浅析电动汽车智慧充电桩平台设计及应用

刘细凤

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：新能源汽车的越性日益显著，与之相配套的电动汽车充电桩迅猛发展。电动汽车交流充电桩利用标准的充电接口为车载式充电机提供电源，具有电能计量、计费、通信、控制等功能。直流充电桩则采用CAN通讯接口，直接接入蓄电池进行充电。目前充电桩系统采用的三种主流技术方案各有劣，用户可以根据设计要求和成本，选择相对应的设计方案。

关键词：电动汽车；充电桩；技术方案

wu院办公厅提出“我的新能源汽车产能在未来五年要突破90 万辆，新能源汽车的保有量计划占乘用车总量的百分之8左右”。新能源汽车的推广示范点正逐渐扩大，参与节能减排的城市愈来愈多。在新能源汽车的推广中，电动汽车充电桩的发展也迎来了春天。在电动汽车的产业王里，电动汽车充电桩起着重要的支撑作用，发展前景十分广阔。

、电动汽车及其电池

通常来讲，当前的电动汽车外观上与普通汽车是致的， 区别主要在于动力源及其驱动系统。也就是说，电动汽车中的发动机变为电动机，没有了油箱，将蓄电池安装在里面。因此电动汽车就是靠电力来驱动的，这种汽车有很多的点，所用的蓄电池是采用流行的锂电池。目前将电充入到电动汽车中的做法有很多，使用较多的有常规充电、更换电池以及快速充电。常规充电具有简便易行，适应范围广的特点，但是充满电消耗的时间较长。换电池的做法具有减少电费的势， 但是需要尽量安置相当多的充电地点。使用快速充电的方法， 可以保证顺利且时间短地将电充入电池，但是充电的时候电流过大，容易损坏电池。目前，各公司主要研究移动式充电、无线式充电，还处于研究阶段。

二、充电桩

1、充电桩简介

充电桩般采用充电接口，给电动汽车的车载充电机充电，固定在某个位置，在电动汽车充换电系统中充电桩是较重要的设施。充电桩可以通过投币、IC 卡、移动端支付等方式进行计费。充电桩分直流充电桩和交流充电桩两种。直流充电桩是种小功率直流供电装置，可以直接给蓄电池充电并实时监控蓄电池的充电状态，对充电的电量计费。交流充电桩与交流电网连接，输出是220V 的交流电。交流充电桩使用车载充电机对电动汽车蓄电池进行充电。

2、交流充电桩功能概述

交流充电桩采用交流三相四线380V 输入，220V 交流输出，具有可定时、充满自断电的充电模式；交流充电桩采用触摸屏进行人机交互。在界面上可以设置充电的模式、电量、充电及剩余实间、计费信息等。交流充电桩具有IC 身份识别功能，能够自识别充电连接的情况，确定是否充电。交流充电桩采用家电网的标识，安装有漏电保护器，具有安稳防护保护功能。

图1 典型交流充电桩的充电原理框图

交流充电桩的核心是CPU 控制器，采用主流的ARM9 处理器,主回路由输入保护空气开关、交流控制接触器、交流智能电能表、充电接口连接器组成。输出端与充电机相连接；车载充电机将输出的交流电220V 整流、功率转换，转换后的直流电输出给蓄电池。CPU 控制器控制显示模块，般采取触屏式LCD 显示，读卡器读IC 卡信息，打印机主要用于打印票据。二次回路中设有急停按钮、充电桩智能控制器、计量表等。CPU 控制器控制的引导线接电池管理系统，主要目的是实时监控充电的状态。

3、直流充电桩功能概述

直流充电桩的相关的性能跟与交流情况基本致。然而只是电流不样，个是直流，个是交流。

图2 直流充电桩框图

先，交流电源要在整流滤波的作用下，将交流电整流成直流电，然后输入到IGBT 桥。此时的控制部分需要在驱动电路的基础上让IGBT 启动，将直流变为所需要的脉宽调制的交流。需要进行相关的隔离，再经过整流滤波进步获得直流充电方式。但是此时需要在相关控制电路的反馈下完成检查功能，主要是针对实时的电压以及电流。同时获得相关的端电压，就能够保证相关的控制装置能够处理。通常情况下， 如果出现了很高的电压，那么就会启动放电电路，这样就能够保证电池不受损坏。相关的充电桩要包括辅助电路，这样就能够保证其他电路元件能够正常工作。同时还需要相关的保护电路，这样能够保证系统在工作的时候稳定。在控制装置上需要有相关的数据信息，例如电量值、时间、用户信息等等。

直流充电桩加入了电流调控模块，可以按用户选择需要进行快速充电及慢速充电，般电流可达到DC150-400A，10 分钟内可将电池电量冲至百分之80，与交流充电桩相比大大缩短了充电时间。

三、三种充电桩主流技术方案的比较

1、电源部分+采集部分+单片机主控电路+人机交互部分

经过调查研究发现，电动汽车智能充电桩电路主要包括电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。

电源：电源涉及多种电路，例如电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路等等。这样的电源装置通常是为了满足单片机以及系统进行其他任务时的电压需要；

采集：通常包括电压、电流以及温度检查装置。

主控电路：在电压检测取样电路的基础上，获得电池两端的电压值，然后将数值情况输给单片机进行处理，进步决定使用什么样的充电方式。通过使用PWM 脉宽调制中的占空比进步控制相关的电流大小，保证能够进行相关的充电环节。

图3 充电桩技术方案框图1

人机交互：主要包括显示装置、报警以及按键装置。主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。当故障出现和充满电时要发出声光报警，该部分信息交换以中断方式进行。

2、充电主电路+检测电路+DSP 控制芯片+保护电路+显示部分

图4 充电桩技术方案框图2

通常情况下，此电路有主电路和控制回路两部分。充电主电路主要包括三相输入整流滤波电路以及DC-DC 全桥功率变换电路，主要保证蓄电池进行充电的时候有电力支持。控制回路包括DSP 控制器、扩展RAM、保护电路、IGBT 温度监测电路以及放电回路等，主要是保证能够智能操作充电环节。只有两种电路互相配合才能够保证充电过程顺利进行。

1. 主充电电路单元+主控制电路单元+计费单元+人机交互单 元+刷卡单元

图5 充电桩技术方案框图3

使用 ARM9 处理器，主要是为了能够智能化控制充电环节。通常情况下，包含五个串口，两个从通用串行总线接口，有关材料规范，确保各个设备得到有效的外部检查，使得二次设备安装科学规范。设备外部包装完整性、美观度以及封印破损程度均是外部检查内容，从而避免电气二次设备因设备外部存在破损或接头痕迹过于明显等情况，产生系统运行不稳定以及漏电等安稳问题。在进行二次设备检查工作时，应确保二次回路检测标号且位于明显位置，以便在系统运行过程中做好检修与日常养护工作。

4、 提升电厂电气二次设备施工操作规范性

为了避免电厂电气二次设备运行安装设计过程中因协调不当出现运行质量问题，应结合电厂运行实际情况，对设备施工操作进行有效规范，促使二次设备在得到有效维护的同时， 可在规范性高的操作措施下提升电厂电气二次设备运行科学性，操作规范性具体可从以下几个方面进行分析：是严格按照电厂电气二次设备安装运行操作规范进行施工操作，避免出现误动操作以及二次设备拒动等现象，从而使电厂在收到电气二次设备拒动、误动等异常运行错误的损伤前先做好防范，使得设备运行更为正常；二是确保设备检修手续齐全。在对电厂电气二次设备进行检修时，不仅要求检修技术人员具有从业资格证书，还需要检修人员具备安稳措施准许资料，方可开展既定工作。此外，检修人员对电厂电气二次设备进行检测与维修的同时，需要对真实情况进行详尽记录，如压板、线路检测情况以及操作规范执行情况等具体内容，并确保检修人员操作规范落实情况均符合电厂电气二次设备规范；三是确保施工人员具备高的思想觉悟与责任感。电厂电气二次设备施工操作规范应事无巨细，在设备施工操作全过程落实工作效率，将安稳操作、规范操作落到实处，而身为施工人员应虚心好学，秉持敬业奉献的思想觉悟在不断提升自身专业技能的同时，也与专业技术人员进行沟通与学习，使得电厂电气二次设备维护更加效率高，使得设备施工操作规范性在高质量的电厂人才基础上得以贯彻落实，为提高电厂运行效率与安稳稳定性奠定坚实基础。

• 安科瑞充电桩运营管理平台

1、系统架构

安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等系列故障进行预警；用户通过vx小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。

充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：

资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测

交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表

用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理

充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等

vx小程序：扫码充电，账单支付等功能

数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析

变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。

2、平台功能

2.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

2.2平台页

平台页总览每天的kaihu数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的kai户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。

2.3实时监控

l 充电站监控

充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。

• 充电枪监控

充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。

2.4vx小程序

• 搜索与使用

小程序可以通过扫描二维码和文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示

• 授权登录界面

用户通过搜索或者扫码等途径*打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示

• 主功能页

次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等

• 充电

扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。

• 个人信息

个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能

3、硬件配置

3.1平台服务器：建议按照我方配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。

硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）

若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：

3.2现场硬件配置清单：

五、总结

综上所述，电厂电气二次设备运行需要提升施工操作规范性、做好二次设备检查工作，并在合理设计电气二次设备的同时，做好设备的选择、调试以及安装工作，从而达到提高电厂运行质量的目的。

参考文献

[1]曹永远，电厂电气二次设备的安装及质量控制[J]，建筑工程技术与设计,2014(35):578-578

[2]赵慧娟，浅析电动汽车充电桩系统设计

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

作者简介：刘细凤，女，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电瓶车充电桩的研发和应用