關于電動汽車充電樁的設計與研究

王夢楠WANG Meng-nan；沈旺旺SHEN Wang-wang；倪源NI Yuan

（中建科工集團有限公司，深圳 518000）

0 引言

在低碳經濟時代背景下，為緩解能源短缺矛盾，更好的保護生態環境，國家逐年加大對新能源汽車的扶持力度，電動汽車得到消費者的一致青睞，市場占有率大幅增加，這也是汽車行業的必然發展趨勢。而充電樁作為電動汽車使用環節的能量補給裝置，充電樁使用性能與設計水準，直接影響到電動汽車使用壽命，其重要性不言而喻。

1 電動汽車充電樁系統的設計方法

1.1 系統結構設計

充電樁系統由若干部分組成，以使用功能為依據，可以將系統結構拆分為核心控制模塊、充電模塊、通信與顯示操作模塊、保護模塊、采樣變送模塊五部分，系統結構如圖1 所示。

圖1 電動汽車充電樁

其中，核心控制模塊由控制板、控制芯片加以組成，負責控制各功能模塊的協調配合狀態，實現人機交互信息傳遞、輸入信息整理、運算分析、向終端充電樁設備反饋控制指令、HMI 與充電樁數據溝通等使用功能，以及在無人工干預條件下完成一些簡單性操作任務。充電模塊由高頻變壓器、整流濾波等部分組成，在接收核心模塊下達控制指令后，按指令調整用戶輸入數據信號，控制充電樁為所連接電動汽車充電，根據指令內容來控制充電方式及充電時間。通信與顯示操作模塊由CAN 總線接口、顯示屏和按鈕等部分組成，在界面向用戶顯示賬戶余額、本次充電金額、預計充電時間、電流值等信息，用戶在界面功能欄輸入信息，通過本模塊將信息發送至核心控制模塊，再將核心模塊所反饋信息顯示在屏幕上。保護模塊由過壓保護、短路保護、過溫保護及過流保護等多項安全防護措施及裝置組成，有著故障自診斷及控制的使用功能，在充電樁使用期間出現異常運行情況時，自動執行對應保護動作。而采樣變送模塊由多種傳感器組成，在充電樁使用期間，持續采集溫度、電流值、電壓等要素的現場監測信號，再將信號進行匯總整理后發送至核心控制模塊，用于判斷系統運行狀態。

1.2 硬件設計

充電樁系統的硬件結構由核心控制模塊、通信模塊、保護模塊、充電模塊、采樣變送模塊五部分組成，設計方法如下：第一，核心控制模塊。考慮到此模塊是系統的核心組成部分，負責完成現場監測信號轉換、目標值與設定值比較分析、邏輯運算、決策制定等復雜任務，要求模塊具備強大的數據處理與邏輯運算能力，可選擇STM32F103ZTE6型號芯片與ARM32 位Cortex-M3 CPU，這類芯片內核有著體積小、具備多種功耗模式、調試能力強、編程簡單、性能穩定的優勢。同時，對芯片與傳感器設計對應電壓等級的電源電路，如使用3.3V 電源電路向芯片供電，使用5V電源電路向傳感器供電。第二，通信模塊。選用RS232 串口，通過串口保持上位機和ARM 控制器的穩定通訊狀態，在系統運行期間提供遠程調控參數等服務，并通過串口連接打印機、刷卡機等配套設備。同時，設計CAN 通信電路，安裝氧化硅材質的CAN 轉換器，或是在主控芯片自帶bx CAN 控制模塊的情況下安裝一臺CAN 通信信號收發器來替代CAN 通信電路。第三，保護模塊。對安全保護裝置的選型設計，需要視充電樁系統保護功能而定，如在具備短路保護及輸出端過流保護功能時配置熔斷器設備，在系統具備交流輸入端浪涌保護功能時配置AM40C 等型號的防雷器設備，在系統具備過電壓與欠電壓保護功能時配置雙門限比較器設備，在系統具備過溫保護功能時配置溫度繼電器設備。第四，充電模塊。設計整流濾波電路、IGBT 裝置與高頻變壓器，整流濾波電路負責將輸入交流電轉為直流電供給至IGBT，IGBT 裝置基于驅動電路產生作用來將直流電轉為交流電，高頻變壓器在電路中把交流電最終轉為直流電充入蓄電池。第五，采樣變送模塊。由電壓、電流與溫度檢測電路組成。在電壓檢測電路中安裝LV25-P 等型號的電壓傳感器來持續檢測輸出電壓，在電壓值超限與到達充電時間后自動斷電。在電流檢測電路中安裝智能電能表，持續檢測充電模塊組的總輸出電流與實時電路電流值，將檢測結果發送至中央控制器和充電監控計費單元。在溫度檢測電路中安裝主控板及高頻電壓器等設備器件，持續監測充電樁工作溫度，在實時溫度超過限定值時自動執行開啟散熱系統、切斷電源等保護動作。

1.3 軟件程序設計

1.3.1 主控程序設計

一般情況下，可選用Keil uVision5 系統作為開發環境，此類系統有著操作簡單、易于學習、兼容C 語言軟件開發系統的優勢。隨后，為改善系統的擴展性能、兼容性能，使系統結構具備組態靈活的優勢，應采取模塊化設計方法，將主控程序分解為若干模塊，對各模塊制定專項設計方案，再將全部子模塊進行串接處理來形成軟件主控程序。

在主控程序運行期間，預先由待機狀態切換至開啟狀態，啟動初始化程序，進行一次自我檢查，如果存在故障問題則發送報警信號，根據自檢信號開展故障自診斷操作，確定無誤后登陸賬號，接收用戶下達指令來插入充電槍，在系統上選擇充電模式、按順序完成模式設定操作。隨后，用戶點擊“開始充電”按鈕，控制充電樁切換為工作狀態，向汽車蓄電池充電，在界面上實時顯示充電過程信息，在監測到蓄電池電量充滿后結束充電，進入結算步驟，拔出充電槍，直接從用戶賬戶余額扣款，或是由用戶自主選擇付款方式，結束本次充電，控制充電樁切換至待機模式。

1.3.2 子程序設計

充電樁操作系統由啟動程序、電壓檢測程序、電流檢測程序、A/D 轉換電壓檢測程序、溫度檢測程序與故障檢測程序六項子程序組成，這也是軟件主控程序的主要組成部分。其中，在啟動程序設計環節，設計故障自檢與修復功能，系統在初始化運行完畢后進行自我檢查，如果發現故障問題則進行修復，返回開始狀態，重復執行初始化、系統自檢步驟，待故障修復后完成啟動，反饋至主程序開展工作，而在故障未得到修復時，則進入關閉狀態。在電壓檢測程序設計環節，由核心控制模塊向電路發送電壓檢測信號，設定時間間隔，依次檢查母線電壓正負性與每次運行時的電壓，以三次檢測結果的電壓平均值為最終檢測值，如果出現電壓異常波動與超限情況，則向主控模塊反饋問題。在電流檢測程序設計環節，由核心控制模塊下達電流檢測信號，電流檢測模塊與時鐘模塊開展初始化作業，初始化完畢后啟動電流檢測程序，使用霍爾傳感器對電路實時電流值進行檢測，以多次電流檢測結果的平均值作為檢測值，將檢測結果以信號形式發送至存儲器，系統根據電流檢測值與設定值的偏差情況來采取對應反應。在A/D轉換電壓檢測程序設計環節，在主控模塊開發板中設計3個及以上的ADC 端口，在主程序啟動前開展初始化操作，完成設置操作后啟動A/D 轉換程序，連續完成10 次采樣作業，用于判斷A/D 轉換是否完成，對采取樣值進行分析和儲存處理，對采樣結果加以濾波處理，返回初始程序，如果采樣次數未達到10 次、或是采樣結果表明A/D 轉換未完成，則在采樣取值并儲存后返回至連續采樣步驟。在溫度檢測程序設計環節，主程序初始化完畢后向溫度傳感器下達控制指令，傳感器檢測與其序列號相對應的檢測點，將檢測值儲存并上傳，如果溫度值超過限值，則下達切斷供電、開啟充電樁散熱風扇、延時充電等指令。而在故障檢測程序設計環節，程序啟動后依次檢查是否存在缺相、過壓、過流、散熱器過熱的故障問題，在一切正常后進入充電樁工作狀態，在檢測到故障問題時采取對應措施，如開啟風機、斷開輸入交流接觸器等，重復檢查故障是否存在，如果故障仍舊存在，則向主控系統發送對應的故障碼。

1.4 人機交互界面設計

首先，結合項目情況與充電樁使用要求，在人機交互界面上設定充電參數，包括電池類型、充電方式、電壓/電流/充電金額等數據讀取欄，用戶在界面上設置各項充電參數，由系統程序讀取用戶數據執行電壓電流等參數的數據匹配操作，待數據匹配成功后，即可開始充電。其次，設計開機登錄界面，系統啟動后預先進入用戶認證界面，用戶在界面上輸入用戶名、賬戶密碼與驗證碼信息，可點擊登錄或是退出按鍵，且用戶識別未通過時顯示賬戶鎖定或賬戶密碼錯誤的功能按鍵，待用戶認證成功后，進入系統操作界面，顯示電池型號選擇、充電故障查詢、充電方式選擇等多個功能欄，用戶根據自身需求開展操作，待操作結束后點擊按鈕控制充電樁開始充電。同時，要求所設計人機交互界面有著簡單易懂、參數顯示全面、具備信息查詢功能與顯示清晰的特征，以滿足用戶的實際操作需求，如查詢剩余充電時間、蓄電池實時電量和賬戶余額。最后，在人機交互界面上設計各項功能欄，以電池型號選擇功能欄為例，功能欄中顯示鎳氫電池、鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池以及錳酸鋰電池和退出五項按鍵，以及顯示用戶名、賬戶余額等信息，用戶根據車輛蓄電池種類點擊對應按鍵，完成電池型號參數設定操作，設計人員也可以根據項目情況，對電池型號種類進行調整。

2 電動汽車充電樁系統設計的優化策略

2.1 充電樁效率優化設計

目前來看，在已建成電動汽車充電樁項目中，普遍存在電路功率因數小的問題，限制了充電樁功率的提升，使得電動汽車實際充電時間較長，并在充電期間損耗較大電能，違背了節能環保理念。因此，在充電樁系統設計方案中，應采取調節電路功率因數數值的方法來改善充電效果、提升充電效率與充電樁功率，具體方法包括設計提高、人工補償兩種，設計提高是做好變壓器選型設計工作、優化電路布線結構、合理選擇電氣設備種類型號，人工補償是在系統結構中安裝無功補償裝置來補償電氣設備及電路的無功功率。

例如，對原有方案中的PFC AC/DC 變換器控制方法進行改進，傳統控制方法本質上屬于一種雙閉環控制法，在充電樁長時間處于低功率輸出運行狀態時，存在著控制穩定性差、AC/DC 變換器占空比較小、采取ZVS 軟開關控制的問題，由此產生嚴重充電損耗，影響到系統工作效率，并在負載出現瞬時變化時出現主電路輸入電壓過沖現象。針對于此，可采取用于解決非線性系統問題的微分平坦理論來控制PFC AC/DC 變換器，根據已掌握信息來假定一組平坦穩定的輸出變量，使用變換形式，基于輸出變量值來表示系統輸入量及狀態變量，在證明輸出變量是平坦輸出的情況下，即可在輸出空間內設計參考軌跡。

2.2 充電終止控制設計

在電動汽車充電完成后，如果沒有及時停止充電樁對蓄電池的充電，會因此快速提升汽車蓄電池的工作溫度和內壓值，隨著時間推移，出現電壓負增長情況，嚴重時損害蓄電池使用壽命。如何避免過度充電，是早期充電樁系統亟待解決的一項重要問題。為解決這一問題，設計人員可選擇在系統方案中采取溫度控制法、電壓控制法、時間控制法或是綜合控制法，使充電樁系統具備自動斷電能力。首先，溫度控制法是在系統中安裝溫度傳感器或溫度探頭裝置，持續檢測蓄電池溫度，在蓄電池充滿電后，多余電能轉為熱能，使蓄電池溫度提升，在蓄電池溫度檢測值達到限定值后，向核心控制模塊發送特定信號，從而下達停止充電的控制指令，一般情況下，將蓄電池溫度限值設定為45℃，在溫度超過這一標準后，將進入浮充的充電模式，無法起到實際作用。其次，電壓控制法是通過安裝電壓檢測設備，在充電期間持續檢測實時電壓值，待蓄電池電量充滿后會出現電壓迅速提升至最大值的現象，基于這一現象來判斷蓄電池是否完成充電、是否出現電壓負增量情況，將信號反饋至核心控制模塊。再次，時間控制法是在軟件程序中預先設定充電時間，加裝時間控制器，在充電樁處于充電狀態后進行計數，計數值達到額定值后通過切斷電路來結束充電，此項方法有著易于實現、操作簡單的優勢，但控制精度較低，各臺車輛的蓄電池使用年限及性能存在差異性，有可能出現過度充電或是充電力度不足的問題。最后，綜合控制法是對上述三種方法的同時采納，對比溫度、電壓、充電時間等監測要素來判斷蓄電池電量是否充滿，有著極高的控制精度，但設計難度較大，并加大了充電樁系統的前期建設成本。

2.3 快速充電設計

為滿足不同消費者群體的電動汽車充電需求，在系統設計方案中，應設定快速充電內容，消費者可根據自身需求，在系統界面上選取常規充電方式或是快速充電方式。

以磷酸鐵鋰電池為例，常規充電方式包括恒流充電、恒壓充電、反射式充電與脈沖充電四種，而快速充電方式為分段式快充，將充電樁充電過程分解為預充電、分段恒流快速充電、大電流充電，分別起到保護汽車電池、在短時間內迅速向汽車電池提供電量、去極化負脈沖的作用。在快速充電設計環節，要求設計人員預先調查市面上常見電動汽車車型的磷酸鐵鋰電池性能參數等基礎信息，開展電壓測定試驗，基于電壓情況來設定快速充電方法的各階段電流值、預充電與分段恒流充電切換時間、大電流充電持續時間等參數，避免因充電電流值過大而破壞電池中活性物質恢復效果，或是因大電流充電時間設定不當而降低充電速度和出現電池極化問題。

2.4 光伏儲能式電動汽車直流充電樁設計

為控制充電樁的總體使用成本，節省電力能源和減少線損量，可選擇設計新型光伏儲能式的直流充電樁系統，在系統結構中加裝太陽能電池陣列、直流母線、儲能裝置、直流變換器等裝置，使用plc 可編程邏輯控制器作為系統主控裝置，基于光伏發電效應，在太陽光照射光伏陣列時，因電荷內部分布狀態改變而形成電動勢，在負載終止情況下產生電流，起到發電作用，并使用混合儲能裝置，在充電樁處于待機狀態時，將多轉換多余電能導入儲能裝置中保存。

2.5 充電功能測試

在充電樁系統設計完畢后，為驗證系統運行效果和穩定性，可以按照現行國際標準，開展系統基本功能測試和電氣防護測試作業，基本功能測試項目包括人機交互功能測試、通信測試、刷卡功能測試與線上支付功能測試，電氣防護測試項目包括沖擊電流試驗、絕緣電阻試驗、沖擊耐壓試驗、射頻電磁場輻射抗擾度試驗和輸出電流停止速率測試。

3 結語

綜上所述，電動汽車充電樁設計活動涉及到諸多方面，是一項較為復雜的綜合性工程，對設計質量及水平有著嚴格要求。設計人員必須掌握正確的充電樁設計方法與操作要點，嚴格控制各環節設計質量，正視原有充電樁系統設計方案中存在的缺陷問題，采取科學的優化改進策略，這對滿足實際充電需求、實現遠程操作與聯控管理目標、提高充電樁充電效率有著重要的現實意義。