淺談電動(dòng)車(chē)智能充電設(shè)計(jì)及研究

淺談電動(dòng)車(chē)智能充電設(shè)計(jì)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(yōu)化智能充電樁的設(shè)計(jì)可以解決相關(guān)問(wèn)題，因此利用文獻(xiàn)資料法等方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與探討。經(jīng)過(guò)探究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行智能充電樁的設(shè)計(jì)時(shí)需要提高充電樁的天氣適應(yīng)能力與抗電磁干擾能力，所以需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)展總體設(shè)計(jì)、可重構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的工作并靈活應(yīng)用直流一體化充電技術(shù)、柔性充電堆技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化智能充電樁的整體性能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；智能充電樁；能源互聯(lián)網(wǎng)

0前言

在長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中，能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題成為了困擾人類社會(huì)的關(guān)鍵問(wèn)題，而加大電動(dòng)汽車(chē)的生產(chǎn)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(dòng)汽車(chē)需要智能充電樁的支持，所以需要在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行剖析。

1電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的政策規(guī)定與現(xiàn)狀

1.1政策規(guī)定

當(dāng)前我國(guó)針對(duì)智能充電樁等配套設(shè)施制定了相應(yīng)的政策，例如《關(guān)于加快電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《提升新能源汽車(chē)充電保障能力行動(dòng)計(jì)劃》等，對(duì)智能充電樁設(shè)計(jì)、建設(shè)進(jìn)行了規(guī)定[1]。

1.2設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2022年1月時(shí)我國(guó)制定了《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，強(qiáng)調(diào)要積極發(fā)展新能源并努力利用新能源代替化石能源，從而使能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)力爭(zhēng)到2025年，電力需求側(cè)響應(yīng)能力達(dá)到極限負(fù)荷的3%～5%，其中華東、華中、南方等地區(qū)達(dá)到極限負(fù)荷的5%左右。在這種情況下，各個(gè)領(lǐng)域都需要持續(xù)推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型，提升能源系統(tǒng)效率，例如汽車(chē)制造領(lǐng)域應(yīng)積極研發(fā)新能源電動(dòng)車(chē)并做好電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)工作。但相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)起步相對(duì)較晚，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟。且我國(guó)針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)體系還不夠完善，設(shè)計(jì)中仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題。

1.3電動(dòng)汽車(chē)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(shù)等各方面情況來(lái)看，智能充電樁包括諸多類型。例如，從充電方式來(lái)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(shù)來(lái)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(diǎn)來(lái)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(lái)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(huì)車(chē)輛提供充電服務(wù)，專用樁只為部分特定的社會(huì)車(chē)輛服務(wù)，一般安裝到單位內(nèi)部場(chǎng)合，僅供單位內(nèi)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(qiáng)烈的背景下，我國(guó)加大了充電樁建設(shè)力度，使充電樁比例得到了改善。中國(guó)充電聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在2022年1月-8月，我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施增量為169.8萬(wàn)臺(tái)，同比 2021年1月-8月增長(zhǎng) 300.5%。且2022 年1-8月，車(chē)樁增量比達(dá)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(dá)不到發(fā)改委提出的相應(yīng)要求。

2電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

可以將智能充電樁分為功能結(jié)構(gòu)模塊、人機(jī)交互模塊以及安全防護(hù)模塊，將功能結(jié)構(gòu)模塊分為主控單元、智能通訊單元、功能擴(kuò)展接口、智能計(jì)量結(jié)算單元；將人機(jī)交互模塊分為智能語(yǔ)音輸出單元、智能顯示單元、樁體顯示單元、智能身份識(shí)別單元、打印輸出單元；將安全防護(hù)模塊分為控制導(dǎo)引單元、電氣防護(hù)單元、緊急停止單元以及防水防塵單元[2]。

2.2可重構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

一，功能結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)。例如，在進(jìn)行主控單元設(shè)計(jì)時(shí)需要將具有Cortex-M3內(nèi)核的LPC1769當(dāng)作主控芯片；在進(jìn)行智能通訊單元電路設(shè)計(jì)時(shí)需要采用高速、雙通道的芯片，且需要應(yīng)用CAN總線通訊，從而實(shí)現(xiàn)智能充電樁與電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的信息交互；在進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)單元設(shè)計(jì)時(shí)需要選擇具有RS485通訊功能的智能電表，確保電表可以根據(jù)時(shí)段自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的費(fèi)率且能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量電能表的運(yùn)行參數(shù)。二，人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以通過(guò)RFID這種射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行智能身份識(shí)別單元的設(shè)計(jì)，通過(guò)非接觸式的自動(dòng)識(shí)別進(jìn)行電磁耦合控制并為費(fèi)用結(jié)算等環(huán)節(jié)提供支持，且需要完善智能顯示單元的硬件電路設(shè)計(jì)，確保初始界面有充電、查詢、管理以及幫助等基礎(chǔ)功能。三，安全防護(hù)模塊設(shè)計(jì)。在進(jìn)行控制導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)化充電連接方式設(shè)計(jì)，使電纜組件與供電設(shè)備連接，使電纜組件的另一頭與電動(dòng)汽車(chē)相連接，且需要優(yōu)化充電控制導(dǎo)引電路設(shè)計(jì)，確保其具備充電監(jiān)測(cè)、充電功率識(shí)別、充電系統(tǒng)停止等功能。

2.3人機(jī)交互軟件分層設(shè)計(jì)及界面設(shè)計(jì)

一，分層設(shè)計(jì)?？梢詫⒅悄艹潆姌兜娜藱C(jī)交互軟件架構(gòu)分為5層，即APP層、BUSS層、COMP層、INFRA層以及DRV層，將APP層當(dāng)作人機(jī)交互系統(tǒng)的高層、將BUSS層當(dāng)作系統(tǒng)的次高層并完善BUSS層對(duì)按鍵的處理流程（如圖一所示）、在COMP層中編寫(xiě)各種能夠?qū)ζ聊贿M(jìn)行操作的功能函數(shù)、在INFRA層中設(shè)計(jì)屏幕的實(shí)際繪制函數(shù)、在DRV層中完善硬件的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。二，界面設(shè)計(jì)。在進(jìn)行界面設(shè)計(jì)時(shí)需要做好人機(jī)交互系統(tǒng)的原型設(shè)計(jì)與界面

流程設(shè)計(jì)工作，例如在進(jìn)行系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮充電過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題并優(yōu)化原型流程，在進(jìn)行界面流程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)完善界面操作模式，讓用戶可以自主選擇自動(dòng)模式、定時(shí)模式或定費(fèi)模式，之后再完善各個(gè)模式的具體功能。

圖一：BUSS層對(duì)按鍵的處理流程

3電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1直流一體化充電技術(shù)

直流一體化充電技術(shù)可以將整流模塊都安裝在智能充電樁中并通過(guò)交流電纜將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^(guò)充電槍為電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電。在設(shè)計(jì)智能充電樁時(shí)應(yīng)綜合分析這種技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)并準(zhǔn)確判斷是否應(yīng)用這種技術(shù)。

3.2柔性充電堆技術(shù)

柔性充電堆技術(shù)應(yīng)用了智能控制技術(shù)，可以將全部或部分電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控與調(diào)度，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的充電需求自動(dòng)匹配很好的充電模塊數(shù)量。在應(yīng)用這種技術(shù)時(shí)需要綜合分析智能充電樁的特點(diǎn)，從而優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效果。

4電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的發(fā)展前景

在理念不斷改變、技術(shù)水平不斷提升的背景下，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁會(huì)逐漸向調(diào)節(jié)化、規(guī)范化等方向發(fā)展，且未來(lái)智能充電樁會(huì)得到新基建與虛擬電廠技術(shù)的加持，到那時(shí)充電樁就不再是單獨(dú)的、機(jī)械式的物理存在，且會(huì)具備智能物聯(lián)網(wǎng)的屬性，成為下一代能源互聯(lián)網(wǎng)的重要入口。其中虛擬電廠可以通過(guò)信息技術(shù)和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能、可調(diào)負(fù)荷等多種分布式資源的聚合和協(xié)同優(yōu)化。且虛擬電廠可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、5G以及智能網(wǎng)關(guān)等先進(jìn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)與用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源的雙向通信，因此需要加大對(duì)虛擬電廠的研究力度，不斷增加區(qū)域的調(diào)節(jié)能力，為用戶側(cè)可調(diào)節(jié)資源參與市場(chǎng)交易等各個(gè)方面提供技術(shù)保障，并通過(guò)虛擬電廠對(duì)新能源汽車(chē)與電網(wǎng)能量互動(dòng)等分布式能源進(jìn)行集中管理，使電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的可持續(xù)發(fā)展。

5安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(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)的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)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(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)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(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)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(jì)。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.3.1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)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)負(fù)責(zé)人可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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。

5.4.2.實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)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(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)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。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

5.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。

5.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)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(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。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)語(yǔ)

智能充電樁的設(shè)計(jì)效果與技術(shù)應(yīng)用情況會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展產(chǎn)生較大影響，因此應(yīng)提高對(duì)智能充電樁設(shè)計(jì)的重視程度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)展總體設(shè)計(jì)、可重構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的工作并靈活應(yīng)用各種關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升智能充電樁的實(shí)用性，為電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展提供支持。

參考文獻(xiàn)

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審核編輯 黃宇