淺析電動車智能充電設計及研究

　更新日期：2024-03-15　點擊量：325

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：優(yōu)化智能充電樁的設計可以解決相關問題，因此利用文獻資料法等方法對電動汽車智能充電樁設計及關鍵技術進行了研究與探討。經過探究發(fā)現(xiàn)，在進行智能充電樁的設計時需要提高充電樁的天氣適應能力與抗電磁干擾能力，所以需要根據設計要求開展總體設計、可重構模塊化設計等環(huán)節(jié)的工作并靈活應用直流一體化充電技術、柔性充電堆技術等關鍵技術，優(yōu)化智能充電樁的整體性能。

關鍵詞：電動汽車；智能充電樁；能源互聯(lián)網

0前言

在長期發(fā)展過程中，能源問題與環(huán)境問題成為了困擾人類社會的關鍵問題，而加大電動汽車的生產力度可以在一定程度上減少石油等資源的消耗以及污染物的排放，但電動汽車需要智能充電樁的支持，所以需要在現(xiàn)有研究結果的基礎上對電動汽車智能充電樁設計及關鍵技術進行剖析。

1電動汽車智能充電樁的政策規(guī)定與現(xiàn)狀

1.1政策規(guī)定

當前我國針對智能充電樁等配套設施制定了相應的政策，例如《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》、《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》等，對智能充電樁設計、建設進行了規(guī)定[1]。

1.2設計現(xiàn)狀

2022年1月時我國制定了《“十四五"現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，強調要積極發(fā)展新能源并努力利用新能源代替化石能源，從而使能源結構轉型。同時，強調力爭到2025年，電力需求側響應能力達到極限負荷的3%～5%，其中華東、華中、南方等地區(qū)達到極限負荷的5%左右。在這種情況下，各個領域都需要持續(xù)推進能源低碳轉型，提升能源系統(tǒng)效率，例如汽車制造領域應積極研發(fā)新能源電動車并做好電動汽車智能充電樁的設計工作。但相比于西方發(fā)達國家，我國電動汽車起步相對較晚，相關技術還不夠成熟。且我國針對電動汽車智能充電樁的設計體系還不夠完善，設計中仍然存在一些亟待解決的問題。

1.3電動汽車智能充電樁的類型及比例

一，智能充電樁的類型。從充電方式、充電接口數(shù)等各方面情況來看，智能充電樁包括諸多類型。例如，從充電方式來看，智能充電樁包括交流、直流、交直流一體這三種類型；從充電接口數(shù)來看，智能充電樁包括一樁一充、一樁多充這兩種類型；從安裝地點來看，智能充電樁包括公用充電樁與專用充電樁這兩種類型；從安裝方式來看，智能充電樁包括落地式與掛壁式這兩種類型。其中公用充電樁與專用充電樁這一分類較為常用，且公共充電樁可以為全部或部分社會車輛提供充電服務，專用樁只為部分特定的社會車輛服務，一般安裝到單位內部場合，僅供單位內部人員使用。二，智能充電樁的比例。在智能充電樁需求愈加強烈的背景下，我國加大了充電樁建設力度，使充電樁比例得到了改善。中國充電聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據表明，在2022年1月-8月，我國充電基礎設施增量為169.8萬臺，同比 2021年1月-8月增長 300.5%。且2022 年1-8月，車樁增量比達到2.3:1，有效改善了“一樁難求"的局面，但是這一比例仍然達不到發(fā)改委提出的相應要求。

2電動汽車智能充電樁的設計

2.1總體設計

可以將智能充電樁分為功能結構模塊、人機交互模塊以及安全防護模塊，將功能結構模塊分為主控單元、智能通訊單元、功能擴展接口、智能計量結算單元；將人機交互模塊分為智能語音輸出單元、智能顯示單元、樁體顯示單元、智能身份識別單元、打印輸出單元；將安全防護模塊分為控制導引單元、電氣防護單元、緊急停止單元以及防水防塵單元[2]。

2.2可重構模塊化設計

一，功能結構模塊設計。例如，在進行主控單元設計時需要將具有Cortex-M3內核的LPC1769當作主控芯片；在進行智能通訊單元電路設計時需要采用高速、雙通道的芯片，且需要應用CAN總線通訊，從而實現(xiàn)智能充電樁與電動汽車電池管理系統(tǒng)的信息交互；在進行計量計費單元設計時需要選擇具有RS485通訊功能的智能電表，確保電表可以根據時段自動調用相應的費率且能夠實時測量電能表的運行參數(shù)。二，人機交互模塊設計。在設計過程中可以通過RFID這種射頻識別技術進行智能身份識別單元的設計，通過非接觸式的自動識別進行電磁耦合控制并為費用結算等環(huán)節(jié)提供支持，且需要完善智能顯示單元的硬件電路設計，確保初始界面有充電、查詢、管理以及幫助等基礎功能。三，安全防護模塊設計。在進行控制導引系統(tǒng)設計時需要優(yōu)化充電連接方式設計，使電纜組件與供電設備連接，使電纜組件的另一頭與電動汽車相連接，且需要優(yōu)化充電控制導引電路設計，確保其具備充電監(jiān)測、充電功率識別、充電系統(tǒng)停止等功能。

2.3人機交互軟件分層設計及界面設計

一，分層設計?？梢詫⒅悄艹潆姌兜娜藱C交互軟件架構分為5層，即APP層、BUSS層、COMP層、INFRA層以及DRV層，將APP層當作人機交互系統(tǒng)的高層、將BUSS層當作系統(tǒng)的次高層并完善BUSS層對按鍵的處理流程（如圖一所示）、在COMP層中編寫各種能夠對屏幕進行操作的功能函數(shù)、在INFRA層中設計屏幕的實際繪制函數(shù)、在DRV層中完善硬件的驅動程序設計。二，界面設計。在進行界面設計時需要做好人機交互系統(tǒng)的原型設計與界面

流程設計工作，例如在進行系統(tǒng)原型設計時應充分考慮充電過程中可能會出現(xiàn)的問題并優(yōu)化原型流程，在進行界面流程設計時應完善界面操作模式，讓用戶可以自主選擇自動模式、定時模式或定費模式，之后再完善各個模式的具體功能。

圖一：BUSS層對按鍵的處理流程

3電動汽車智能充電樁設計的關鍵技術

3.1直流一體化充電技術

直流一體化充電技術可以將整流模塊都安裝在智能充電樁中并通過交流電纜將交流電轉變?yōu)橹绷麟?，再通過充電槍為電動汽車進行充電。在設計智能充電樁時應綜合分析這種技術手段的優(yōu)勢與劣勢并準確判斷是否應用這種技術。

3.2柔性充電堆技術

柔性充電堆技術應用了智能控制技術，可以將全部或部分電動汽車智能充電樁中的充電模塊集中在一起并形成功率池，且可以實現(xiàn)集中監(jiān)控與調度，根據電動汽車的充電需求自動匹配很好的充電模塊數(shù)量。在應用這種技術時需要綜合分析智能充電樁的特點，從而優(yōu)化技術應用效果。

4電動汽車智能充電樁的發(fā)展前景

在理念不斷改變、技術水平不斷提升的背景下，電動汽車智能充電樁會逐漸向調節(jié)化、規(guī)范化等方向發(fā)展，且未來智能充電樁會得到新基建與虛擬電廠技術的加持，到那時充電樁就不再是單獨的、機械式的物理存在，且會具備智能物聯(lián)網的屬性，成為下一代能源互聯(lián)網的重要入口。其中虛擬電廠可以通過信息技術和軟件系統(tǒng)實現(xiàn)分布式電源、儲能、可調負荷等多種分布式資源的聚合和協(xié)同優(yōu)化。且虛擬電廠可以通過互聯(lián)網、5G以及智能網關等先進通信技術實現(xiàn)電網調度系統(tǒng)與用戶側可調節(jié)資源的雙向通信，因此需要加大對虛擬電廠的研究力度，不斷增加區(qū)域的調節(jié)能力，為用戶側可調節(jié)資源參與市場交易等各個方面提供技術保障，并通過虛擬電廠對新能源汽車與電網能量互動等分布式能源進行集中管理，使電動汽車智能充電樁的可持續(xù)發(fā)展。

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)網技術對接入系統(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、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網，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設施設計。

5.3系統(tǒng)結構

5.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據采集層、網絡傳輸層、數(shù)據中心層和客戶端層。

2）數(shù)據采集層：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）網絡傳輸層：通過4G網絡將數(shù)據上傳至搭建好的數(shù)據庫服務器。

4）數(shù)據中心層：包含應用服務器和數(shù)據服務器，應用服務器部署數(shù)據采集服務、WEB網站，數(shù)據服務器部署實時數(shù)據庫、歷史數(shù)據庫、基礎數(shù)據庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)負責人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、基礎數(shù)據管理等功能，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，對設備狀態(tài)、設備使用率、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，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2.實時監(jiān)控