電動汽車智能充電樁的設計與功能實現探究

趙斯衎

摘 要：現今，電動汽車已成為人們出行的必備工具，其市場占有率不斷增長。但續航能力不足及充電問題困擾著電動汽車行業的發展。因此，本文先概述了電動汽車充電系統的運行要求和充電方法，而后對其智能充電樁的設計與功能實現展開探究，以供參考。

關鍵詞：電動汽車 智能充電樁 系統設計

1 引言

電動汽車給人們生活帶來便捷、推動城市化發展進程的同時也造成了嚴重的交通堵塞和環境污染。在可持續發展和環境友好型的理念下，電動汽車生產行業逐步加大了新能源汽車的研發力度，在設計中融入清潔能源和高新技術的應用，旨在打造智能化的充電樁來解決電動汽車的續航和充電問題，以提高充電效率、增強用戶體驗。

2 電動汽車充電系統概述

2.1 運行要求

電動汽車的充電系統主要由充電樁、電池、集中器、充電管理系統四個部分構成，通過降低電源功率的方式將其中的能量輸送到蓄電池來完成充電工作。運行要求有：一要具備高度的安全性;二要具備操作簡便性;三要合理控制運行成本，避免能源浪費;四要確保充電效率高，以節省充電時間并降低能耗。基于當前電動汽車存在的續航能力差、耗電快、充電不及時等不足，優化智能充電樁的設計與功能實現極為必要。

2.2 充電方法

電動汽車的充電方式主要有四種：一是交流充電。與交流電網相連，通過充電機的過渡充電裝置將交流電流輸送到蓄電池中，具有充電時間長但安全性和穩定性高的特點，一般適用于小型電動汽車等[1]。可選擇220V或390V的交流電壓，為家用和環保清潔車等小型電動汽車進行智能充電。二是直流充電。可直接為電動汽車的蓄電池提供電源，通過地面傳輸直流電源，充電時間短，但穩定性不高、電池損耗大。常適用于小型快速充電或大型電動汽車，如電動公交車等。三是快速更換電池組。該方式雖節省了充電時間，但操作不便，且長時間使用中蓄電池能耗較大，成本較高。四是非接觸式充電。通過電磁感應、磁共振等裝置將磁能和電能進行轉化，具有快速、靈活、接觸性能好等特點。但目前該方式的應用受技術、資金等方面的制約。

3 電動汽車智能充電樁的設計與功能實現

3.1 硬件系統設計

智能充電樁的優化設計應先完善相應的基礎硬件設施的框架，其組成主要包括：中央主控板、IC讀卡器、微型打印機、檢測芯片、顯示單元裝置、監控裝置、GPRS通信模塊等，具體如圖1的框架圖。

在中央主控系統的設計上，要對主控板的控制充電系統的啟動、運行和停止等功能進行設計，以發揮其充電系統主模塊和有效監控其充電樁運行全過程的效果，以便借助多種通訊方式將運行中產生的數據及時收集和傳輸到后臺進行分析和處理[2]。例如可使用具有低功耗、接口資源豐富、處理速度快、控制力強等優勢的C44B0X微處理器來優化主控系統相關功能的設計，主要對上位機與控制器進行操作來增強控制系統和電池管理系統性能，以實現用戶自助操作、卡內余額查詢等功能，并根據用戶等級設計相應的監控權限，提高操作過程的安全性。同時完善CAN/LIN網絡建設，以便實現相關數據的通訊采集和統計。

為準確掌握充電樁的運行情況，需設計顯示和監控單元，連接好LCD顯示器、指示燈等硬件設備及各充電接口，用戶可通過LCD顯示器和觸摸屏上的按鍵進行操作，根據界面設置內容選擇需要的服務。當連接充電后，指示燈會顯示當下充電狀態，燈顏色由紅轉綠即為充電完成。廣大電動汽車用戶便可開啟智能化的自助服務，可進行充電卡余額查詢等，電量、充電時間等詳細數據會自動顯示。監控單元的設計主要是對智能充電樁的運行狀態進行監督，將采集到的模擬量傳輸至開關量采集模塊，向用戶顯示準確的充電需求量。當發生充電故障時，其會立即切斷電源，并反饋具體信息和啟動安全保障功能。當完成充電后，由開出控制引導用戶將電動汽車開出充電樁，以供其他用戶繼續使用。

3.2 軟件系統設計

軟件系統的主要作用是將各功能模塊高效結合起來，實現各模塊功能的相互作用、協調和配合，確保充電樁順利開展充電工作。軟件系統的功能框圖如圖2。

第一，在主控系統的設計上，首先，連接好主機、應用服務器、web服務器、存儲服務器等軟件元件架構。其次，結合電動汽車的類型和用戶的充電消費需求等在系統中設計合理的自動匹配充電方案，以向用戶提供優質的自動化充電服務。當用戶選定服務后，主控模塊自動啟動通訊模塊的功能將相關數據信息傳輸到系統的各單元模塊中，向各硬件模塊發送操作指令，實現智能化、自動化的充電操作。同時，在運行中自動采集用戶的消費數據，如充電量、充電樁的運行數據、消費金額等，并達到信息優化配置的效果。

第二，在安全管理系統的設計上，從保障數據的安全性與保密性著手，優化設計解密模塊、密鑰管理模塊、數據加密模塊等。首先，構建DBMS，設計好相應的DDL、DML模塊，以實現對數據的定義和操縱功能。其次，利用數據加密技術或加密軟件，并設置安全密鑰完善數據庫系統的設計。最后，將之與現有的CRM系統、ERP系統相結合，當用戶在刷卡操作時會產生數據交互，整個系統應實現對用戶個人信息和數據進行自動識別和加密處理的功能，并自動啟動密鑰管理系統的保護，以防止重要信息外泄，保障用戶信息安全。

第三，在遠程通信系統的設計上，融合GPRS技術的應用，安裝遠程視頻監控系統，實現對智能充電樁遠程定位控制的功能。

第四，在人機交互系統的設計上，主要是對界面內容進行設計，如歡迎界面、充電界面、付款界面等。利用與主控系統的交互，借助計算機的輸入輸出指令以及多點觸控技術模擬人與計算機的對話，使用戶在充電樁操作界面通過滑動、點擊、放大縮小等動作來獲取相應的數據信息。

第五，在軟件系統程序的設計上，要優化流程編寫和設計，如IC卡識別、連接是否正確、充電模式選擇、是否充電、充電結束、計費等，確保各環節操作準確。

在設計好后，用戶便可通過刷卡的方式進行電動汽車的充電操作。在指定區域刷好卡后，智能充電樁機器界面會顯示具體操作流程，用戶只需按照提示選擇自己需要的充電模式并連接上充電接口即可。

3.3 環境兼容系統的設計

電動汽車智能充電樁的設計應高度融合綠色、環保設計理念，優化環境兼容系統的設計，降低能源資源耗損的同時減少環境污染，從而進一步推動環境友好型社會的發展。

首先，綜合考慮電動汽車充電的影響因素和用戶需求，明確智能充電樁的設計原則和要求。利用云計算技術對智能充電樁數據庫系統的數據構建數據關系模型，并分析數據信息的特點，以實現大數據兼容的功能，從而對智能充電樁進行控制。其次，由于充電樁一般設置在室外，因此要充分考慮夏天的高溫暴曬和狂風暴雨、冬天的雨雪冰凍等自然因素會帶來的不良影響。因而智能充電樁的安裝設計應考慮周圍的環境、氣候等因素。而后，為避免電磁干擾，可選擇工業級別的零部件裝置，降低溫度、環境的負面影響。最后，在電氣設計上，要融入防雷器的運用，采用壓敏電阻優化電路的防靜電設計，通過雙向瞬態抑制二極管、磁環、磁柱等來加強對通訊線路的防靜電保護，以避免受到電磁的干擾[3]。

4 結語

新時代背景下，要想增強電動汽車的市場競爭力，還應優化新能源、互聯網技術、人工智能技術在電動汽車智能充電樁系統中的融入應用，完善硬件、軟件、環境兼容等系統的設計，有效解決其續航和充電問題，從而增強用戶充電體驗，實現電動汽車的規模化生產，提升電動汽車行業的經濟、社會和生態效益。

參考文獻：

[1]楊晶.電動汽車智能充電樁的設計[J].電子技術與軟件工程，2019（11）：214-215.

[2]王孟濤，張妍.面向互聯網的電動汽車智能充電系統設計與應用[J].湖北農機化，2019（16）：141.

[3]曹新穎，史辛琳，劉琳娜，等.分析電動汽車智能充電樁的設計與實現[J].科技風，2019（15）：6.