電動汽車智能充電樁的設計與研究

劉濤

摘 要：在全球能源危機和環境危機嚴重的大背景下，電動汽車作為新型綠色交通工具具有廣闊的發展前景。目前，國內外都在積極建設和完善各自的電動汽車充電設施，其中最為重要的配套基礎設施就是充電樁。隨著電動汽車的進步，智能充電技術越來越重要，如何設計出高效、可靠的充電系統則成為保障電動汽車安全高效行駛的關鍵。該文就電動汽車智能充電樁的軟硬件設計進行探討。

關鍵詞：電動汽車 智能充電樁 軟硬件設計

中圖分類號：TM910.6；U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0089-02

汽車是現代社會發展的體現，但是由于其高速增長量和使用石化材料給我國能源和環境帶來了很大的挑戰[1]。石油是一種不可再生的資源，加上大氣破壞導致石油資源嚴重匱乏，然而新型電動汽車的出現解決了這一問題，它能真正意義上實現零排放。相對于國外發達國家，我國的電動汽車雖然起步較晚，但發展迅速，一些中小型電動汽車已經取得了有效的研發成果，有著很好的發展與運用前景。2015年1月15日建成的京滬高速快充網絡解決了沿途六省市電動汽車綠色出行的續航問題，目前我國正在積極建設和擴展城際快充網絡。

1 充電系統的功能要求

電動汽車充電系統的工作方式就是把供電電源的能量轉給蓄電池，這個過程則是把電源的功率降低傳給蓄電池。一般而言，充電系統主要是由電動汽車充電樁、集中器、電池管理系統和充電管理服務平臺4個部分組成，基本要求有以下幾點。

（1）安全性：在為電動汽車充電的時候，要確保工作人員和車主以及蓄電池組合的安全。

（2）便捷性：充電系統有完善的智能工作方式，不需要工作人員過多地操作。

（3）效益高：充電系統在給蓄電池充電時，是以降低成本的方式給蓄電池充電，能有效降低電動汽車運行所消耗的成本，給雙方都帶來效益。

（4）效率高：充電系統的高效率能提升電動汽車工作效率，從而降低電動汽車能源消耗。

（5）污染小：電動汽車充電樁屬于配電網側，在充電過程中對電網和蓄電池影響要小，避免對環境以及其他設備帶來傷害。

2 充電系統的充電和充電樁建設方式

2.1 充電系統的充電方式

目前，電動汽車充電主要有交流充電、直流充電、更換電池組、非接觸式充電四種方式，具體要求及適用范圍如下。

（1）交流充電：來自配電網提供的220V或380V交流電源，充電裝置有濾波、整流、逆變等功能，實現在負荷高峰時通過逆變設備對電網送電，低谷時通過整流設備對蓄電池充電，這種方式充電時間長（一般在3～6 h）、功率大，適合小型電動汽車充電。

（2）直流充電：來自地面充電樁電源220V/32A，給蓄電池充電時，不會像交流充電那樣需要借助蓄電池的作用，這種方式充電速度快，不到1 h能充電4/5，但對蓄電池損害很大，適合大型電動汽車充電。

（3）更換電池組：這種充電方式的電動汽車必須擁有兩個蓄電池，在一個蓄電池電力不足時可以更換另一個蓄電池，而這個蓄電池又可以進行直流充電，這種電動汽車在很大程度上節約了充電時間。這種充電方式需要兩組蓄電池進行供電，以致需要很多電池更換站點，對人員要求也多、成本高，而且太過機械化，目前這種方式在國外運用較多。

（4）非接觸式充電：這種充電方式需要地面有一個電器元件，汽車也要有一個能接觸地面的充電接受位置，這種情況下，汽車在行駛的情況下也能充電，就不存在其他充電方式需要停下來為蓄電池充電。但這種充電方式所花費的成本以及各種路段等的限制，不太適用。

以上四種充電方式都有其利弊，采用哪一種充電方式給電動汽車充電需要經過市場來決定。

2.2 充電樁建設方式

從技術層次考慮，交流電充電樁可以建設在停車場等地，它的優點在于可以在汽車空閑時間充電、方便使用，而且220 V或380 V電壓很好獲得；直流充電樁也能在停車場等地建設，適合大型電動汽車充電，但由于其功率大，對電網影響較大。而更換電池組和非接觸式充電方式所花費的前期成本太高，風險太大，暫不適合大面積推廣使用[2]。

綜上所述，220 V/380 V交流電充電應該是主流方式，因此該文研究電動汽車智能充電樁的設計以交流充電方式進行。

3 建設智能充電樁監控系統

3.1 充電樁智能監控系統的作用

（1）能自動識別IC卡，用戶可以通過IC卡進行充電、余額查詢和計費等，用戶還可以選擇充電模式，如計費充電、里程充滿或自我選擇充電電量。

（2）能自動檢測并保護充電樁交流電源的電壓和電流，也能在充電過程中檢測保護電池。

（3）能有效監控對蓄電池充電的全過程，包括檢測充電狀態、充電時電壓和電流的高低。

（4）能及時與上級管理在數據和通信商進行溝通，以便上級管理實時監控。

3.2 充電樁智能監控的設計

3.2.1 硬件設計

充電樁智能監控硬件系統有主控臺、IC讀卡器、顯示屏、通信、鍵盤等等，充電樁監控系統見圖1。交流電是接入的220 V/380 V電網電源，通過充電模塊的過濾和整流等，直接對電動汽車充電；IC卡識別模塊是給用戶開啟充電樁的功能，IC卡識別模塊可以顯示用戶余額以及個人信息，人機交互模塊可以選擇充電模式、里程充滿，或自我選擇充電電量等；計費模塊顯示當前計費等。

主控模塊是硬件系統的核心部分，有很多串口、網口和控制器等，它是控制一切模塊的樞紐，實時監控運行情況和充電情況，以便及時傳送到后臺。為了有效對充電樁進行實時檢測，還需要建設一個保護程序，見圖2。通過監控保護單元對充電模塊電壓和電流進行控制以及對電動汽車的電池系統進行檢測，如出現異常或不穩定時，及時斷開電源，保護電樁電池的安全，確保電動汽車電池不受到損害。endprint

3.2.2 軟件設計

充電樁智能監控軟件設計需能有效實現與用戶的溝通。用戶給電動汽車充電的流程是這樣：用戶先將電動汽車充電接口和充電樁充電輸入手柄連接，再插入IC卡，開啟充電樁，如果用戶充電接口與充電輸出口沒有連接好，系統提示報警；用戶在身份識別完成后，就可以選擇自己想要的充電模式，如果所選擇的充電模式不匹配當前電池狀態，系統提示報警；在充電過程中，屏幕會顯示余額、充電時間、充電時長等，充電結束后，自動停止計費并打印發票，然后系統自行鎖定。所有系統程序可以分為中央控制程序、IC卡識別程序、通信程序、顯示程序、檢測程序和打印程序，每個程序都是獨立的，但又能協調處理工作。在設計上，編寫程序人員必須嚴格按照電樁系統的穩定性以及可行性進行開發。

在人機交互程序設計上，需要考慮多樣化功能，比如，充電種類選擇、充電時間設置、里程充電設置、停止充電等，人機程序和主控程序的連接能更好地控制其他程序的工作。在程序設置上，安全程序是保障讀卡器程序加密的，以確保用戶信息安全以及電量計費和金額數據加密。

3.2.3 環境和電磁設計

電動汽車充電樁一般都安裝在戶外，因此受環境影響很大，尤其是陰雨潮濕等天氣，不僅會給充電設施帶來影響，也會給通訊帶來不便。在建設智能充電電樁的時候，可以選擇交叉覆蓋式結構，這樣充電樁外殼要選擇防水防潮的材料，既防雨又通風，能很好降低充電樁的溫度，硬件以及元件的選型都要選擇工業級的；另外也要注意通信被干擾的情況，選擇通信線時要注意抗干擾，保證這些元件能在不同環境下工作。

4 結語

充電樁作為電動汽車配套基礎設施的重要組成部分，其智能化水平嚴重制約著電動汽車的發展。經筆者探索發現，電動汽車智能充電樁的設計是由硬件設施和軟件設施組成，硬件設施包括主控臺、IC讀卡器、顯示屏、通信、鍵盤等；軟件設施有中央控制程序、IC卡識別程序、通信程序、顯示程序、檢測程序和打印程序等，每個環節要相互配合才能使工作更加高效。另外還要考慮到環境因素和抗干擾能力等，以保障充電樁安全、有效運行，注重人機交互，使用戶可以自行鑒權，實現充電樁智能化。

參考文獻

[1] 劉朝輝.電動汽車智能充電樁的設計與應用[J].電子技術與軟件工程，2017（3）：248.

[2] 王旭，齊向東.電動汽車智能充電樁的設計與研究[J].機電工程，2014（3）：393-396.endprint