淺談電動車智能充電設計及研究

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：優化智能充電樁的設計可以解決相關問題，因此利用文獻資料法等方法對電動汽車智能充電樁設計及關鍵技術進行了研究與探討。經過探究發現，在進行智能充電樁的設計時需要提高充電樁的天氣適應能力與抗電磁干擾能力，所以需要根據設計要求開展總體設計、可重構模塊化設計等環節的工作并靈活應用直流一體化充電技術、柔性充電堆技術等關鍵技術，優化智能充電樁的整體性能。

關鍵詞：電動汽車；智能充電樁；能源互聯網

0前言

在長期發展過程中，能源問題與環境問題成為了困擾人類社會的關鍵問題，而加大電動汽車的生產力度可以在一定程度上減少石油等資源的消耗以及污染物的排放，但電動汽車需要智能充電樁的支持，所以需要在現有研究結果的基礎上對電動汽車智能充電樁設計及關鍵技術進行剖析。

1電動汽車智能充電樁的政策規定與現狀

1.1政策規定

當前我國針對智能充電樁等配套設施制定了相應的政策，例如《關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見》、《提升新能源汽車充電保障能力行動計劃》等，對智能充電樁設計、建設進行了規定[1]。

1.2設計現狀

2022年1月時我國制定了《“十四五”現代能源體系規劃》，強調要積極發展新能源并努力利用新能源代替化石能源，從而使能源結構轉型。同時，強調力爭到2025年，電力需求側響應能力達到極限負荷的3%～5%，其中華東、華中、南方等地區達到極限負荷的5%左右。在這種情況下，各個領域都需要持續推進能源低碳轉型，提升能源系統效率，例如汽車制造領域應積極研發新能源電動車并做好電動汽車智能充電樁的設計工作。但相比于西方發達國家，我國電動汽車起步相對較晚，相關技術還不夠成熟。且我國針對電動汽車智能充電樁的設計體系還不夠完善，設計中仍然存在一些亟待解決的問題。

1.3電動汽車智能充電樁的類型及比例

一，智能充電樁的類型。從充電方式、充電接口數等各方面情況來看，智能充電樁包括諸多類型。例如，從充電方式來看，智能充電樁包括交流、直流、交直流一體這三種類型；從充電接口數來看，智能充電樁包括一樁一充、一樁多充這兩種類型；從安裝地點來看，智能充電樁包括公用充電樁與專用充電樁這兩種類型；從安裝方式來看，智能充電樁包括落地式與掛壁式這兩種類型。其中公用充電樁與專用充電樁這一分類較為常用，且公共充電樁可以為全部或部分社會車輛提供充電服務，專用樁只為部分特定的社會車輛服務，一般安裝到單位內部場合，僅供單位內部人員使用。二，智能充電樁的比例。在智能充電樁需求愈加強烈的背景下，我國加大了充電樁建設力度，使充電樁比例得到了改善。中國充電聯盟的統計數據表明，在2022年1月-8月，我國充電基礎設施增量為169.8萬臺，同比 2021年1月-8月增長 300.5%。且2022 年1-8月，車樁增量比達到2.3:1，有效改善了“一樁難求”的局面，但是這一比例仍然達不到發改委提出的相應要求。

2電動汽車智能充電樁的設計

2.1總體設計

可以將智能充電樁分為功能結構模塊、人機交互模塊以及安全防護模塊，將功能結構模塊分為主控單元、智能通訊單元、功能擴展接口、智能計量結算單元；將人機交互模塊分為智能語音輸出單元、智能顯示單元、樁體顯示單元、智能身份識別單元、打印輸出單元；將安全防護模塊分為控制導引單元、電氣防護單元、緊急停止單元以及防水防塵單元[2]。

2.2可重構模塊化設計

一，功能結構模塊設計。例如，在進行主控單元設計時需要將具有Cortex-M3內核的LPC1769當作主控芯片；在進行智能通訊單元電路設計時需要采用高速、雙通道的芯片，且需要應用CAN總線通訊，從而實現智能充電樁與電動汽車電池管理系統的信息交互；在進行計量計費單元設計時需要選擇具有RS485通訊功能的智能電表，確保電表可以根據時段自動調用相應的費率且能夠實時測量電能表的運行參數。二，人機交互模塊設計。在設計過程中可以通過RFID這種射頻識別技術進行智能身份識別單元的設計，通過非接觸式的自動識別進行電磁耦合控制并為費用結算等環節提供支持，且需要完善智能顯示單元的硬件電路設計，確保初始界面有充電、查詢、管理以及幫助等基礎功能。三，安全防護模塊設計。在進行控制導引系統設計時需要優化充電連接方式設計，使電纜組件與供電設備連接，使電纜組件的另一頭與電動汽車相連接，且需要優化充電控制導引電路設計，確保其具備充電監測、充電功率識別、充電系統停止等功能。

2.3人機交互軟件分層設計及界面設計

一，分層設計。可以將智能充電樁的人機交互軟件架構分為5層，即APP層、BUSS層、COMP層、INFRA層以及DRV層，將APP層當作人機交互系統的高層、將BUSS層當作系統的次高層并完善BUSS層對按鍵的處理流程（如圖一所示）、在COMP層中編寫各種能夠對屏幕進行操作的功能函數、在INFRA層中設計屏幕的實際繪制函數、在DRV層中完善硬件的驅動程序設計。二，界面設計。在進行界面設計時需要做好人機交互系統的原型設計與界面

流程設計工作，例如在進行系統原型設計時應充分考慮充電過程中可能會出現的問題并優化原型流程，在進行界面流程設計時應完善界面操作模式，讓用戶可以自主選擇自動模式、定時模式或定費模式，之后再完善各個模式的具體功能。

圖一：BUSS層對按鍵的處理流程

3電動汽車智能充電樁設計的關鍵技術

3.1直流一體化充電技術

直流一體化充電技術可以將整流模塊都安裝在智能充電樁中并通過交流電纜將交流電轉變為直流電，再通過充電槍為電動汽車進行充電。在設計智能充電樁時應綜合分析這種技術手段的優勢與劣勢并準確判斷是否應用這種技術。

3.2柔性充電堆技術

柔性充電堆技術應用了智能控制技術，可以將全部或部分電動汽車智能充電樁中的充電模塊集中在一起并形成功率池，且可以實現集中監控與調度，根據電動汽車的充電需求自動匹配很好的充電模塊數量。在應用這種技術時需要綜合分析智能充電樁的特點，從而優化技術應用效果。

4電動汽車智能充電樁的發展前景

在理念不斷改變、技術水平不斷提升的背景下，電動汽車智能充電樁會逐漸向調節化、規范化等方向發展，且未來智能充電樁會得到新基建與虛擬電廠技術的加持，到那時充電樁就不再是單獨的、機械式的物理存在，且會具備智能物聯網的屬性，成為下一代能源互聯網的重要入口。其中虛擬電廠可以通過信息技術和軟件系統實現分布式電源、儲能、可調負荷等多種分布式資源的聚合和協同優化。且虛擬電廠可以通過互聯網、5G以及智能網關等先進通信技術實現電網調度系統與用戶側可調節資源的雙向通信，因此需要加大對虛擬電廠的研究力度，不斷增加區域的調節能力，為用戶側可調節資源參與市場交易等各個方面提供技術保障，并通過虛擬電廠對新能源汽車與電網能量互動等分布式能源進行集中管理，使電動汽車智能充電樁的可持續發展。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統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據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。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警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

5.3.1系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據中心層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據中心層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統負責人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。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2.實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

5.4.3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、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設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果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

5.4.5統計分析

通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、 凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，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。

5.5系統硬件配置

6結語

智能充電樁的設計效果與技術應用情況會對電動汽車的發展產生較大影響，因此應提高對智能充電樁設計的重視程度，根據設計要求開展總體設計、可重構模塊化設計、人機交互界面設計等環節的工作并靈活應用各種關鍵技術，進一步提升智能充電樁的實用性，為電動汽車的發展提供支持。

參考文獻

[1]杜婕.電動汽車智能充電樁的設計要求及相關技術探索[J].通信電源技術,2019,36(03):65-66.

[2]張明慧,周天睿,于靜,金民.電動汽車智能充電樁管理系統的設計與開發[J].現代計算機,2021,27(33):110-115.

[3]劉娟.電動汽車智能充電樁設計及關鍵技術研究

[4]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.

審核編輯 黃宇