淺析智能電動(dòng)汽車(chē) 充電樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 摘要：智能電動(dòng)汽車(chē)的誕生，在很大程度上緩解了我國(guó)環(huán)境由于汽油型汽車(chē)的大量使用所不得不承擔(dān)的空氣污染、能源耗竭的問(wèn)題。而推動(dòng)電動(dòng)車(chē)運(yùn)行的內(nèi)在動(dòng)力，來(lái)自于其智能充電樁。因此，本文就這一智能電動(dòng)車(chē)重的要部位——充電樁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討，希望能夠以此來(lái)推進(jìn)我國(guó)智能電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：智能電動(dòng)汽車(chē)；充電樁；設(shè)計(jì)；應(yīng)用；節(jié)能環(huán)保

一、淺析智能充電樁的使用意義

智能化的電動(dòng)汽車(chē)之所以能夠在這個(gè)時(shí)代受到普遍化的歡迎，一方面是因?yàn)槿藗儗?duì)于汽車(chē)環(huán)保性能的重視程度的逐步提高，另一方面，也是因?yàn)檫@種類(lèi)型的汽車(chē)本身在使用過(guò)程當(dāng)中所制造出來(lái)的噪音較小，同時(shí)其相比于傳統(tǒng)的汽車(chē)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何的尾氣。

二、淺析智能電動(dòng)汽車(chē)充電樁的整體設(shè)計(jì)

1、淺析充電樁的設(shè)計(jì)原則

（1）安全性的原則

智能充電樁的設(shè)計(jì)，有一個(gè)不容忽視的原則——安全性原則。汽車(chē)的使用包含了許多潛在的不安全因素，尤其是對(duì)于配置了充電樁的智能電動(dòng)汽車(chē)而言，不管是充電過(guò)程的安全性還是用電過(guò)程的安全性，都是需要進(jìn)行把控的、不容小覷的重要內(nèi)容。因此，充電樁的設(shè)計(jì)人員需要首先將汽車(chē)使用人員的安全置于其設(shè)計(jì)該充電樁時(shí)參考要素當(dāng)中的重要位置。

（2）便捷性原則

智能充電樁顧名思義，其智能化是重要的使用優(yōu)勢(shì)。相應(yīng)的，在智能化的操控下，其使用過(guò)程的便利性程度也會(huì)獲得相應(yīng)的提高。如此一來(lái)，就能為其使用者提供許多操作上的便利，使其傾向于使用智能電動(dòng)汽車(chē)。

（3）效率高的原則

智能充電樁需要在其充電效率方面形成優(yōu)于傳統(tǒng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)，如此一來(lái)才能夠吸引更多的消費(fèi)者選擇這一類(lèi)型的汽車(chē)作為代步工具。

2、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

在我國(guó)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及投入使用的智能電動(dòng)汽車(chē)，需要立足于我國(guó)的氣候條件和環(huán)境基礎(chǔ)，才能夠設(shè)計(jì)出較能夠滿(mǎn)足我國(guó)消費(fèi)者使用需求的汽車(chē)[2]。因此，設(shè)計(jì)員在對(duì)其硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，就需要考慮我國(guó)南北不同地區(qū)的使用者所在的環(huán)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(huán)境，往往是在電磁強(qiáng)度較高的背景下。因此，其硬件條件需要能夠適應(yīng)于周?chē)暧^(guān)環(huán)境及微觀(guān)環(huán)境的需求。以下將詳細(xì)闡述其硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

圖1智能充電樁的硬件組成圖

智能充電樁的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所呈現(xiàn)的，其中較為重要的部分，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(jiān)控單元?？偪貑卧鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)得以運(yùn)行的核心技術(shù)支持，其所負(fù)責(zé)的內(nèi)容可以分為四大部分，按照充電過(guò)程的順序，可以分為啟動(dòng)控制、運(yùn)行控制、關(guān)閉控制以及在其過(guò)程當(dāng)中的穿插的監(jiān)控部分。除了以上功能之外，這一總控單元還需要負(fù)責(zé)隨時(shí)隨地地向其后臺(tái)傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而其顯示單元這一部位，同樣由四個(gè)部分構(gòu)成，顯示部分一般來(lái)說(shuō)，采用的都是ＬＣＤ型號(hào)的顯示器，其擁有較為清晰的顯示功能，在和觸摸屏相互結(jié)合之后，可以將其中的具體操作途徑直觀(guān)地呈現(xiàn)在用戶(hù)的面前，以供其進(jìn)行選擇。其次是指示燈，其存在的主要作用，是為了提示用戶(hù)，充電樁處于何種狀態(tài)當(dāng)中。當(dāng)指示燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色的時(shí)候，說(shuō)明其已完成自身的充電過(guò)程。較后，監(jiān)控單元所承擔(dān)的較主要責(zé)任，是保障這一充電過(guò)程的安全性。其工作流程如下：當(dāng)模擬量數(shù)據(jù)得到采集之后，這一單元就會(huì)以較快的速度，將其傳輸給接下來(lái)的開(kāi)關(guān)量單元，這一單元在對(duì)用戶(hù)的充電量需求的大小進(jìn)行判斷之后，就會(huì)為用戶(hù)提供充電服務(wù)。由于以上單元的運(yùn)行始終處于智能環(huán)境當(dāng)中，因此其異常情況往往可以在出現(xiàn)的時(shí)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、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)度，同樣是會(huì)對(duì)整個(gè)智能電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行產(chǎn)生影響的重要方面。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與理論的啟示，我們認(rèn)為充電樁的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要滿(mǎn)足以下的目標(biāo)。首先，為了體現(xiàn)其智能化的優(yōu)勢(shì)，需要將其操作頁(yè)面設(shè)計(jì)得更為簡(jiǎn)潔清晰，讓車(chē)主一眼就能夠了解其操作原理，從而杜絕由于車(chē)主的不當(dāng)操作所引起的安全事故的發(fā)生。其次，其對(duì)于充電過(guò)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于車(chē)主的計(jì)時(shí)服務(wù)、計(jì)電服務(wù)等等，幫助其明確自身的用電量。除此之外，這一軟件系統(tǒng)，還需要能夠?yàn)檐?chē)主提供相應(yīng)的消費(fèi)憑證打印服務(wù)，借助這一標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，車(chē)主能夠在更高的程度上，對(duì)這一類(lèi)型的汽車(chē)產(chǎn)生由衷的認(rèn)可。

除了以上的總體設(shè)計(jì)方式之外，在正式將這一充電樁投入使用之前，還需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用測(cè)試[2]。測(cè)試內(nèi)容一般包括如下幾個(gè)部分，其一是性能測(cè)試，也就是在其投入使用之前，為其充電狀況進(jìn)行測(cè)試，包括余額的顯示情況和充電速度等等。其二是承壓性測(cè)試，其主要內(nèi)容是測(cè)試這一智能充電樁充滿(mǎn)電之后，在壓力較大的情況下，是否能夠具備相應(yīng)的安全水平。

三、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類(lèi)故障如充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求，控制二維碼對(duì)應(yīng)的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)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(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)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(hù)檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測(cè)，充電樁異常交易監(jiān)測(cè)。

交易結(jié)算：充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

用戶(hù)管理：用戶(hù)注冊(cè)，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)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(xiàn)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(chǔ)和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表，超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過(guò)百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)百分之八十時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

在瀏覽器打開(kāi)云平臺(tái)鏈接、輸入賬戶(hù)名和權(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺(tái)首頁(yè)

平臺(tái)首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，累計(jì)的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

l充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁(yè)面監(jiān)視用戶(hù)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(hù)擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢(xún)。

• 充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁(yè)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(shí)長(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

• 搜索與使用

微信小程序可以通過(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l授權(quán)登錄界面

用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶(hù)授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

• 主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。

• 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng)，以及當(dāng)前的賬戶(hù)余額，電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)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(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

• 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱(chēng)和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺(tái)服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購(gòu)買(mǎi)，或者客戶(hù)自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請(qǐng)阿里云可忽略）

若客戶(hù)自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同，分別如下：

3.2現(xiàn)場(chǎng)推薦硬件配置清單：

四、安科瑞限流式保護(hù)器的介紹與選型

1、限流式保護(hù)器的設(shè)計(jì)

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

安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護(hù)器的主要元件是固態(tài)開(kāi)關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，分?jǐn)鄷r(shí)間微秒級(jí)，速度快，無(wú)電弧產(chǎn)生。

如圖1所示，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)所釋放的能量差別可以達(dá)到數(shù)千倍之多。因此當(dāng)裝配限流式保護(hù)器的回路發(fā)生短路故障時(shí)，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而降低了電氣火災(zāi)。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

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

A）短路保護(hù)功能，線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù)；

B）過(guò)載保護(hù)功能，線(xiàn)路持續(xù)過(guò)載時(shí)，保護(hù)器限流保護(hù)；

C）表內(nèi)超溫保護(hù)功能，保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器限流保護(hù)；

D）過(guò)/欠壓保護(hù)功能，線(xiàn)路欠壓或過(guò)壓時(shí)，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

E）電纜溫度監(jiān)測(cè)功能，被測(cè)線(xiàn)纜溫度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測(cè)功能，線(xiàn)路漏電超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

G）通訊功能，保護(hù)器配置1路RS485接口，1路2G無(wú)線(xiàn)通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺(tái)，或第三方監(jiān)控軟件或平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(hù)器建議安裝在入戶(hù)開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶(hù)開(kāi)關(guān)的具體規(guī)格進(jìn)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(xiàng)

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

ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝，可以?huà)靿Π惭b，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場(chǎng)所無(wú)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?？煽窟B接，接線(xiàn)時(shí)應(yīng)按接線(xiàn)圖進(jìn)行，同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導(dǎo)致局部過(guò)熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常，線(xiàn)頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護(hù)器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實(shí)。

保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電，嚴(yán)禁非人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間，若被保護(hù)線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護(hù)時(shí)，保護(hù)器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線(xiàn)路的金屬部分。待檢查線(xiàn)路，并排除故障后，長(zhǎng)按保護(hù)器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護(hù)器恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)。

當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時(shí)，則可能是因?yàn)樨?fù)載電流過(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е?，可通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來(lái)后，再長(zhǎng)按復(fù)位鍵，使保護(hù)器復(fù)位，恢復(fù)正常運(yùn)行。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本文詳盡的探討，我們可以得知，在這一智能充電汽車(chē)普及的過(guò)程當(dāng)中，其充電樁作為支撐其發(fā)展的重要部位，其設(shè)計(jì)的性將會(huì)直接對(duì)其應(yīng)用水平產(chǎn)生不容小覷的影響，并間接影響消費(fèi)者的使用體驗(yàn)，影響這一類(lèi)型汽車(chē)的市場(chǎng)銷(xiāo)量。因此，需要參考上述設(shè)計(jì)思路，從其設(shè)計(jì)原則出發(fā)，考慮其硬軟件設(shè)計(jì)過(guò)程所需要面對(duì)的難題和達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以此來(lái)設(shè)計(jì)出更符合市場(chǎng)需求的智能充電樁產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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