淺談新能源電動汽車充電樁的技術(shù)方案研究

安科瑞 陳聰

摘要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對環(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，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汽車充電系統(tǒng)設(shè)計方案，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、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，推動我國新能源汽車行業(yè)快速健康發(fā)展。

1電動汽車充電樁的總體方案設(shè)計

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交互操作界面刷卡進行相應(yīng)的充電操作和費用數(shù)據(jù)打印等。充電樁顯示屏能顯示充電量、費用以及充電時間等數(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。首先，通過交流輸入端口對車載電池進行充電；其次，經(jīng)過整流濾波后進入直流/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；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)動電機轉(zhuǎn)動發(fā)電機旋轉(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全橋主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和后級半橋子拓?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)管完成能量流動方向上的切換，從而達到調(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間內(nèi)將大量能量注入電池組，以達到快速充滿的目的；慢速充電則是指長時間緩慢充放電，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。

1.2充電樁的主要技術(shù)參數(shù)

在電動汽車充電樁設(shè)計中，主要的技術(shù)參數(shù)包括功率輸出、電壓等級、電流等級和插座類型等。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，電壓等級是一個重要指標(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電壓等級較為合適。此外，需要考慮電流等級，因為高流量充電會導(dǎo)致過熱等問題。一般來說，電流等級應(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)電動車型號使用。

充電樁采用先進的電力電子器件作為主要控制元件，對電池組進行恒流限壓浮充控制，并且可以自動識別電池類型，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，是一種性能優(yōu)良、適用廣泛的電動汽車充電設(shè)備。

1.3充電樁的總體設(shè)計方案

電動汽車充電樁主要由前級電路、功率因數(shù)校正電路和后級全橋逆變器組成。其中：前級電路采用三相不可控整流電路對電網(wǎng)進行高效轉(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)通與截止時間實現(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；后級全橋逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源供給電動汽車電池組充電。

前級電路。該部分包括三相不可控整流電路和濾波電容兩個重要部件。實際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同規(guī)格型號的電動汽車選擇相應(yīng)的元器件，以確保其性能穩(wěn)定可靠。同時，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，同時可以通過反饋控制算法進一步優(yōu)化功率因數(shù)，減少不必要的能源浪費。

后級全橋逆變器。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

新型電動汽車充電樁的工作流程主要包括6個環(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，需要進行用戶注冊和身份認(rèn)證，可以通過手機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)備需要與車輛進行連接，以實現(xiàn)對車輛的充電功能。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，充電樁會自動關(guān)閉電源開關(guān)，同時向車主收取相應(yīng)的費用。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，維護保養(yǎng)。為保證充電樁正常工作，需要定期對其進行維護保養(yǎng)。

整個充電過程無須人員干預(yù)，實現(xiàn)了無人化管理和智能控制。此外，充電樁具備過載保護、短路保護以及漏電保護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電動汽車充電樁的硬件設(shè)計及軟件設(shè)計

2.1充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動汽車充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要作用是將電源和負(fù)載連接起來，實現(xiàn)對車輛進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，基本原理是在多個電池組之間串接電容來形成一個電壓梯度，從而對車輛進行充電。并聯(lián)型則通過在多個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。實際應(yīng)用中，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對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)該控制在一個合理的范圍。

2.2充電樁的硬件設(shè)計

在進行充電樁硬件設(shè)計時，需要考慮其功能需求和性能指標(biāo)。設(shè)計采用一種基于單片機控制的直流變換器來實現(xiàn)對電池組的快速、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各個模塊的控制；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），以達到調(diào)節(jié)輸出電壓與電流的目的；電流檢測模塊用于實時監(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)的按鍵即可啟動充電流程。此時，主控模塊會自動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。電流檢測模塊也會同步開始工作，實時監(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，如某個模塊出現(xiàn)故障或者某條線路存在短路現(xiàn)象，將會立即切斷所有電源并發(fā)出警報提示。此外，配備有專門的保護電路，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)計的電動汽車充電樁具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、效率高等優(yōu)點，適用于各種場合下的電動車輛充電需求。

2.3充電樁的軟件設(shè)計

在對充電樁進行軟件設(shè)計時，為保證用戶信息不泄露，采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線通信方式實現(xiàn)與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限管理機制，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能夠及時切斷電源并報警提示。

主程序模塊負(fù)責(zé)整個充電過程中各個環(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、功率等各項指標(biāo)，判斷當(dāng)前充電進程是否正常。如果發(fā)現(xiàn)存在問題，則會立即采取措施予以解決。通信協(xié)議模塊用于實現(xiàn)CAN總線與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。由于不同型號的電動汽車使用的接口標(biāo)準(zhǔn)可能不一致，需要針對不同車輛開發(fā)特定的通信協(xié)議，以滿足實際需求。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對接收的各類傳感器數(shù)據(jù)進行濾波、去噪、修正等預(yù)處理操作，然后將處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機進行進一步分析和處理。人機交互界面模塊提供給用戶一個友好、直觀的操作界面，方便用戶進行各種參數(shù)配置和狀態(tài)查詢，同時支持手動控制和自動控制兩種模式，可根據(jù)用戶需求自由切換。

2.4電動汽車充電樁通信協(xié)議

為實現(xiàn)電動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，應(yīng)考慮實際應(yīng)用場景和需求進行選擇。文章選擇采用Wi-Fi作為電動汽車充電樁的通信協(xié)議。Wi-Fi通信協(xié)議的特點是支持高速數(shù)據(jù)傳輸，同時具備較強的安全性能。在電動汽車充電樁的應(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安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預(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。

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)，并進行電能計量和保護。

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)器部署實時數(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平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、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實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(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

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、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)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。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)計分析

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

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。3.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

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，能夠滿足用戶快速便捷地完成充電過程的需求。設(shè)計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，可為今后電動汽車充電設(shè)備的研發(fā)提供參考。

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