淺談新能源電動(dòng)汽車充電樁的技術(shù)方案研究

安科瑞 陳聰

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)保、節(jié)能等問題越來越關(guān)注。新能源汽車作為一種新興產(chǎn)業(yè)，具有*排放、低噪聲、高效率以及便捷性等優(yōu)點(diǎn)，但在其推廣過程中面臨一些困難，其中之一就是配套設(shè)施建設(shè)滯后帶來的不便。提出一種基于直流變換器的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在解決現(xiàn)有充電設(shè)備存在的諸多不足。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁；電路

0引言

傳統(tǒng)的交流充電方式存在體積大、效率低、安全隱患多等缺陷，因此開發(fā)一套先進(jìn)、可靠且適用范圍廣的充電系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。文章旨在深入探究新能源汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，力求探索出行之有效的解決方案，推動(dòng)我國新能源汽車行業(yè)快速健康發(fā)展。

1電動(dòng)汽車充電樁的總體方案設(shè)計(jì)

1.1充電樁的基本原理

充電樁的輸入端與交流電網(wǎng)直接連接，輸出端裝有充電插頭為電動(dòng)汽車充電。人們可以使用特定的充電卡在充電樁提供的人機(jī)交互操作界面刷卡進(jìn)行相應(yīng)的充電操作和費(fèi)用數(shù)據(jù)打印等。充電樁顯示屏能顯示充電量、費(fèi)用以及充電時(shí)間等數(shù)據(jù)。

充電樁是一種將電能轉(zhuǎn)換為其他形式或直接存儲(chǔ)在電網(wǎng)中供用戶使用的設(shè)備。它由電源、控制電路和相應(yīng)的電子元器件組成，具有安全可靠、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。首先，通過交流輸入端口對(duì)車載電池進(jìn)行充電；其次，經(jīng)過整流濾波后進(jìn)入直流/交流逆變環(huán)節(jié)，再經(jīng)過開關(guān)管變換器得到高頻交流信號(hào)；再次，高壓線圈產(chǎn)生磁場，從而使磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；最后，通過低壓輸出端連接到車輛上的電纜接頭完成充電工作。充電模塊主要包括前級(jí)全橋主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和后級(jí)半橋子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2種類型。前者采用高頻變壓器隔離輸入端與輸出端，實(shí)現(xiàn)高精度的電壓電流轉(zhuǎn)換功能；后者利用功率開關(guān)管完成能量流動(dòng)方向上的切換，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

充電樁的工作方式可以分為快速充電和慢速充電?？焖俪潆娛侵冈诙虝r(shí)間內(nèi)將大量能量注入電池組，以達(dá)到快速充滿的目的；慢速充電則是指長時(shí)間緩慢充放電，以保證電池壽命并避免過快充放電引起的損壞。此外，充電樁可以根據(jù)不同的車型和需求選擇不同的充電速度和功率等級(jí)。

1.2充電樁的主要技術(shù)參數(shù)

在電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)中，主要的技術(shù)參數(shù)包括功率輸出、電壓等級(jí)、電流等級(jí)和插座類型等。其中，功率輸出是影響充電速度的重要因素，通常以千瓦為單位。目前，市場上常見的電力規(guī)格有220V/30A、380V/60A、480V/120A等。不同規(guī)格適用于不同的車型及充電需求。另外，電壓等級(jí)是一個(gè)重要指標(biāo)，決定了充電效率和安全性。一般而言，低壓直流電能傳輸比高壓直流電能傳輸更加安全可靠，因此采用240V/100A或480V/80A電壓等級(jí)較為合適。此外，需要考慮電流等級(jí)，因?yàn)楦吡髁砍潆姇?huì)導(dǎo)致過熱等問題。一般來說，電流等級(jí)應(yīng)與電源容量相匹配。插座類型的選取也非常重要。常用的插頭種類有3種，分別為中國標(biāo)準(zhǔn)雙針插孔、歐洲標(biāo)準(zhǔn)三針插孔以及美國標(biāo)準(zhǔn)四針插孔。其中，中國標(biāo)準(zhǔn)雙針插孔插口使用*廣泛，適合于大多數(shù)電動(dòng)車型號(hào)使用。

充電樁采用先進(jìn)的電力電子器件作為主要控制元件，對(duì)電池組進(jìn)行恒流限壓浮充控制，并且可以自動(dòng)識(shí)別電池類型，提供相應(yīng)的充電服務(wù)。該充電樁不僅結(jié)構(gòu)緊湊合理、可靠性高、使用壽命長，而且具有智能化程度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良、適用廣泛的電動(dòng)汽車充電設(shè)備。

1.3充電樁的總體設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)汽車充電樁主要由前級(jí)電路、功率因數(shù)校正電路和后級(jí)全橋逆變器組成。其中：前級(jí)電路采用三相不可控整流電路對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換；功率因數(shù)校正電路通過控制絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）導(dǎo)通與截止時(shí)間實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流波形質(zhì)量的調(diào)節(jié)，提高輸入交流電源的電能利用效率，并消除諧波污染；后級(jí)全橋逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源供給電動(dòng)汽車電池組充電。

前級(jí)電路。該部分包括三相不可控整流電路和濾波電容兩個(gè)重要部件。實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同規(guī)格型號(hào)的電動(dòng)汽車選擇相應(yīng)的元器件，以確保其性能穩(wěn)定可靠。同時(shí)，需合理選取濾波電容，以有效濾除輸入端的干擾噪聲和防止浪涌電流對(duì)設(shè)備造成損害。此外，通過加入適當(dāng)?shù)臑V波電路，解決電動(dòng)汽車充電過程中產(chǎn)生的大量諧波問題。

功率因數(shù)校正電路。該部分是保證輸出電壓電流波形質(zhì)量的核心。通常情況下，采用功率因數(shù)校正（PowerFactorCorrection，PFC）變換器作為主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過改變IGBT的導(dǎo)通與截止時(shí)間來調(diào)整輸出電壓電流波形，使得其總諧波畸變率盡可能小，同時(shí)可以通過反饋控制算法進(jìn)一步優(yōu)化功率因數(shù)，減少不必要的能源浪費(fèi)。

后級(jí)全橋逆變器。該部分負(fù)責(zé)將直流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源，供給電動(dòng)汽車電池組充電。一般情況下，采用雙極性倍頻正弦脈寬調(diào)制（SinusoidalPulse-WidthModulation，SPWM）能夠獲得更好的正弦波輸出效果。另外，需注意控制IGBT模塊的導(dǎo)通與截止時(shí)間，避免出現(xiàn)過流或過熱現(xiàn)象而影響設(shè)備的使用壽命。

1.4充電樁的工作流程

新型電動(dòng)汽車充電樁的工作流程主要包括6個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。第一，用戶注冊和認(rèn)證。在使用充電樁前，需要進(jìn)行用戶注冊和身份認(rèn)證，可以通過手機(jī)App或現(xiàn)場人員人工操作完成，確保只有合法的用戶使用充電樁。第二，充電樁設(shè)備連接。充電樁設(shè)備需要與車輛進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的充電功能。第三，充電樁控制系統(tǒng)監(jiān)控。充電樁控制系統(tǒng)的主要作用是監(jiān)測電池狀態(tài)、溫度、電壓等，并及時(shí)反饋給操作員。第四，充電結(jié)束及結(jié)算。當(dāng)車輛充電完畢后，充電樁會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電源開關(guān)，同時(shí)向車主收取相應(yīng)的費(fèi)用。第五，故障處理。如果充電樁出現(xiàn)故障或者異常情況，需要采取措施解決問題。第六，維護(hù)保養(yǎng)。為保證充電樁正常工作，需要定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

整個(gè)充電過程無須人員干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了無人化管理和智能控制。此外，充電樁具備過載保護(hù)、短路保護(hù)以及漏電保護(hù)等多重安全保障措施，確保設(shè)備使用的可靠性與安全性。

2電動(dòng)汽車充電樁的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)

2.1充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要作用是將電源和負(fù)載連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛進(jìn)行充電或供電的功能。目前，市場上常見的充電樁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型3種。其中，串聯(lián)型是*常用的一種，基本原理是在多個(gè)電池組之間串接電容來形成一個(gè)電壓梯度，從而對(duì)車輛進(jìn)行充電。并聯(lián)型則通過在多個(gè)電池組之間的連接來提高電流輸出能力，適用于需要快速充放電的情況?；旌闲褪菍烧呓Y(jié)合，既可以增加電流輸出能力，又可以減少電壓梯度的大小。實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于充電樁性能的影響很大。除了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇外，充電樁需要考慮功率密度問題。由于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到限制，充電樁的輸入功率不能超過系統(tǒng)容量的最大值。為了保證充電效率和安全性，充電樁的輸出功率也應(yīng)該控制在一個(gè)合理的范圍。

2.2充電樁的硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行充電樁硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮其功能需求和性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)采用一種基于單片機(jī)控制的直流變換器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的快速、高效充放電。該系統(tǒng)主要由主控模塊、功率開關(guān)管模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊以及輔助電源等組成，如圖2所示。其中：主控模塊是整個(gè)充電樁的核心部分，負(fù)責(zé)接收來自用戶端發(fā)送的指令，并通過程序算法完成對(duì)各個(gè)模塊的控制；功率開關(guān)管模塊用于控制電路中的高壓元器件如IGBT或金氧半場效晶體管（Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET），以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓與電流的目的；電流檢測模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入交流電網(wǎng)的電流大小，從而保證設(shè)備安全運(yùn)行；電壓檢測模塊用于監(jiān)測充電樁內(nèi)部各支路的電壓情況，確保設(shè)備能夠正常工作；輔助電源為整個(gè)充電樁提供所需的電能。

圖2充電樁的硬件系統(tǒng)

當(dāng)用戶將車輛連接充電樁后，操作人員只需按下相應(yīng)的按鍵即可啟動(dòng)充電流程。此時(shí)，主控模塊會(huì)自動(dòng)搜索附近可用的插座并選擇最佳的接入方式。功率開關(guān)管模塊開始工作，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載使用。電流檢測模塊也會(huì)同步開始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測充電過程中產(chǎn)生的電流變化情況。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，如某個(gè)模塊出現(xiàn)故障或者某條線路存在短路現(xiàn)象，將會(huì)立即切斷所有電源并發(fā)出警報(bào)提示。此外，配備有專門的保護(hù)電路，可以有效避免過壓、欠壓、過流等問題導(dǎo)致設(shè)備損壞。

本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車充電樁具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種場合下的電動(dòng)車輛充電需求。

2.3充電樁的軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)充電樁進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為保證用戶信息不泄露，采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線通信方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限管理機(jī)制，確保只有授權(quán)人員才能夠訪問相關(guān)的參數(shù)和文件。此外，需加入異常處理功能，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障或其他異常情況時(shí)能夠及時(shí)切斷電源并報(bào)警提示。

主程序模塊負(fù)責(zé)整個(gè)充電過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的控制、調(diào)度以及狀態(tài)監(jiān)測等工作。通過不斷檢測電池電壓、電流、功率等各項(xiàng)指標(biāo)，判斷當(dāng)前充電進(jìn)程是否正常。如果發(fā)現(xiàn)存在問題，則會(huì)立即采取措施予以解決。通信協(xié)議模塊用于實(shí)現(xiàn)CAN總線與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。由于不同型號(hào)的電動(dòng)汽車使用的接口標(biāo)準(zhǔn)可能不一致，需要針對(duì)不同車輛開發(fā)特定的通信協(xié)議，以滿足實(shí)際需求。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收的各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、去噪、修正等預(yù)處理操作，然后將處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。人機(jī)交互界面模塊提供給用戶一個(gè)友好、直觀的操作界面，方便用戶進(jìn)行各種參數(shù)配置和狀態(tài)查詢，同時(shí)支持手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，可根據(jù)用戶需求自由切換。

2.4電動(dòng)汽車充電樁通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車與充電站之間的通信和控制，需要采用一種高效且可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式。目前，市場上常用的通信協(xié)議有ZigBee和Wi-Fi。ZigBee是一種低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于小型設(shè)備間的短距離通信；Wi-Fi則是基于IEEE802.1x標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)，具有更高的數(shù)據(jù)速率和更遠(yuǎn)的覆蓋范圍。2種協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)用場景和需求進(jìn)行選擇。文章選擇采用Wi-Fi作為電動(dòng)汽車充電樁的通信協(xié)議。Wi-Fi通信協(xié)議的特點(diǎn)是支持高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)具備較強(qiáng)的安全性能。在電動(dòng)汽車充電樁的應(yīng)用中，它可以提供更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更加安全的信息交換環(huán)境。此外，Wi-Fi具有良好的兼容性，可以在不同品牌的車輛上使用。因此，Wi-Fi為電動(dòng)汽車充電樁的通信協(xié)議提供了更好的解決方案。

3安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(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)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)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(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)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。

3.2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(shí)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(jì)。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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)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(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

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)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(shí)時(shí)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)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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。

3.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)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。

3.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)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。

3.4.4故障管理

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

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

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

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營商戶，運(yùn)營商可建立和管理其運(yùn)營所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。3.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8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。

3.5系統(tǒng)硬件配置

4結(jié)論

主要分析現(xiàn)有的電動(dòng)汽車充電設(shè)施，并提出一種基于直流變換器和電池管理系統(tǒng)相結(jié)合的充電方式。該充電方式具有高效、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足用戶快速便捷地完成充電過程的需求。設(shè)計(jì)中還考慮了未來新能源汽車市場發(fā)展趨勢及相關(guān)政策要求，可為今后電動(dòng)汽車充電設(shè)備的研發(fā)提供參考。

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