人機交互式充電樁超時占用警示及自適應節能防護系統設計

●湯清文 馬曉春 王泓凱 郭 慧

目前，汽車行業正處于全面放開的關鍵節點上，我國新能源汽車數量短時間內迅速增長，隨著“實施工業產品準入制度改革，推進汽車、電子電器等行業生產準入和流通管理全流程改革。”等國家政策的施行，中國汽車將進入一個全新的時代，但與之配套的充電基礎設施卻處于相對不足的狀態，這已經成了制約新能源汽車推廣普及的主要因素。充電基礎設施作為電動汽車產業鏈中重要組成部分，其對電動汽車未來的發展起著關鍵的作用。但現有技術中新能源汽車在公共新能源車位中充滿電后駕駛人往往不能將車輛及時開走，且無法得到有效提示，造成大量公共資源浪費，充電樁利用率低下，停車場交通擁堵。同時新能源充電樁依靠電網運行，且新能源車輛在充電過程中太陽暴曬溫度較高，充電樁連續工作時間較長，充電樁高溫防護和節能性較為短板，存在新能源汽車電池自燃和影響充電樁工作效率的隱患。尤其在節假日期間，相關停車場車流量較大，充電位車位使用緊張的情況下，以上問題尤為突出，已經成為影響和制約新能源汽車經濟發展的重要因素，截至目前，此類問題仍沒有得到妥善的解決，仍廣泛存在當前社會，已成為制約我國新能源汽車產業發展的關鍵問題，對此，各類充電樁設計也層出不窮。

國內學者對其系統設計有所涉及，主要通過對車牌進行識別，進而控制車位鎖[1-2]。通過車載系統進行提示[3]。通過云平臺實時檢測車輛及充電樁工作狀態和耗電量參數[4-5]。上述驅離手段相對較少，方法單一，車主驅離車輛主動性不高，同時無法時充電樁對其自身工作狀態進行實時調節，能源利用率低。因此，現在亟需一種充電樁綜合系統設計來解決以上的問題。本設計順應新基建發展趨勢，利用移動互聯網等技術創新運營服務方式，特別是利用大數據、互聯網、物聯網等核心技術實現充電樁和新能源汽車間的雙向互動，采用“互聯網+ 充電”的運營模式和自適應節能和熱防護的工作模式，對解決充電樁焦慮、充電樁利用率低、降低新能源車電池高溫自燃的風險，充電樁節能性能缺失和自適應熱防護等問題，滿足用戶剛性需求，解決目前限制我國新能源車發展，并減輕企業運營壓力，提高消費者信心，為新能源電動汽車營造良好的消費環境有著重要意義。

一、系統設計要求

1.充電樁超時占用警示系統設計。（1）充電樁終端系統設計。超聲波測距傳感器實時檢測其正前方的車位是否有車輛進入（設置檢測距離閾值，當超聲波測距傳感器檢測前方物體距離小于其設定的閾值時，即代表車位有車輛駛入），同時電池管理系統檢測車輛電量是否充滿，并將數據匯總傳輸到存儲器，存儲器接受數據并暫存后，將數據存儲并傳輸到1 號單片機，1 號單片機對數據進行進一步處理。如車輛電量已經充滿但是車輛并未駛離時，1 號單片機將信號處理后的數據傳至2 號單片機，2 號單片機隨即控制2 號繼電器啟動，使蜂鳴器工作，車位LED 燈帶發出紅色急速閃光，并由無線射頻模組向用戶移動終端發送無線信號，通知車輛電量已經充滿并立即駛離車位。（2）用戶終端系統設計。通過無線射頻模組控制用戶移動終端，用戶手機上的小程序就會發出提示，例如，使手機馬達震動并使揚聲器發出驅離提示，同時彈出車輛電量已經充滿的窗口提示，同時小程序開始計時，當計時達到其相應的設置閾值后，如果車輛在規定時間內沒有駛離車位，將對用戶賬號扣除一定的信用積分，同時控制手機馬達與揚聲器循環工作；當用戶的信用積分扣完，下次此用戶再次前來充電時，相應提高收費金額。以達到對在公共新能源車位中充滿電后駕駛人不能將車輛及時開走情況的警示與驅離作用，提高公共充電樁的利用率，緩解停車場交通擁堵。

2.充電樁自適應節能防護系統設計。（1）充電樁自適應防護系統設計。本系統在使用前需根據充電樁內部材料的耐熱性設置溫度閾值，當充電樁處于工作狀態時，溫度傳感器實時監測充電樁內部溫度；在溫度高于閾值時，溫度傳感器將信號通過儲存器傳輸給1 號單片機，單片機通過控制1 號繼電器啟動電機從而帶動傳動軸、最終使葉片旋轉將充電樁內部氣體從散熱窗排出；在溫度低于閾值時控制繼電器控制電機停止運轉，但此時仍然可以通過散熱窗進行自然狀態下充電樁內外氣體交換達到散熱目的。在整個散熱過程中，充電樁內部溫度可通過顯示屏實時顯示。以達到在新能源車輛在充電過程中充電樁長時間工作以及太陽暴曬溫度較高而造成工作效率降低和充電安全隱患的問題。（2）充電樁自適應節能系統設計。本系統在使用前需根據光伏板具體工作參數設置相應的光線強度閾值，系統內的光線感知模組實時檢測充電樁上方光線狀態，當其光線強度達到所設定閾值后，光線傳感器將信號通過儲存器傳輸給1 號單片機，單片機通過控制1 號繼電器啟動油壓泵，油壓泵帶動收縮部件向左端移動，其伸縮結構開始伸長，帶動連接頭向左端移動，移動槽內側表面涂有材料為橡膠的增磨層能夠增大摩擦力避免打滑，主動導片帶動若干組光伏層向左端進行伸張，直至將太陽能光伏板拉伸至極限，太陽能光伏板拉伸的同時將隔溫簾布展開，能夠有效降低新能源車和充電樁工作溫度，且太陽能光伏板將太陽能轉化為電能，光電存儲倉內部安裝有電量儲存裝置，從而將電能儲存在光電存儲倉內部，并有效節省電網的電能消耗；當其光線強度低于所設定閾值時，單片機通過控制1 號繼電器啟動油壓泵，油壓泵帶動收縮部件向右端移動，其伸縮結構開始收縮，將光伏板回收，防止光伏板在惡劣天氣條件下損壞。

二、超時占用警示及自適應節能防護系統的結構及工作原理

1.結構設計。設計的人機交互式公共充電樁超時占用警示及自適應節能防護綜合系統的硬件組成部分主要由充電樁防護與節能綜合系統與充電樁警示系統兩部分組成。其中，充電樁防護與節能綜合系統主要由電源管理系統、超聲波測距傳感器、光線感知模組、溫度傳感器、存儲器、1 號單片機、1 號繼電器、電機、工作狀態指示燈、前框、隔溫簾布、光伏板收縮裝置油泵、光伏板等結構組成；充電樁警示系統主要由頂棚、樁體、顯示屏、散熱窗、2 號單片機、2 號繼電器、蜂鳴器、LED 燈帶、無線射頻模塊等結構組成。

電源管理系統由電網和光電存儲倉組成，光伏板存儲的太陽能儲存在光電存儲倉中，能夠有效節省電網的電能消耗。電機上下兩側裝有若干固定腳，固定腳外側安裝有固定板，從而將電機與固定板連接牢固。電機尾部裝有傳動軸，用于控制葉片轉動以達到散熱的目的。葉片外部裝有防護網與擋板，用于保護葉片。電機外部裝有框架，框架內側開設有導熱槽，用于導出熱量。框架左右兩側安裝有溫度傳感器。溫度傳感器通過導線與內殼體相連，內殼體中裝有存儲器、1 號單片機與1號繼電器。電機與內殼體外部整體套有外殼體。

前框由金屬材質制成，為活動結構，用于帶動光伏板與隔溫簾布伸長。前框上部安裝有光伏板，光伏板由實心塊、光伏層與移動槽等部件構成，每塊光伏板之間通過固定栓與連接導片、主動導片與收縮部件相連接，底部裝有油壓泵，用于帶動導片與光伏板的移動。光伏板右端安裝有光電存儲倉。前框下端兩側安裝有隔溫簾布，隔溫簾布內部裝有隔溫材料，用于降低新能源車和充電樁在充電時太陽暴曬導致的升溫。前框底部安裝有磚墊，磚墊為一種吸水磚，磚墊兩側均開設底槽。

頂棚表面涂有防氧化防腐蝕涂層，用于延長頂棚材料的使用壽命。頂棚上端安裝有SMA 全網通接口天線用于向用戶終端發送無線信號。頂棚與樁體通過連接板相連，樁體正面外側上部安裝有工作狀態指示燈，用于提示用戶充電是否完成。樁體外側正面中部安裝有顯示屏，用于顯示充電狀態和充電樁溫度等參數顯示。樁體外側正面下部安裝有超聲波測距儀，用于探測前方車位，以距離為依據判斷車位是否有車輛。樁體側表面安裝有散熱窗，用于加快散熱速度。散熱窗旁安裝有蜂鳴器，用于發聲。樁體側表面安裝有線管接口，用于連接充電槍頭。車位底部安裝有環繞式LED 燈帶，用于發出紅色急速閃光以驅離用戶。

2.工作原理。該裝置主要分為充電樁防護與節能綜合系統與充電樁警示系統兩部分。二者緊密結合，互相傳遞信息，最終傳入客戶移動終端，警示用戶驅離車輛，并使公共充電樁達到自適應節能與防護的目的。當汽車駛入充電樁后，超聲波測距傳感器探測前方車位，當汽車距離達到超聲波測距傳感器探測范圍時，超聲波傳感器將信號通過存儲器傳遞至1 號單片機，繼而控制1 號繼電器啟動，使工作指導燈變為待機狀態。當待充汽車電源充滿時，電源管理系統檢測此信息，通過存儲器傳遞至1 號單片機，1 號單片機傳遞至2 號單片機，進而控制2 號繼電器帶動蜂鳴器鳴叫，車位外圍的LED 燈帶閃爍，最后通過無線射頻模塊向用戶移動終端發送無線信號，提醒用戶盡快驅離車輛，并控制手機執行相應動作。當用戶按時駛離車輛后，超聲波測距傳感器探測距離內檢測不到汽車，蜂鳴器、LED 燈帶，無線射頻模塊停止工作，工作指導燈變為停止工作狀態。同時溫度傳感器接采集的電樁溫度信號，當溫度達到或超過設定閾值時，通過存儲器將信息傳遞至1 號單片機，1 號單片機將此信息進一步處理轉化控制1 號繼電器驅使電機啟動，對充電樁系統進行降溫。

充電樁放電工作主要有電源管理系統智能分配由電網和光電儲存倉釋放電能，為待充汽車進行電能補給。關于光電儲存倉，由光線感知模組對于接收到的光線信號進行處理，當光線強度達到或超過設定閾值時，將此信息通過存儲器發送至1號單片機，1 號單片機進一步進行數據轉化控制1 號繼電器控制光伏板收縮裝置油泵使光伏板展開，光伏板接收光能，進行光—熱—電的能源轉換，將轉換完成的電能儲存于充電儲存倉內。而當光線強度未達到設定閾值時，繼電器1 控制光伏板收縮裝置油泵使光伏板收縮。關于放電，當汽車駛入充電樁后，超聲波測距傳感器探測前方車位，以距離為判定依據判斷車位是否有汽車存在，并將此信息通過存儲器傳遞至1 號單片機。當充電槍頭插入時，電源管理系統控制電網和充電存儲倉釋放電能，同時存儲器傳遞至1 號單片機，1 號單片機將兩種信息進一步處理轉化控制繼電器使工作指示燈變為工作狀態，汽車進行電源補給。

三、結語

本系統對于充滿電的車輛停在充電樁車位上超時占用停車位資源和充電樁資源的情況，本裝置并非采取硬性的收費方式減少資源浪費，而是通過人機交互的方式使公共充電樁、新能源車輛、駕駛人手機進行三者互聯的方式強制提醒+ 信譽積分系統相結合的方式來促使駕駛人移走車輛，強度更大，效果更明顯同時更加人性。

本系統對于新能源車輛和充電樁在充電過程中太陽暴曬溫度較高，引起的車輛自燃和充電樁工作性能降低的情況給出了自動實時檢測，自適應降溫的解決方案，大大提高了充電的安全性和穩定性。

本系統響應國家節約能源的號召，首次把光伏板光電系統加入充電樁系統中，使充電樁使用過程中的能源利用率和經濟效應大大提高。