對電池造成不可修復的損害,嚴重時還會危及到人們的人身安全。

2 電動汽車(EV)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

2.1 充電樁建設(shè)的兩種可行模式

(1)建設(shè)交流充電樁。在小區(qū)停車場建設(shè)交流充電樁,采用220 V或者390 V交流電壓,這兩種電壓等級容易獲得。經(jīng)過地面充電樁,可以為家用電動汽車或者環(huán)衛(wèi)清潔車等小型電動汽車充電,這種交流充電樁的優(yōu)勢就是可以利用車輛夜間閑置的時間進行充電。

(2)建設(shè)直流充電樁。在電動公交車站或者大型電動汽車的場合建設(shè)直流充電樁,可以快速地完成車輛充電過程。這種充電樁的功率較大,對電網(wǎng)會進行一定的沖擊,所以在建設(shè)的時候需要考慮對電網(wǎng)的保護措施。本研究只要考慮交流220 V、380 V充電樁的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括:

(1)具備IC卡識別功能,通過手持Ic卡進行充電樁的激活和計費功能。

(2)具備對充電樁交流電源的電壓和電流的檢測和保護功能。

(3)具備對電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段進行監(jiān)控的功能。

(4)具備通信功能,能夠和上級管理層進行通信和數(shù)據(jù)交換。

(5)具備電池智能維護的功能,能夠在充電過程中,對電池進行檢測,適度維護電池。

3 充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1硬件框架組成

充電池監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中,AC交流電源輸入為直接接人的380 V電網(wǎng)電源,經(jīng)過處理單元的濾波、整流、穩(wěn)壓等一系列操作變成可供電動汽車充電的可用直流電源。IC卡識別模塊用來用戶激活充電樁的方式,通過讀卡器識別Ic卡上的用戶信息,可用來顯示余額,以及個人信息。狀態(tài)顯示用來顯示當前的充電模式、充電電流/電壓以及電池的充電狀態(tài)等信息。

硬件系統(tǒng)主要包括主控板、Ic讀卡器、檢測芯片、以及顯示電表和顯示屏、鍵盤、通信模塊等設(shè)備。

主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分,完成充電過程的啟動、運行、實時監(jiān)控以及關(guān)閉,并可通過多種通訊方式將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺,主控板的主要功能特點包括:具備7個串口,下位機檢測以及數(shù)據(jù)采集辦卡通過通用串行總線和上位機CPU模塊進行通信,同時上位機需具備顯示功能。具備一個以太網(wǎng)口,動態(tài)的SDRAM控制器,NAND控制器,以及多路口,具備工業(yè)級的溫度范圍等。5 J。為了實時監(jiān)測充電樁的運行狀態(tài),保證充電過程的安全可靠,本研究設(shè)計了監(jiān)控保護單元,該單元對充電樁的進線輸入電壓、充電輸出電壓/電流、充電接口連接狀態(tài)、車載電池管理系狀態(tài)、車載電池狀態(tài)等進行實時監(jiān)測,一旦出現(xiàn)異常,能夠及時切斷電源輸出,保護電動汽車電池及充電樁本身的安全。

在電動車充電樁建設(shè)的過程中,充電樁外體材料應選擇鍍鋅鋼板,并具備一定的防潮防水性能,保證在陰濕天氣情況下能正常運行。在元件選型時,應該選擇具有工業(yè)級標準的電力電子器件,保證充電樁在惡劣環(huán)境下能正常運行。另外,為防止電磁干擾,應選用帶屏蔽功能的通信線,以及在外體上鏈接一根接地線,起到共模抑制的作用。

3.2充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。當用戶需要充電時,將電動汽車的充電插口與充電樁的充電手柄相連接,然后通過IC卡讀卡器激活充電樁;如果充電手柄與充電插口連接不正常則提示報警。用戶身份識別完成后,用戶可選擇充電模式和充電時間,同時充電樁檢測電池狀態(tài),如果電池當前狀態(tài)不允許用戶選擇當前充電模式的話,則提示報警,由充電樁給出合理的充電模式的選擇建議。當充電模式選擇正確后,則可以研究正常充電過程,在充電過程中,顯示屏會顯示當前用戶的信息、卡余額、充電時間以及估計剩余時間等等有效信息。充電結(jié)束后,充電樁給出提示,卡計費停止,打印票據(jù),用戶離開,充電樁自動進行鎖定狀態(tài),等待下一用戶激活。

主程序在編寫時,采用了模塊化的原則,這樣能夠保證充電樁高效的運行,筆者按照充電樁的幾大功能,將程序分為幾個大的模塊:中央控制模塊、IC卡識別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機模塊、檢測模塊等6大模塊。8 J。當充電樁被激活時,主程序能夠有效地協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作從而完成從身份識別到充電結(jié)束的一整套流程,多線程處理可以保證各個模塊之間相互獨立,互不影響。

4智能充電樁的性能測試

經(jīng)過現(xiàn)場測試,電動汽車智能充電樁能夠滿足快速充電的要求,并且具備電池的維護和保養(yǎng)功能,現(xiàn)場監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內(nèi)余額等各項信息,用戶可以很方便地進行充電操作,現(xiàn)場測試表明,電動汽車智能充電樁運行狀況良好。系統(tǒng)整體測試截圖如圖3所示。

5 安科瑞充電樁收費運營云平臺

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱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)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài),進行充電服務、支付管理,交易結(jié)算,資要管理、電能管理,明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓,欠壓,絕緣低各類故障進行預警;充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng),用戶通過微信、支付寶,云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

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

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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù),并進行電能計量和保護。

3)網(wǎng)絡傳輸層:通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4)數(shù)據(jù)中心層:包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器,應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站,數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5)應客戶端層:系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,同時為運維人員提供運維APP,充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況,對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示,同時可查看每個站點的站點信息、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實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況,主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流,充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶,對其進行賬戶進行充值、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信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息,平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理,同時運維人員可通過運維APP收取故障推送,運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺,從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度,查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶,運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施,維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動,同時可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用,可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況,進行遠程參數(shù)設(shè)置,同時可接收故障推送。

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

6結(jié)語

通過在實驗室進行的模擬充電實驗,筆者得出以下結(jié)論,電動汽車智能充電樁的運行狀況良好,充電模式可以根據(jù)需要進行修改,充電時間可根據(jù)充電模式的選擇自動調(diào)整,*快充電時間在60 rain左右,用戶信息可以顯示當前卡內(nèi)余額、歷史充電記錄,方便用戶查詢。當電池電壓達到額定電壓的90%的時候,系統(tǒng)會自動降低充電電流,對電池做出維護。凸顯的一個問題就是,系統(tǒng)發(fā)熱量較高,需配備散熱設(shè)備進行散熱,以保證電子器件的安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻

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