淺析智能電動汽車 充電樁的設(shè)計與應(yīng)用分析

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 摘要：智能電動汽車的誕生，在很大程度上緩解了我國環(huán)境由于汽油型汽車的大量使用所不得不承擔(dān)的空氣污染、能源耗竭的問題。而推動電動車運行的內(nèi)在動力，來自于其智能充電樁。因此，本文就這一智能電動車重的要部位——充電樁的設(shè)計要點及其在現(xiàn)實當(dāng)中的應(yīng)用進行深入探討，希望能夠以此來推進我國智能電動汽車行業(yè)的進步。

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

一、淺析智能充電樁的使用意義

智能化的電動汽車之所以能夠在這個時代受到普遍化的歡迎，一方面是因為人們對于汽車環(huán)保性能的重視程度的逐步提高，另一方面，也是因為這種類型的汽車本身在使用過程當(dāng)中所制造出來的噪音較小，同時其相比于傳統(tǒng)的汽車，幾乎不會產(chǎn)生任何的尾氣。

二、淺析智能電動汽車充電樁的整體設(shè)計

1、淺析充電樁的設(shè)計原則

（1）安全性的原則

智能充電樁的設(shè)計，有一個不容忽視的原則——安全性原則。汽車的使用包含了許多潛在的不安全因素，尤其是對于配置了充電樁的智能電動汽車而言，不管是充電過程的安全性還是用電過程的安全性，都是需要進行把控的、不容小覷的重要內(nèi)容。因此，充電樁的設(shè)計人員需要首先將汽車使用人員的安全置于其設(shè)計該充電樁時參考要素當(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。相應(yīng)的，在智能化的操控下，其使用過程的便利性程度也會獲得相應(yīng)的提高。如此一來，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汽車。

（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)汽車的優(yōu)勢，如此一來才能夠吸引更多的消費者選擇這一類型的汽車作為代步工具。

2、硬件系統(tǒng)設(shè)計分析

在我國進行設(shè)計以及投入使用的智能電動汽車，需要立足于我國的氣候條件和環(huán)境基礎(chǔ)，才能夠設(shè)計出較能夠滿足我國消費者使用需求的汽車[2]。因此，設(shè)計員在對其硬件系統(tǒng)進行設(shè)計的時候，就需要考慮我國南北不同地區(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，往往是在電磁強度較高的背景下。因此，其硬件條件需要能夠適應(yīng)于周圍宏觀環(huán)境及微觀環(huán)境的需求。以下將詳細闡述其硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。

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。總控單元作為整個系統(tǒng)得以運行的核心技術(shù)支持，其所負責(zé)的內(nèi)容可以分為四大部分，按照充電過程的順序，可以分為啟動控制、運行控制、關(guān)閉控制以及在其過程當(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責(zé)隨時隨地地向其后臺傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而其顯示單元這一部位，同樣由四個部分構(gòu)成，顯示部分一般來說，采用的都是ＬＣＤ型號的顯示器，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地呈現(xiàn)在用戶的面前，以供其進行選擇。其次是指示燈，其存在的主要作用，是為了提示用戶，充電樁處于何種狀態(tài)當(dāng)中。當(dāng)指示燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色的時候，說明其已完成自身的充電過程。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，這一單元就會以較快的速度，將其傳輸給接下來的開關(guān)量單元，這一單元在對用戶的充電量需求的大小進行判斷之后，就會為用戶提供充電服務(wù)。由于以上單元的運行始終處于智能環(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)計目標

軟件系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)度，同樣是會對整個智能電動汽車的運行產(chǎn)生影響的重要方面。而根據(jù)經(jīng)驗與理論的啟示，我們認為充電樁的軟件系統(tǒng)設(shè)計，需要滿足以下的目標。首先，為了體現(xiàn)其智能化的優(yōu)勢，需要將其操作頁面設(shè)計得更為簡潔清晰，讓車主一眼就能夠了解其操作原理，從而杜絕由于車主的不當(dāng)操作所引起的安全事故的發(fā)生。其次，其對于充電過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主的計時服務(wù)、計電服務(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)，還需要能夠為車主提供相應(yīng)的消費憑證打印服務(wù)，借助這一標準化的服務(wù)，車主能夠在更高的程度上，對這一類型的汽車產(chǎn)生由衷的認可。

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

三、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

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(shù)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(yù)警；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(yīng)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(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(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)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(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(diào)度管理，即當(dāng)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(dāng)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(quán)限密碼，進行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)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(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)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(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。

• 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

• 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(quán)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(quán)登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

• 主功能頁

初次進入主功能頁時需要授權(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入充電選擇頁面，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，電價和預(yù)計可充電量等數(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)束可以進進行評價。

• 個人信息

個人信息可以顯示當(dāng)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(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)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(wù)器，服務(wù)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(shè)計

電氣防火限流式保護器可克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)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(dāng)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(zāi)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(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)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(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)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(dāng)發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)與固態(tài)開關(guān)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(dāng)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(zāi)。

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(nèi)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(nèi)超溫保護功能，保護器內(nèi)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(shè)）；

E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

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(shù)參數(shù)

4、應(yīng)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(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進行設(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

在選用限流式保護器時，限流式保護器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當(dāng)限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護器的額定電流設(shè)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(nèi)，應(yīng)確保安裝場所無滴水、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。

為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。

保護器內(nèi)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(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復(fù)正常運行時。

當(dāng)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(fēng)散熱不良等原因?qū)е拢赏ㄟ^加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護器復(fù)位，恢復(fù)正常運行。

五、結(jié)束語

經(jīng)過本文詳盡的探討，我們可以得知，在這一智能充電汽車普及的過程當(dāng)中，其充電樁作為支撐其發(fā)展的重要部位，其設(shè)計的性將會直接對其應(yīng)用水平產(chǎn)生不容小覷的影響，并間接影響消費者的使用體驗，影響這一類型汽車的市場銷量。因此，需要參考上述設(shè)計思路，從其設(shè)計原則出發(fā)，考慮其硬軟件設(shè)計過程所需要面對的難題和達到的設(shè)計目標，以此來設(shè)計出更符合市場需求的智能充電樁產(chǎn)品。

參考文獻

[1]王旭,齊向東.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究[J].機電工程,2014(3)

[2]任桂平.智能電動汽車充電樁的設(shè)計與應(yīng)用分析

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