淺談電動車智能充電設(shè)計及研究

張穎姣

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(shè)計可以解決相關(guān)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(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)進行了研究與探討。經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn)，在進行智能充電樁的設(shè)計時需要提高充電樁的天氣適應(yīng)能力與抗電磁干擾能力，所以需要根據(jù)設(shè)計要求開展總體設(shè)計、可重構(gòu)模塊化設(shè)計等環(huán)節(jié)的工作并靈活應(yīng)用直流一體化充電技術(shù)、柔性充電堆技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化智能充電樁的整體性能。

關(guān)鍵詞：電動汽車；智能充電樁；能源互聯(lián)網(wǎng)

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(guān)鍵問題，而加大電動汽車的生產(chǎn)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(jié)果的基礎(chǔ)上對電動汽車智能充電樁設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)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(dāng)前我國針對智能充電樁等配套設(shè)施制定了相應(yīng)的政策，例如《關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)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(shè)計、建設(shè)進行了規(guī)定[1]。

1.2設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。同時，強調(diào)力爭到2025年，電力需求側(cè)響應(yīng)能力達到極限負(fù)荷的3%～5%，其中華東、華中、南方等地區(qū)達到極限負(fù)荷的5%左右。在這種情況下，各個領(lǐng)域都需要持續(xù)推進能源低碳轉(zhuǎn)型，提升能源系統(tǒng)效率，例如汽車制造領(lǐng)域應(yīng)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(shè)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(guān)技術(shù)還不夠成熟。且我國針對電動汽車智能充電樁的設(shè)計體系還不夠完善，設(shè)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(wù)，專用樁只為部分特定的社會車輛服務(wù)，一般安裝到單位內(nèi)部場合，僅供單位內(nèi)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(shè)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(jù)表明，在2022年1月-8月，我國充電基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)要求。

2電動汽車智能充電樁的設(shè)計

2.1總體設(shè)計

可以將智能充電樁分為功能結(jié)構(gòu)模塊、人機交互模塊以及安全防護模塊，將功能結(jié)構(gòu)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(jié)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(dǎo)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(gòu)模塊化設(shè)計

一，功能結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計。例如，在進行主控單元設(shè)計時需要將具有Cortex-M3內(nèi)核的LPC1769當(dāng)作主控芯片；在進行智能通訊單元電路設(shè)計時需要采用高速、雙通道的芯片，且需要應(yīng)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(shè)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(jù)時段自動調(diào)用相應(yīng)的費率且能夠?qū)崟r測量電能表的運行參數(shù)。二，人機交互模塊設(shè)計。在設(shè)計過程中可以通過RFID這種射頻識別技術(shù)進行智能身份識別單元的設(shè)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(jié)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(shè)計，確保初始界面有充電、查詢、管理以及幫助等基礎(chǔ)功能。三，安全防護模塊設(shè)計。在進行控制導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計時需要優(yōu)化充電連接方式設(shè)計，使電纜組件與供電設(shè)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(dǎo)引電路設(shè)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(shè)計及界面設(shè)計

一，分層設(shè)計?？梢詫⒅悄艹潆姌兜娜藱C交互軟件架構(gòu)分為5層，即APP層、BUSS層、COMP層、INFRA層以及DRV層，將APP層當(dāng)作人機交互系統(tǒng)的高層、將BUSS層當(dāng)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?qū)ζ聊贿M行操作的功能函數(shù)、在INFRA層中設(shè)計屏幕的實際繪制函數(shù)、在DRV層中完善硬件的驅(qū)動程序設(shè)計。二，界面設(shè)計。在進行界面設(shè)計時需要做好人機交互系統(tǒng)的原型設(shè)計與界面

流程設(shè)計工作，例如在進行系統(tǒng)原型設(shè)計時應(yīng)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(shè)計時應(yīng)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(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

3.1直流一體化充電技術(shù)

直流一體化充電技術(shù)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(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再通過充電槍為電動汽車進行充電。在設(shè)計智能充電樁時應(yīng)綜合分析這種技術(shù)手段的優(yōu)勢與劣勢并準(zhǔn)確判斷是否應(yīng)用這種技術(shù)。

3.2柔性充電堆技術(shù)

柔性充電堆技術(shù)應(yīng)用了智能控制技術(shù)，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(diào)度，根據(jù)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(yīng)用這種技術(shù)時需要綜合分析智能充電樁的特點，從而優(yōu)化技術(shù)應(yīng)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(shù)水平不斷提升的背景下，電動汽車智能充電樁會逐漸向調(diào)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(shù)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(wǎng)的屬性，成為下一代能源互聯(lián)網(wǎng)的重要入口。其中虛擬電廠可以通過信息技術(shù)和軟件系統(tǒng)實現(xiàn)分布式電源、儲能、可調(diào)負(fù)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(wǎng)、5G以及智能網(wǎng)關(guān)等先進通信技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)與用戶側(cè)可調(diào)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(diào)節(jié)能力，為用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源參與市場交易等各個方面提供技術(shù)保障，并通過虛擬電廠對新能源汽車與電網(wǎng)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(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(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(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)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(xué)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(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)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(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)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(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(xì)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。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)語

智能充電樁的設(shè)計效果與技術(shù)應(yīng)用情況會對電動汽車的發(fā)展產(chǎn)生較大影響，因此應(yīng)提高對智能充電樁設(shè)計的重視程度，根據(jù)設(shè)計要求開展總體設(shè)計、可重構(gòu)模塊化設(shè)計、人機交互界面設(shè)計等環(huán)節(jié)的工作并靈活應(yīng)用各種關(guān)鍵技術(shù)，進一步提升智能充電樁的實用性，為電動汽車的發(fā)展提供支持。

參考文獻

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[3]劉娟.電動汽車智能充電樁設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.

審核編輯 黃宇