淺談電動汽車智能充電樁的設計分析

摘要：目前環境問題日益嚴(yan) 重，資源也嚴(yan) 重短缺，節能減排的實行至關(guan) 重要。電動汽車的使用在很大程度上減少了廢氣的排放，節約了能源。電動汽車發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(wei) 例，對充電樁的連接方式、接口設計、通信延遲丟(diu) 包等問題進行分析，探索電動汽車智能充電樁的設計，更好的為(wei) 電動汽車提供電力，對環境起到更好的保護作用。

關(guan) 鍵詞：電動汽車；智能充電樁；設計分析

引言

隨著環境問題的日益嚴(yan) 峻和能源的匱乏，節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(wei) 了更好的保證電動汽車的充電，智能充電樁的設計至關(guan) 重要。隨著電動汽車越來越廣泛的應用，市場對智能充電樁的要求也相對更高，與(yu) 傳(chuan) 統的充電樁相比，智能充電樁在節能方麵做的更好，減少了能源的消耗，更好的實現了節能減排的目的。

一、智能充電樁設計要求

1、智能充電樁的設計原則

1.1安全性

安全在任何時候都是排在前麵，在設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(yu) 效率高性

智能充電樁一定具備的一個(ge) 性能就是智能，在設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，在設計智能充電樁的時候一定要考慮到效率高性，在設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

智能充電樁的設計中成本問題是一個(ge) 重要問題，在設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，實現低成本效率高果的目標。

2、智能充電樁的硬件係統要求

對於(yu) 智能充電樁來說，它的工作環境比較惡劣，我國的南北溫差比較大，自然環境也比較複雜，再加上智能充電樁的工作環境中還有強電磁，這些都讓智能充電樁的設計有很大的難度。在設計智能充電樁的時候，要考慮到以下兩(liang) 點：(1)要綜合考慮內(nei) 外部的結構，適應各種天氣，在設計智能充電樁的時候，要注意充電樁的外部結構是否封閉，以防雨水、血水等進入到樁內(nei) ，造成智能充電樁出現係統故障等，內(nei) 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(wei) 散熱不好而出現故障，智能充電樁的硬件係統還需要適應各類的氣候環境，保證智能充電樁在不同的環境中都可以正常運行。(2)提高智能充電樁的抗電磁幹擾能力，在智能充電樁工作的環境中有很多的電磁幹擾，對於(yu) 電磁幹擾主要就是各種電磁感應對信號傳(chuan) 輸造成擾亂(luan) 的情況。

3、智能充電樁的軟件係統功能目標

對於(yu) 智能充電樁的軟件係統的功能目標，主要如下：(1)操作界麵一定要簡單清晰，並且具有人性化。(2)充電管理一定要安全可靠。(3)具備多種服務模式，可以計時、計金額來進行充電。(4)計費管理和用電統計一定要準確。(5)通訊接口要豐(feng) 富。第六，消費憑證的打印要標準。

從(cong) 以上這些智能充電樁的軟件係統功能目標可以看出來，智能充電樁終端控製器要具備效率高的數據采集、數據傳(chuan) 輸以及數據處理能力。為(wei) 了給客戶帶來更加方便快捷的服務，需要實現傳(chuan) 輸速度快、模塊穩定、讀卡的敏捷度高等功能，實現充電的時候按時間、按金額、按電度，刷卡，扣費更加準確，數據傳(chuan) 輸更加快速 。

二、電動汽車智能充電樁的設計應用分析

根據市場與(yu) 公司運營需要，我司需設計一款能夠在滿足電動汽車交流充電樁標準的前提下，具備聯網控製、在線計費、在線監控的產(chan) 品。筆者作為(wei) 項目的研發經理，主要負責項目的硬件電氣部分設計、嵌入硬件部分設計、嵌入式軟件部分設計。

1、連接方式

在智能充電樁設計中，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。對於(yu) 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。對於(yu) 充電樁標配充電槍座來說，需要設計防雨部分，而且還要犧牲一部分的用戶體(ti) 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、接口設計

在智能充電樁設計中，因為(wei) 是初次使用互聯網通信，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"集中，然後通過寬帶接入 GPRS 通信或者互聯網，在選擇接口的時候要綜合考慮。有線方式“以太網"集中寬帶高、穩定性好、延遲低，但是所涉及的路由器、寬帶貓、交換機中的任何一個(ge) 環節出現問題都會(hui) 讓整個(ge) 集中區域內(nei) 的網絡都癱瘓。對於(yu) GPRS 通信來說，它的寬帶較低、穩定性較低、延遲比較高，但是它的每一台都是獨立的，即便其中的某一台出現故障的時候，對其他的設備不會(hui) 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、穩定性、延遲方麵略有不足，但是 GPRS 通信可以讓每一台智能充電樁都獨立起來，其中某一台智能充電樁出現問題的時候對其他的智能充電樁不會(hui) 有影響，可以給用戶帶來更好的服務，保證服務質量。

3、通信延遲丟(diu) 包問題處理

在智能充電樁的設計中，要考慮到通信延遲、丟(diu) 包等問題，這些問題會(hui) 導致智能充電樁中的關(guan) 鍵數據出現不完整的情況，關(guan) 鍵數據主要是指在智能充電樁中用戶的結算信息。在本項目中，初次測試的時候結算方式采用的是單獨推送的形式，在測試過程中發現，一旦出現斷網的情況或者數據在傳(chuan) 輸過程中有不完整的情況，就會(hui) 遺失所傳(chuan) 輸的記錄，出現無法扣費的現象。後期在測試的時候采用了多次傳(chuan) 輸同時增加充電前的網絡驗證，在測試中采用多次傳(chuan) 輸的同時增加充電前的網絡驗證可以有效的避免通信延遲、丟(diu) 包的問題，讓傳(chuan) 輸記錄保持完整，給用戶帶來更好的服務，讓智能充電樁的設計更加科學合理。

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預警；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。

l 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

l 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：

l 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。

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) 。

l 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(yu) 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，保護器告警或限流保護（可設）；

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

F）漏電流監測功能，線路漏電超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（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

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

參考文獻

[1] 郝大慶.電動汽車智能充電樁的設計分析.

[2] 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.

[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