淺談電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)分析

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：目前環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，資源也嚴(yán)重短缺，節(jié)能減排的實(shí)行至關(guān)重要。電動(dòng)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(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)源是電力，所以，電動(dòng)汽車的充電問(wèn)題是非常重要的。本文以運(yùn)營(yíng)型32KW交流充電樁項(xiàng)目為例，對(duì)充電樁的連接方式、接口設(shè)計(jì)、通信延遲丟包等問(wèn)題進(jìn)行分析，探索電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)，更好的為電動(dòng)汽車提供電力，對(duì)環(huán)境起到更好的保護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；智能充電樁；設(shè)計(jì)分析

引言

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻和能源的匱乏，節(jié)能減排的重要性也突顯出來(lái)。電動(dòng)汽車的推行在很大程度上可以保護(hù)環(huán)境，減少能源的消耗。電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源是電力，所以電動(dòng)汽車的充電是主要問(wèn)題，為了更好的保證電動(dòng)汽車的充電，智能充電樁的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。隨著電動(dòng)汽車越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)智能充電樁的要求也相對(duì)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

一、智能充電樁設(shè)計(jì)要求

1、智能充電樁的設(shè)計(jì)原則

1.1安全性

安全在任何時(shí)候都是排在前面，在設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車智能充電樁的時(shí)候，一定要考慮到安全問(wèn)題。在智能充電樁給電動(dòng)汽車充電的過(guò)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(gè)性能就是智能，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，一定要盡可能的減少人工的操作，讓用戶在使用的過(guò)程中更加便捷。同時(shí)，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候一定要考慮到效率高性，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)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(shè)計(jì)中成本問(wèn)題是一個(gè)重要問(wèn)題，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候在保證智能充電樁安全、便捷以及效率高的同時(shí)要考慮成本，較大程度的降低智能充電樁的成本，實(shí)現(xiàn)低成本效率高果的目標(biāo)。

2、智能充電樁的硬件系統(tǒng)要求

對(duì)于智能充電樁來(lái)說(shuō)，它的工作環(huán)境比較惡劣，我國(guó)的南北溫差比較大，自然環(huán)境也比較復(fù)雜，再加上智能充電樁的工作環(huán)境中還有強(qiáng)電磁，這些都讓智能充電樁的設(shè)計(jì)有很大的難度。在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，要考慮到以下兩點(diǎn)：(1)要綜合考慮內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)各種天氣，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，要注意充電樁的外部結(jié)構(gòu)是否封閉，以防雨水、血水等進(jìn)入到樁內(nèi)，造成智能充電樁出現(xiàn)系統(tǒng)故障等，內(nèi)部的空氣流動(dòng)也要良好，有效的散熱，避免智能充電樁在運(yùn)行過(guò)程中因?yàn)樯岵缓枚霈F(xiàn)故障，智能充電樁的硬件系統(tǒng)還需要適應(yīng)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(yùn)行。(2)提高智能充電樁的抗電磁能力，在智能充電樁工作的環(huán)境中有很多的電磁干擾，對(duì)于電磁干擾主要就是各種電磁感應(yīng)對(duì)信號(hào)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(biāo)

對(duì)于智能充電樁的軟件系統(tǒng)的功能目標(biāo)，主要如下：(1)操作界面一定要簡(jiǎn)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(wù)模式，可以計(jì)時(shí)、計(jì)金額來(lái)進(jìn)行充電。(4)計(jì)費(fèi)管理和用電統(tǒng)計(jì)一定要準(zhǔn)確。(5)通訊接口要豐富。第六，消費(fèi)憑證的打印要標(biāo)準(zhǔn)。

從以上這些智能充電樁的軟件系統(tǒng)功能目標(biāo)可以看出來(lái)，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(lái)更加方便快捷的服務(wù)，需要實(shí)現(xiàn)傳輸速度快、模塊穩(wěn)定、讀卡的敏捷度高等功能，實(shí)現(xiàn)充電的時(shí)候按時(shí)間、按金額、按電度，刷卡，扣費(fèi)更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)傳輸更加快速 。

二、電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)應(yīng)用分析

根據(jù)市場(chǎng)與公司運(yùn)營(yíng)需要，我司需設(shè)計(jì)一款能夠在滿足電動(dòng)汽車交流充電樁標(biāo)準(zhǔn)的前提下，具備聯(lián)網(wǎng)控制、在線計(jì)費(fèi)、在線監(jiān)控的產(chǎn)品。筆者作為項(xiàng)目的研發(fā)經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的硬件電氣部分設(shè)計(jì)、嵌入硬件部分設(shè)計(jì)、嵌入式軟件部分設(shè)計(jì)。

1、連接方式

在智能充電樁設(shè)計(jì)中，其連接方式主要是充電樁標(biāo)配充電槍和充電樁標(biāo)配充電槍座。對(duì)于充電樁標(biāo)配充電槍來(lái)說(shuō)，用戶使用的時(shí)候更加方便，但是充電樁標(biāo)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(duì)于充電樁標(biāo)配充電槍座來(lái)說(shuō)，需要設(shè)計(jì)防雨部分，而且還要犧牲一部分的用戶體驗(yàn)。綜合考慮，在本項(xiàng)目中所使用的連接方式是充電樁標(biāo)配充電槍座。

2、接口設(shè)計(jì)

在智能充電樁設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭浅醮问褂没ヂ?lián)網(wǎng)通信，所以在選擇接口的時(shí)候有很大的問(wèn)題。智能充電樁通過(guò)有線方式“以太網(wǎng)"集中，然后通過(guò)寬帶接入 GPRS 通信或者互聯(lián)網(wǎng)，在選擇接口的時(shí)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(jī)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)讓整個(gè)集中區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)都癱瘓。對(duì)于 GPRS 通信來(lái)說(shuō)，它的寬帶較低、穩(wěn)定性較低、延遲比較高，但是它的每一臺(tái)都是獨(dú)立的，即便其中的某一臺(tái)出現(xiàn)故障的時(shí)候，對(duì)其他的設(shè)備不會(huì)造成影響。對(duì)此，本項(xiàng)目選用的接口是標(biāo)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(tái)智能充電樁都獨(dú)立起來(lái)，其中某一臺(tái)智能充電樁出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候?qū)ζ渌闹悄艹潆姌恫粫?huì)有影響，可以給用戶帶來(lái)更好的服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量。

3、通信延遲丟包問(wèn)題處理

在智能充電樁的設(shè)計(jì)中，要考慮到通信延遲、丟包等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致智能充電樁中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整的情況，關(guān)鍵數(shù)據(jù)主要是指在智能充電樁中用戶的結(jié)算信息。在本項(xiàng)目中，初次測(cè)試的時(shí)候結(jié)算方式采用的是單獨(dú)推送的形式，在測(cè)試過(guò)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(guò)程中有不完整的情況，就會(huì)遺失所傳輸?shù)挠涗?，出現(xiàn)無(wú)法扣費(fèi)的現(xiàn)象。后期在測(cè)試的時(shí)候采用了多次傳輸同時(shí)增加充電前的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，在測(cè)試中采用多次傳輸?shù)耐瑫r(shí)增加充電前的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證可以有效的避免通信延遲、丟包的問(wèn)題，讓傳輸記錄保持完整，給用戶帶來(lái)更好的服務(wù)，讓智能充電樁的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

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；用戶通過(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

用戶管理：用戶注冊(cè)，用戶登錄，用戶帳戶管理，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(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。

l 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

l 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，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

l 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。

l 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、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，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)。

l 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、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)器可有效克服傳統(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，從而有效降低了電氣火災(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)器建議安裝在入戶開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開(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路中。

ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，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，接線時(shí)應(yīng)按接線圖進(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)禁非專業(yè)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路的金屬部分。待檢查線路，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)

綜上所述，可以看出來(lái)，在電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)中，要考慮的因素較多，設(shè)計(jì)要求也更加高，對(duì)智能充電樁的要求也比較嚴(yán)格，因此在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，需要對(duì)智能充電樁的連接方式、接口設(shè)計(jì)、問(wèn)題處理等都要進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，讓智能充電樁的設(shè)計(jì)可以更好的服務(wù)于客戶。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝大慶.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)分析.

[2] 王旭,齊向東.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J]. 機(jī)電工程.

[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