淺析電動汽車智能充電樁的設計要求及相關技術探索

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：完善電動汽車充電設施，常見的是充電樁。設計效率高、可靠的電動汽車智能充電樁，對保證電動汽車的安全運行有著非常重要的意義。因此，詳細探討了電動汽車智能充電樁的設計要求和相關技術。

關鍵詞：電動汽車；智能充電樁；設計要求；技術

引言

汽車事業(yè)的發(fā)展體現(xiàn)了現(xiàn)代化社會發(fā)展的趨勢，隨著汽車數(shù)量的快速增長和石化材料的大量應用，我國能源事業(yè)和環(huán)境發(fā)展面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。新型電動汽車的出現(xiàn)正好解決了這一問題，在一定意義上實現(xiàn)了*。我國電動汽車起步較晚，但是其發(fā)展速度較快。尤其在研發(fā)方面，一些小型電動車已取得了較好的成果，發(fā)展前景較好。在電動汽車的充電樁設計上，還要對其進行更加深入的研究，提高電動汽車智能充電樁的環(huán)境適應性，保證其供電穩(wěn)定性。

一、電動汽車智能充電樁的設計要求

我國土地遼闊，各個區(qū)域的自然環(huán)境也存在著較大差異，并且電動汽車智能充電樁經(jīng)常工作在電磁較高的環(huán)境下，這些也都對電動汽車智能充電樁的設計提出了更高要求。要求電動汽車智能充電樁不但要經(jīng)受較端天氣的考驗，還要具備較強的抗電磁干力。

1、合天氣變化的考驗

隨著全球氣候不斷的變暖，我國自然環(huán)境受到了較大的威脅，惡劣天氣事件出現(xiàn)的頻率越來越高。不但影響了工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，而且對地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展造成了一定影響。對于電動汽車智能充電樁來說，外部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和封閉性對電動汽車使用的安全性均具有非常重要的作用。例如，電動汽車智能充電樁的封閉性不佳，會導致水珠、雨雪等進入到充電樁內(nèi)，造成電動汽車智能充電樁內(nèi)部電路出現(xiàn)短路、系統(tǒng)故障等。因此，設計電動汽車智能充電樁時，要充分保證其外部結(jié)構(gòu)的封閉性和穩(wěn)定性。另外，為了使電動汽車智能充電樁結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出去，還要保證其內(nèi)部空氣的流動性。

2、具備抗電磁干力

電動汽車智能充電樁所處的電磁環(huán)境，是由外界一些電磁感應信號對自身充電樁信號接收和輸出情況造成干擾的環(huán)境。隨著通信技術、網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，電磁干擾的情況也越來越頻繁。對于一些電磁干擾較強的環(huán)境中，為了保證電動汽車智能充電樁的正常運行，在設計上要考慮到電氣線路的布局，將外界電磁信號對自身的干擾降到較低，進而將電磁干擾所造成的不良影響降到較低。

二、電動汽車智能充電樁 APP 客戶端設計

近年來，隨著智能手機的普及，APP 客戶端軟件在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛應用。在對電動汽車智能充電樁 APP 客戶端的設計中，根據(jù)用戶手機操作系統(tǒng)的不同分別設計了 iOSV7.0.0 版本和 Android V2.3.3版本的 APP 客戶端軟件，均為 C/S 體系結(jié)構(gòu)，具有強大的擴展能力和靈活性。

1、視圖層

視圖層是 APP 客戶端與用戶交互的界面，在了解用戶需求的情況下，可通過調(diào)用業(yè)務邏輯層的接口對用戶需求進行邏輯處理，并將處理結(jié)果展現(xiàn)給客戶。包括地圖顯示、支付結(jié)算、車輛狀態(tài)顯示、電池電量狀態(tài)顯示、控制界面以及查詢界面等。

2、業(yè)務邏輯層

需要及時完成用戶在業(yè)務上的邏輯需求，包括對服務器數(shù)據(jù)的請求、對本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀取等。

3、業(yè)務實體層

業(yè)務實體層包括各個不同的業(yè)物實體、對網(wǎng)絡服務器的數(shù)據(jù)請求、對本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)解析、對網(wǎng)絡平臺服務器數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)解析以及對網(wǎng)絡平臺數(shù)據(jù)庫的維護等。APP 客戶端軟件在設計思維上，是根

據(jù)用戶選擇的功能對相應業(yè)務邏輯層對應的模塊進行調(diào)用。而在此過程中，業(yè)務流程的組織工作全部由業(yè)務邏輯層完成，還調(diào)用了業(yè)務實體層模塊。通過網(wǎng)關服務器的接口，可完成與網(wǎng)關服務器之間的信息交換。

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警；用戶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)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，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，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表

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：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務：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、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

 

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，以及相應的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、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日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。

l 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

l 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，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

l 主功能頁

初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。

l 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當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。

l 個人信息

個人信息可以顯示當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、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務器：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器，服務器配置根據(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、限流式保護器的設計

電氣防火限流式保護器可克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關和監(jiān)控設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，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關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)開關的斷開則是依靠半導體內(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，當發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關在電流升至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)空氣開關與固態(tài)開關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。

 

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）；

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

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

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技術參數(shù)

4、應用方案圖示

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關下端，額定電流值根據(jù)入戶開關的具體規(guī)格進行設置，典型應用示意圖如圖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，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為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)，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風散熱。

為確?？煽窟B接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應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，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風散熱不良等原因?qū)е拢赏ㄟ^加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

五、結(jié)束語

 

電動汽車智能充電樁的設計與技術應用是促進電動汽車發(fā)展的重要因素。隨著我國電動汽車智能充電樁設備設施的不斷建設和完善，我國在電動汽車智能充電樁方面的設計經(jīng)驗有了一定積累，水平也有了很大提升。但是，在對電動汽車智能充電樁設計的發(fā)展和完善方面還有很長的路程要走。因此，設計人員要進一步加強對電動汽車智能充電樁的研究和創(chuàng)新工作，提高電動汽車智能充電樁的設計技術水平，促進我國電動汽車智能充電樁設計技術的快速發(fā)展。

參考文獻

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