淺談電動汽車智能充電樁的設計方案

劉丹

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。

關鍵詞：電動汽車；智能充電樁；設計分析

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，智能充電樁的設計至關重要。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面，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便捷性與效率高性

智能充電樁一定具備的一個性能就是智能，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(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，要考慮到以下兩點：(1)要綜合考慮內外部的結構，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，造成智能充電樁出現(xiàn)系統(tǒng)故障等，內部的空氣流動也要良好，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力，在智能充電樁工作的環(huán)境中有很多的電磁，對于電磁主要就是各種電磁感應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，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計應用分析

根據(jù)市場與公司運營需要，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(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、接口設計

在智能充電樁設計中，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)域內的網(wǎng)絡都癱瘓。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)問題的時候對其他的智能充電樁不會有影響，可以給用戶帶來更好的服務，保證服務質量。

3、通信延遲丟包問題處理

在智能充電樁的設計中，要考慮到通信延遲、丟包等問題，這些問題會導致智能充電樁中的關鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整的情況，關鍵數(shù)據(jù)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(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)絡驗證可以的避免通信延遲、丟包的問題，讓傳輸記錄保持完整，給用戶帶來更好的服務，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臺

1、系統(tǒng)架構

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)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，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。

交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表

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：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(shù)據(jù)服務：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、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

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，以及相應的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、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 授權登錄界面

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，需要用戶授權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授權定位才可以使用地圖相關功能，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、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務器：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器，服務器配置根據(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、限流式保護器的設計

電氣防火限流式保護器可克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關和監(jiān)控設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，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關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)開關的斷開則是依靠半導體內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)空氣開關與固態(tài)開關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）表內超溫保護功能，保護器內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(jiān)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(jiān)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(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技術參數(shù)

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下端，額定電流值根據(jù)入戶開關的具體規(guī)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，應將限流式保護器的額定電流設置為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，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環(huán)境溫度和通風散熱。

為確?？煽窟B接，接線時應按接線圖進行，同時為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形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實。

保護器內部帶有交流電，嚴禁非人士擅自打開產(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，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。

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后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

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于客戶。

 

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.電動汽車智能充電樁的設計與研究[J]. 機電工程.

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