淺談電動汽車智能充電樁的設(shè)計分析

吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：目前環(huán)境問題日益嚴重，資源也嚴重短缺，節(jié)能減排的實行至關(guān)重要。電動汽車的使用在很大程度上減少了廢氣的排放，節(jié)約了能源。電動汽車發(fā)動機的動力來源是電力，所以，電動汽車的充電問題是非常重要的。本文以運營型32KW交流充電樁項目為例，對充電樁的連接方式、接口設(shè)計、通信延遲丟包等問題進行分析，探索電動汽車智能充電樁的設(shè)計，更好的為電動汽車提供電力，對環(huán)境起到更好的保護作用。

關(guān)鍵詞：電動汽車；智能充電樁；設(shè)計分析

引言

隨著環(huán)境問題的日益嚴峻和能源的匱乏，節(jié)能減排的重要性也突顯出來。電動汽車的推行在很大程度上可以保護環(huán)境，減少能源的消耗。電動汽車的動力來源是電力，所以電動汽車的充電是主要問題，為了更好的保證電動汽車的充電，智能充電樁的設(shè)計至關(guān)重要。隨著電動汽車越來越廣泛的應(yīng)用，市場對智能充電樁的要求也相對更高，與傳統(tǒng)的充電樁相比，智能充電樁在節(jié)能方面做的更好，減少了能源的消耗，更好的實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

一、智能充電樁設(shè)計要求

1、智能充電樁的設(shè)計原則

1.1安全性

安全在任何時候都是排在前面，在設(shè)計電動汽車智能充電樁的時候，一定要考慮到安全問題。在智能充電樁給電動汽車充電的過程中，一定要保證安全，包括充電樁本身的安全、蓄電池的安全、工作人員的安全等。

1.2便捷性與效率高性

智能充電樁一定具備的一個性能就是智能，在設(shè)計智能充電樁的時候，一定要盡可能的減少人工的操作，讓用戶在使用的過程中更加便捷。同時，在設(shè)計智能充電樁的時候一定要考慮到效率高性，在設(shè)計智能充電樁的時候一定要注意充電樁的充電速度，保證充電的效率高，讓充電樁的工作效率提高。

1.3成本低

智能充電樁的設(shè)計中成本問題是一個重要問題，在設(shè)計智能充電樁的時候在保證智能充電樁安全、便捷以及效率高的同時要考慮成本，較大程度的降低智能充電樁的成本，實現(xiàn)低成本效率高果的目標。

2、智能充電樁的硬件系統(tǒng)要求

對于智能充電樁來說，它的工作環(huán)境比較惡劣，我國的南北溫差比較大，自然環(huán)境也比較復(fù)雜，再加上智能充電樁的工作環(huán)境中還有強電磁，這些都讓智能充電樁的設(shè)計有很大的難度。在設(shè)計智能充電樁的時候，要考慮到以下兩點：(1)要綜合考慮內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)各種天氣，在設(shè)計智能充電樁的時候，要注意充電樁的外部結(jié)構(gòu)是否封閉，以防雨水、血水等進入到樁內(nèi)，造成智能充電樁出現(xiàn)系統(tǒng)故障等，內(nèi)部的空氣流動也要良好，有效的散熱，避免智能充電樁在運行過程中因為散熱不好而出現(xiàn)故障，智能充電樁的硬件系統(tǒng)還需要適應(yīng)各類的氣候環(huán)境，保證智能充電樁在不同的環(huán)境中都可以正常運行。(2)提高智能充電樁的抗電磁能力，在智能充電樁工作的環(huán)境中有很多的電磁干擾，對于電磁干擾主要就是各種電磁感應(yīng)對信號傳輸造成擾亂的情況。

3、智能充電樁的軟件系統(tǒng)功能目標

對于智能充電樁的軟件系統(tǒng)的功能目標，主要如下：

(1)操作界面一定要簡單清晰，并且具有人性化。

(2)充電管理一定要安全可靠。

(3)具備多種服務(wù)模式，可以計時、計金額來進行充電。

（4）計費管理和用電統(tǒng)計一定要準確。(5)通訊接口要豐富。第六，消費憑證的打印要標準。

從以上這些智能充電樁的軟件系統(tǒng)功能目標可以看出來，智能充電樁終端控制器要具備效率高的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理能力。為了給客戶帶來更加方便快捷的服務(wù)，需要實現(xiàn)傳輸速度快、模塊穩(wěn)定、讀卡的敏捷度高等功能，實現(xiàn)充電的時候按時間、按金額、按電度，刷卡，扣費更加準確，數(shù)據(jù)傳輸更加快速 。

二、電動汽車智能充電樁的設(shè)計應(yīng)用分析

根據(jù)市場與公司運營需要，我司需設(shè)計一款能夠在滿足電動汽車交流充電樁標準的前提下，具備聯(lián)網(wǎng)控制、在線計費、在線監(jiān)控的產(chǎn)品。筆者作為項目的研發(fā)經(jīng)理，主要負責(zé)項目的硬件電氣部分設(shè)計、嵌入硬件部分設(shè)計、嵌入式軟件部分設(shè)計。

1、連接方式

在智能充電樁設(shè)計中，其連接方式主要是充電樁標配充電槍和充電樁標配充電槍座。對于充電樁標配充電槍來說，用戶使用的時候更加方便，但是充電樁標配充電槍中配有電線纜，電線纜容易損壞而且還容易被一些不法分子破壞或者偷盜。對于充電樁標配充電槍座來說，需要設(shè)計防雨部分，而且還要犧牲一部分的用戶體驗。綜合考慮，在本項目中所使用的連接方式是充電樁標配充電槍座。

2、接口設(shè)計

在智能充電樁設(shè)計中，因為是初次使用互聯(lián)網(wǎng)通信，所以在選擇接口的時候有很大的問題。智能充電樁通過有線方式“以太網(wǎng)"集中，然后通過寬帶接入 GPRS 通信或者互聯(lián)網(wǎng)，在選擇接口的時候要綜合考慮。有線方式“以太網(wǎng)"集中寬帶高、穩(wěn)定性好、延遲低，但是所涉及的路由器、寬帶貓、交換機中的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會讓整個集中區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)都癱瘓。對于 GPRS 通信來說，它的寬帶較低、穩(wěn)定性較低、延遲比較高，但是它的每一臺都是獨立的，即便其中的某一臺出現(xiàn)故障的時候，對其他的設(shè)備不會造成影響。對此，本項目選用的接口是標配 GPRS 通信。GPRS 通信雖然在寬帶、穩(wěn)定性、延遲方面略有不足，但是 GPRS 通信可以讓每一臺智能充電樁都獨立起來，其中某一臺智能充電樁出現(xiàn)問題的時候?qū)ζ渌闹悄艹潆姌恫粫杏绊懀梢越o用戶帶來更好的服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量。

3、通信延遲丟包問題處理

在智能充電樁的設(shè)計中，要考慮到通信延遲、丟包等問題，這些問題會導(dǎo)致智能充電樁中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整的情況，關(guān)鍵數(shù)據(jù)主要是指在智能充電樁中用戶的結(jié)算信息。在本項目中，初次測試的時候結(jié)算方式采用的是單獨推送的形式，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，一旦出現(xiàn)斷網(wǎng)的情況或者數(shù)據(jù)在傳輸過程中有不完整的情況，就會遺失所傳輸?shù)挠涗洠霈F(xiàn)無法扣費的現(xiàn)象。后期在測試的時候采用了多次傳輸同時增加充電前的網(wǎng)絡(luò)驗證，在測試中采用多次傳輸?shù)耐瑫r增加充電前的網(wǎng)絡(luò)驗證可以有效的避免通信延遲、丟包的問題，讓傳輸記錄保持完整，給用戶帶來更好的服務(wù)，讓智能充電樁的設(shè)計更加科學(xué)合理。

三、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁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)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。

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，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，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，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶管理：用戶注冊，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)存儲和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調(diào)度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進行登錄，防止未人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁

平臺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)、充電時長，累計的開戶數(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。

2.3實時監(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日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負荷限制、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)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、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，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l 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，會進入這個頁面，需要用戶登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

l 主功能頁

初次進入主功能頁時需要定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。

l 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進進行評價。

l 個人信息

個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、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、安科瑞限流式保護器的介紹與選型

1、限流式保護器的設(shè)計

電氣防火限流式保護器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的安全。

安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護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)的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時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)部的載流子運動實現(xiàn)，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。

如圖1所示，當發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時間關(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)在短路時所釋放的能量差別可以達到數(shù)千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時，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

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：

A）短路保護功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護；

B）過載保護功能，線路持續(xù)過載時，保護器限流保護；

C）表內(nèi)超溫保護功能，保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；

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

E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

G）通訊功能，保護器配置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，或第三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠程監(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

在選用限流式保護器時，限流式保護器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴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。

為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進行，同時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，再插入保護器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。

保護器內(nèi)部帶有交流電，嚴禁非專業(yè)人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態(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，長按保護器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復(fù)正常運行時。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е拢赏ㄟ^加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護器復(fù)位，恢復(fù)正常運行。

五、結(jié)束語

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

參考文獻

[1] 郝大慶.電動汽車智能充電樁的設(shè)計分析.

[2] 王旭,齊向東.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究[J]. 機電工程.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版

作者簡介：

吳柯霓，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用。