淺析智能電動汽車充電樁的設計與應用分析

侯文莉

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801 摘要：智能電動汽車的誕生，在很大程度上緩解了我國環境由於(yu) 汽油型汽車的大量使用所不得不承擔的空氣汙染、能源耗竭的問題。而推動電動車運行的內(nei) 在動力，來自於(yu) 其智能充電樁。因此，本文就這一智能電動車重的要部位——充電樁的設計要點及其在現實當中的應用進行深入探討，希望能夠以此來推進我國智能電動汽車行業(ye) 的進步。關(guan) 鍵詞：智能電動汽車；充電樁；設計；應用；節能環保  

一、淺析智能充電樁的使用意義

        智能化的電動汽車之所以能夠在這個(ge) 時代受到普遍化的歡迎，一方麵是因為(wei) 人們(men) 對於(yu) 汽車環保性能的重視程度的逐步提高，另一方麵，也是因為(wei) 這種類型的汽車本身在使用過程當中所製造出來的噪音較小，同時其相比於(yu) 傳(chuan) 統的汽車，幾乎不會(hui) 產(chan) 生任何的尾氣。

二、淺析智能電動汽車充電樁的整體設計

1、淺析充電樁的設計原則

（1）安全性的原則

        智能充電樁的設計，有一個(ge) 不容忽視的原則——安全性原則。汽車的使用包含了許多潛在的不安全因素，尤其是對於(yu) 配置了充電樁的智能電動汽車而言，不管是充電過程的安全性還是用電過程的安全性，都是需要進行把控的、不容小覷的重要內(nei) 容。因此，充電樁的設計人員需要首先將汽車使用人員的安全置於(yu) 其設計該充電樁時參考要素當中的重要位置。

（2）便捷性原則

        智能充電樁顧名思義(yi) ，其智能化是重要的使用優(you) 勢。相應的，在智能化的操控下，其使用過程的便利性程度也會(hui) 獲得相應的提高。如此一來，就能為(wei) 其使用者提供許多操作上的便利，使其傾(qing) 向於(yu) 使用智能電動汽車。

（3）效率高的原則

        智能充電樁需要在其充電效率方麵形成優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統汽車的優(you) 勢，如此一來才能夠吸引更多的消費者選擇這一類型的汽車作為(wei) 代步工具。

2、硬件係統設計分析

        在我國進行設計以及投入使用的智能電動汽車，需要立足於(yu) 我國的氣候條件和環境基礎，才能夠設計出較能夠滿足我國消費者使用需求的汽車[2]。因此，設計員在對其硬件係統進行設計的時候，就需要考慮我國南北不同地區的使用者所在的環境之間存在的較大的溫度差異。除此之外，還需要考慮這一充電樁的工作環境，往往是在電磁強度較高的背景下。因此，其硬件條件需要能夠適應於(yu) 周圍宏觀環境及微觀環境的需求。以下將詳細闡述其硬件係統的設計方法。

圖1智能充電樁的硬件組成圖

        智能充電樁的硬件係統結構如圖1所呈現的，其中較為(wei) 重要的部分，分別是“三大單元"——其一是總控單元，其二是顯示單元，其三是監控單元。總控單元作為(wei) 整個(ge) 係統得以運行的核心技術支持，其所負責的內(nei) 容可以分為(wei) 四大部分，按照充電過程的順序，可以分為(wei) 啟動控製、運行控製、關(guan) 閉控製以及在其過程當中的穿插的監控部分。除了以上功能之外，這一總控單元還需要負責隨時隨地地向其後台傳(chuan) 輸相應的數據。而其顯示單元這一部位，同樣由四個(ge) 部分構成，顯示部分一般來說，采用的都是ＬＣＤ型號的顯示器，其擁有較為(wei) 清晰的顯示功能，在和觸摸屏相互結合之後，可以將其中的具體(ti) 操作途徑直觀地呈現在用戶的麵前，以供其進行選擇。其次是指示燈，其存在的主要作用，是為(wei) 了提示用戶，充電樁處於(yu) 何種狀態當中。當指示燈轉變為(wei) 綠色的時候，說明其已完成自身的充電過程。較後，監控單元所承擔的較主要責任，是保障這一充電過程的安全性。其工作流程如下：當模擬量數據得到采集之後，這一單元就會(hui) 以較快的速度，將其傳(chuan) 輸給接下來的開關(guan) 量單元，這一單元在對用戶的充電量需求的大小進行判斷之後，就會(hui) 為(wei) 用戶提供充電服務。由於(yu) 以上單元的運行始終處於(yu) 智能環境當中，因此其異常情況往往可以在出現的時候就得到處理，這就在很大程度上保障了其自身的安全度。

3、軟件係統的設計目標

        軟件係統設計的科學度，同樣是會(hui) 對整個(ge) 智能電動汽車的運行產(chan) 生影響的重要方麵。而根據經驗與(yu) 理論的啟示，我們(men) 認為(wei) 充電樁的軟件係統設計，需要滿足以下的目標。首先，為(wei) 了體(ti) 現其智能化的優(you) 勢，需要將其操作頁麵設計得更為(wei) 簡潔清晰，讓車主一眼就能夠了解其操作原理，從(cong) 而杜絕由於(yu) 車主的不當操作所引起的安全事故的發生。其次，其對於(yu) 充電過程的管理能力需要獲得不斷的提升，使其安全度得以獲得有力的保障[3]。再者，在其中引入能夠較大地便利於(yu) 車主的計時服務、計電服務等等，幫助其明確自身的用電量。除此之外，這一軟件係統，還需要能夠為(wei) 車主提供相應的消費憑證打印服務，借助這一標準化的服務，車主能夠在更高的程度上，對這一類型的汽車產(chan) 生由衷的認可。

        除了以上的總體(ti) 設計方式之外，在正式將這一充電樁投入使用之前，還需要對其進行相應的應用測試[2]。測試內(nei) 容一般包括如下幾個(ge) 部分，其一是性能測試，也就是在其投入使用之前，為(wei) 其充電狀況進行測試，包括餘(yu) 額的顯示情況和充電速度等等。其二是承壓性測試，其主要內(nei) 容是測試這一智能充電樁充滿電之後，在壓力較大的情況下，是否能夠具備相應的安全水平。

三、安科瑞充電樁運營管理平台

1、係統架構

        安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營雲(yun) 平台係統通過物聯網技術對接入係統的充電樁站點和各個(ge) 充電樁進行不間斷地數據采集和監控，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、絕緣檢測故障等一係列故障進行；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付後，係統發起充電請求，控製二維碼對應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模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基於(yu) TCP/IP的數據交互協議，與(yu) 雲(yun) 端進行直連。雲(yun) 平台包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體(ti) 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，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。

交易結算：充電價(jia) 格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關(guan) 報表

用戶管理：用戶注冊(ce) ，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數據服務：數據采集，短信提醒，數據存儲(chu) 和解析

變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個(ge) 充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時係統自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，係統會(hui) 限製新增開始充電的充電樁的功率，降為(wei) 百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，係統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為(wei) 止。

2、平台功能

2.1平台登錄

在瀏覽器打開雲(yun) 平台鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關(guan) 信息。

2.2平台首頁

        平台首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實時監控

l充電站監控

充電站監控頁麵監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長，進行負荷限製、故障查詢。

• 充電槍監控

充電樁監控頁麵充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

• 搜索與(yu) 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，點擊後可以加入到小程序列表，如下圖所示

l授權登錄界麵

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會(hui) 進入這個(ge) 頁麵，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁麵，如圖所示：

• 主功能頁

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

• 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麵，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶餘(yu) 額，電價(jia) 和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶的曆史充電記錄。充電方式分為(wei) 按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價(jia) 。

• 個(ge) 人信息

個(ge) 人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和餘(yu) 額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平台服務器：建議按照我方推薦配置購買(mai) ，或者客戶自己租用阿裏雲(yun) 資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿裏雲(yun) 可忽略）

若客戶自己租用阿裏雲(yun) 服務器，服務器配置根據充電槍點數的不同，分別如下：

3.2現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、限流式保護器的設計

        電氣防火限流式保護器可有效克服傳(chuan) 統斷路器、空氣開關(guan) 和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(chan) 生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發生短路故障時，能以微秒級速度快速限製短路電流以實現滅弧保護，從(cong) 而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產(chan) 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開關(guan) ，不同於(yu) 傳(chuan) 統家用的空氣開關(guan) （微斷）。我們(men) 知道，傳(chuan) 統空氣開關(guan) 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(chan) 生。而固態開關(guan) 的斷開則是依靠半導體(ti) 內(nei) 部的載流子運動實現，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產(chan) 生。

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

圖1短路故障前後電流與(yu) 時間關(guan) 係圖

從(cong) 流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳(chuan) 統空氣開關(guan) 與(yu) 固態開關(guan) 在短路時所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發生短路故障時，就可以避免電弧的產(chan) 生，從(cong) 而有效降低了電氣火災。

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(wei) 63A。主要功能如下：

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

B）過載保護功能，線路持續過載時，保護器限流保護；

C）表內(nei) 超溫保護功能，保護器內(nei) 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，保護器或限流保護（可設）；

E）電纜溫度監測功能，被測線纜溫度超過設定值時，保護器或限流保護（可設）；

F）漏電流監測功能，線路漏電超過設定值時，保護器或限流保護（可設）；

G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到安科瑞Acrel-6000安全雲(yun) 平台，或第三方監控軟件或平台，從(cong) 而實現遠程監控。

3、ASCP200-1技術參數

4、應用方案圖示

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關(guan) 下端，額定電流值根據入戶開關(guan) 的具體(ti) 規格進行設置，典型應用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決(jue) 方案安裝示意圖

5、使用注意事項

        在選用限流式保護器時，限流式保護器的設定的額定電流應該與(yu) 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(wei) 32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為(wei) 32A。為(wei) 保障限流式保護器的正常使用，嚴(yan) 禁將其使用於(yu) 與(yu) 其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。

        ASCP200係列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛牆安裝，也可以安裝在箱體(ti) 內(nei) ，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體(ti) 和沉澱物質，並注意環境溫度和通風散熱。

        為(wei) 確保可靠連接，接線時應按接線圖進行，同時為(wei) 了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接後，再插入保護器相應端子上並將螺釘擰緊壓實。

        保護器內(nei) 部帶有交流電，嚴(yan) 禁非專(zhuan) 業(ye) 人士擅自打開產(chan) 品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處於(yu) 帶電狀態，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，並排除故障後，長按保護器的複位按鍵約2秒鍾，使保護器恢複正常運行時。

        當保護器因超溫而發生限流保護時，則可能是因為(wei) 負載電流過大，環境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來後，再長按複位鍵，使保護器複位，恢複正常運行。

五、結束語

經過本文詳盡的探討，我們(men) 可以得知，在這一智能充電汽車普及的過程當中，其充電樁作為(wei) 支撐其發展的重要部位，其設計的有效性將會(hui) 直接對其應用水平產(chan) 生不容小覷的影響，並間接影響消費者的使用體(ti) 驗，影響這一類型汽車的市場銷量。因此，需要參考上述設計思路，從(cong) 其設計原則出發，考慮其硬軟件設計過程所需要麵對的難題和達到的設計目標，以此來設計出更符合市場需求的智能充電樁產(chan) 品。

參考文獻

[1]王旭,齊向東(dong) .電動汽車智能充電樁的設計與(yu) 研究[J].機電工程,2014(3)

[2]任桂平.智能電動汽車充電樁的設計與(yu) 應用分析

[3]安科瑞企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.06版

作者簡介：侯文莉，女，現任於(yu) 安科瑞電氣股份有限公司，主要從(cong) 事電瓶車充電樁的研發和應用