電動(dòng)汽車智慧共享充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探索

徐鴻杰　曲博　薛今超　李廷章　田彬

摘 要：針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車的充電難和充電安全問題，設(shè)計(jì)了一種智慧共享充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含5個(gè)子系統(tǒng)17個(gè)功能模塊，通過“一樁多車”技術(shù)降低安裝成本，利用“全時(shí)段預(yù)約”提高充電設(shè)備的利用效率并降低閑置率，采用“智慧啟?！奔夹g(shù)提高充電過程的安全性，以及實(shí)現(xiàn)“自主充電”以達(dá)成無人值守的目標(biāo)。模型實(shí)踐結(jié)果表明，該系統(tǒng)的使用可以降低電動(dòng)汽車的充電成本，提高充電便利性，同時(shí)也可以減少充電安全事故的發(fā)生，推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 充電難 充電安全 智慧共享

1 引言

隨著全球氣候變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和“雙碳”目標(biāo)的提出，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)在政策支持下取得了蓬勃的發(fā)展。目前，全國新能源汽車保有量已突破1000萬輛，其中純電動(dòng)汽車占比高達(dá)80%。然而，充電設(shè)施作為電動(dòng)汽車的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電動(dòng)汽車車主的使用需求。在充電過程中，過熱、爆炸、著火等安全事故時(shí)有發(fā)生，這使得“充電難”、“充電安全”問題成為了影響消費(fèi)者購買意愿的重要因素。

為了解決“充電難”的問題，眾多車企提出了三類解決方案：增加續(xù)航里程、開發(fā)超級(jí)快充、建設(shè)換電站。然而，這些方案普遍存在投入大、研發(fā)難、使用成本高等問題。政府和社區(qū)主要采取安裝個(gè)人充電樁、建設(shè)公共充電停車場(chǎng)的方式，這在一定程度上緩解了充電緊張的局勢(shì)。但是，小區(qū)容量不足、安裝困難以及公共充電場(chǎng)建設(shè)周期長、投入大等問題仍然存在。更為重要的是，已安裝好的充電樁普遍存在較高的閑置率，這成為了眾多學(xué)者和企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題。為了解決“充電安全事故”，使用者需要正確操作充電設(shè)備，管理人員需要定期檢查設(shè)備的安全性能，并使用符合標(biāo)準(zhǔn)的充電設(shè)備。此外，還應(yīng)遵守充電設(shè)備和電動(dòng)汽車的使用說明書，避免過載充電、長時(shí)間無人看管等不安全行為。然而，這些措施仍然難以解決電動(dòng)汽車長時(shí)間充電帶來的危害。

鑒于此，本文提出了一種智慧共享安全充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在充分發(fā)揮已建充電樁的使用效率的同時(shí)，有效解決過充問題，從而在一定程度上解決電動(dòng)汽車的充電難和充電安全問題。

2 系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理

為了實(shí)現(xiàn)充電樁的多車位、任意時(shí)段、智慧共享、過充保護(hù)等功能，設(shè)計(jì)了一種全新的電動(dòng)汽車智慧共享安全充電系統(tǒng)，其工作原理如圖1所示。用戶可以通過手機(jī)端進(jìn)行預(yù)約，之后充電設(shè)備會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到目標(biāo)車位，對(duì)目標(biāo)車位進(jìn)行自動(dòng)充電。當(dāng)電池充滿電或預(yù)約時(shí)段結(jié)束后，充電設(shè)備會(huì)自動(dòng)復(fù)位。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指令，充電樁會(huì)前往下一個(gè)用戶預(yù)約的車位，并循環(huán)執(zhí)行上述操作。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車智慧共享安全充電系統(tǒng)包含了用戶、移動(dòng)、定位、充電和控制五個(gè)子系統(tǒng)，其具體構(gòu)成如圖2所示。

2.2.1 用戶子系統(tǒng)

主要用于管理用戶信息，包括登錄驗(yàn)證、車位和時(shí)段查詢、充電預(yù)約、繳費(fèi)等信息管理，該子系統(tǒng)可以通過APP、小程序或網(wǎng)頁等方式實(shí)現(xiàn)。其包含四個(gè)功能模塊：

（1）登錄模塊：用于收集和存儲(chǔ)用戶個(gè)人信息，包括用戶名、聯(lián)系方式、車輛信息以及支付方式等。

（2）查詢模塊：允許用戶查詢空閑車位和充電樁情況，也可以查詢充電樁的空閑時(shí)段以及實(shí)時(shí)充電狀態(tài)。

（3）預(yù)約模塊：允許用戶預(yù)約所需的充電時(shí)長、充電量以及充電金額，并可預(yù)約具體的充電時(shí)段。

（4）繳費(fèi)模塊：用于在充電完成后自動(dòng)生成賬單并進(jìn)行支付。

2.2.2 移動(dòng)子系統(tǒng)

主要用于實(shí)現(xiàn)充電設(shè)備的移動(dòng)，可以通過XY軸平移的方式進(jìn)行。其可以由三相動(dòng)力電機(jī)配合2040型標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，組成基本移動(dòng)導(dǎo)軌，并提供系統(tǒng)動(dòng)力。該子系統(tǒng)包含以下三個(gè)功能模塊：

（1）導(dǎo)軌模塊：由系統(tǒng)XY軸構(gòu)成，使機(jī)械臂能夠通過導(dǎo)軌移動(dòng)到指定位置。

（2）齒輪模塊：固定在導(dǎo)軌XY軸的交點(diǎn)處，起到動(dòng)力分配的作用。

（3）動(dòng)力電機(jī)模塊：固定在導(dǎo)軌上并與齒輪相連接，為整套移動(dòng)子系統(tǒng)提供動(dòng)力來源。

2.2.3 定位子系統(tǒng)

輔助移動(dòng)設(shè)備定位到目標(biāo)車位、充電設(shè)備定位充電車輛和充電口位置。當(dāng)用戶掃描停車位二維碼后，工控系統(tǒng)會(huì)調(diào)動(dòng)機(jī)械臂通過滑軌移動(dòng)到指定車位，并激活單目視覺識(shí)別模塊來識(shí)別車輛的充電口位置，控制機(jī)械臂移動(dòng)至充電口，完成充電準(zhǔn)備工作。該子系統(tǒng)包含以下四個(gè)功能模塊：

（1）車輛定位模塊：根據(jù)用戶掃描的二維碼所設(shè)定的車位，將機(jī)械臂移動(dòng)至相應(yīng)的停車位。

（2）車輛識(shí)別模塊：當(dāng)機(jī)械臂移動(dòng)至停車位后，激活置于機(jī)械臂前方的攝像頭進(jìn)行車牌號(hào)識(shí)別。

（3）充電口定位模塊：車輛識(shí)別無誤后，工控系統(tǒng)調(diào)動(dòng)機(jī)械臂啟動(dòng)單目視覺識(shí)別模塊，對(duì)車輛的充電口進(jìn)行識(shí)別，控制機(jī)械臂移動(dòng)至充電口，完成充電準(zhǔn)備工作。

（4）機(jī)械手臂模塊：用于模擬手動(dòng)充電的過程。工控系統(tǒng)通過滑軌移動(dòng)后進(jìn)行車輛充電口的精準(zhǔn)定位。

2.2.4 充電子系統(tǒng)

當(dāng)定位子系統(tǒng)對(duì)接無誤后，機(jī)械臂的發(fā)射端會(huì)嘗試與車載接收端模塊進(jìn)行通信，獲取車輛剩余電量和VIN碼等信息后反饋至工控配電箱。根據(jù)VIN碼，配電箱會(huì)下發(fā)充電電流電壓等方案，并結(jié)合用戶在用戶子系統(tǒng)中設(shè)定的閾值電量和充電時(shí)間等進(jìn)行充電作業(yè)。該子系統(tǒng)包含以下三個(gè)功能模塊：

（1）發(fā)射端模塊：固定在機(jī)械臂的前端，與配線箱連接，并通過無線線圈與接收端線圈構(gòu)成回路。

（2）接收端模塊：安裝在車輛的充電接口處，其中的線圈固定在保護(hù)蓋之內(nèi)。當(dāng)識(shí)別到發(fā)射端的線圈后，開始進(jìn)行充電作業(yè)。

（3）通信模塊：負(fù)責(zé)在發(fā)射端和接收端之間進(jìn)行信息交互，獲取車輛剩余電量和VIN碼等信息后反饋至工控配電箱，并根據(jù)這些信息以及用戶預(yù)設(shè)的閾值電量和充電時(shí)間等執(zhí)行充電作業(yè)。

2.2.5 控制子系統(tǒng)

在系統(tǒng)安裝的停車場(chǎng)內(nèi)，每個(gè)停車位都配備有獨(dú)立的二維碼。用戶通過掃描二維碼進(jìn)入交互頁面后可以在用戶子系統(tǒng)中設(shè)定充電信息。這些信息會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至服務(wù)器中，并根據(jù)停車場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況和用戶的參數(shù)要求，在目標(biāo)時(shí)間下發(fā)至停車場(chǎng)工控系統(tǒng)中，以調(diào)動(dòng)智慧共享安全充電系統(tǒng)完成充電任務(wù)。該子系統(tǒng)包含以下三個(gè)功能模塊：

（1）二維碼模塊：將用戶通過小程序設(shè)定的信息轉(zhuǎn)化為二維碼，用戶掃描后可進(jìn)入交互頁面并聯(lián)動(dòng)用戶子系統(tǒng)。

（2）服務(wù)器模塊：采用租賃的方式部署在云端，負(fù)責(zé)將用戶手機(jī)端與設(shè)備工控端進(jìn)行鏈接，并根據(jù)用戶預(yù)設(shè)參數(shù)來下發(fā)指令至本地工控系統(tǒng)，構(gòu)成系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

（3）工控模塊：部署在設(shè)備配電箱中，用于接收服務(wù)器指令并與移動(dòng)子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)和充電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信，保障系統(tǒng)能夠按照用戶的指令正常運(yùn)行。同時(shí)，它還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并在發(fā)生漏電等突發(fā)事故時(shí)自動(dòng)控制電力斷開以保障安全。

3 系統(tǒng)實(shí)踐與探索

為驗(yàn)證方案的可行性，我們以圖3商超的公共停車場(chǎng)為例，布設(shè)智慧共享安全充電系統(tǒng)。在圖中，紅色橫條代表移動(dòng)導(dǎo)軌，綠色方塊代表可移動(dòng)的充電裝置。該停車場(chǎng)共有6個(gè)區(qū)域，可容納52輛車。如果采用智慧共享充電系統(tǒng)，只需鋪設(shè)6條導(dǎo)軌并安裝6個(gè)或7個(gè)共享充電裝置，便能夠?qū)崿F(xiàn)為全部車位的車輛進(jìn)行充電，與傳統(tǒng)每個(gè)停車位安裝一個(gè)充電樁相比，極大地降低了建設(shè)成本。

3.1 功能實(shí)現(xiàn)

3.1.1 用戶子系統(tǒng)

在每個(gè)停車位處，我們都設(shè)置了二維碼。用戶只需掃描這個(gè)二維碼，就可以使用相關(guān)的查詢、預(yù)約等功能。掃描的結(jié)果如圖4所示。

3.1.2 移動(dòng)子系統(tǒng)

在停車場(chǎng)的地面上，我們采用了卡槽導(dǎo)軌進(jìn)行固定，并使用了2040型鋁材和兩相混合式42步進(jìn)電機(jī)17HS4401S組合而成。通過該子系統(tǒng)，機(jī)械臂可以移動(dòng)到預(yù)定的充電車位進(jìn)行充電作業(yè)，同時(shí)也能起到底部固定的作用。

3.1.3 定位子系統(tǒng)

定位子系統(tǒng)包含停車位定位、車輛定位和充電口定位。停車位定位采用了工控系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶預(yù)約的車位自動(dòng)計(jì)算距離目標(biāo)的距離，然后按照命令在導(dǎo)軌上水平移動(dòng)。車輛定位主要采用了四自由度機(jī)械臂，模型的主體框架是由復(fù)合型亞克力板制作而成，控制方向和完成動(dòng)作的是模擬舵機(jī)，而整體的控制則是由STM32控制板來完成。機(jī)械臂的效果圖如圖5所示。充電口定位主要采用了攝像頭單目識(shí)別模塊，安裝在機(jī)械臂的頭部上方。我們采用了OV7670系列硬件識(shí)別方案，并配合預(yù)設(shè)程序?qū)⒁曈X圖片轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。這樣就可以識(shí)別車輛的充電區(qū)域，并調(diào)動(dòng)機(jī)械臂對(duì)接以便后續(xù)的充電作業(yè)達(dá)到最佳位置。

3.1.4 充電子系統(tǒng)

我們的模型使用了無線充電模式，包括發(fā)射端和接收端。無線充電模塊的發(fā)射端被安裝在了機(jī)械臂的前方，使用的是等比例縮小的線圈模擬。當(dāng)進(jìn)行充電作業(yè)時(shí)，通過機(jī)械臂以及視覺識(shí)別模塊的聯(lián)合調(diào)動(dòng)，使其對(duì)準(zhǔn)車載無線充電的接收端后，進(jìn)行電路鏈接并構(gòu)成回路。無線充電模塊的車載端則被安裝在車輛的充電接口上，固定在車輛的頂部。這個(gè)部分主要用來讀取車輛數(shù)據(jù)并與充電系統(tǒng)進(jìn)行交互以及電量的接收。通過聯(lián)動(dòng)工控系統(tǒng)，充電協(xié)議和充電方案得以確定?？紤]到目前大多數(shù)車輛并未配備無線充電接收元件，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)解決方案：用戶在掃碼預(yù)約時(shí)可以從智能柜領(lǐng)取一個(gè)充電模塊，直接插在充電口即可。我們相信，隨著方案的成熟和推廣，越來越多的電動(dòng)汽車將在出廠時(shí)配備無線充電器件，或者在后期進(jìn)行增配安裝。

3.1.5 控制子系統(tǒng)

我們的控制子系統(tǒng)是與系統(tǒng)的電力部分連接的，通過物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器進(jìn)行外部通訊。模型中使用了esp8266局域網(wǎng)內(nèi)控制的方式，用戶使用手機(jī)端便可以進(jìn)行整套系統(tǒng)的操控。掃碼后按照要求設(shè)定，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行充電作業(yè)。

3.2 實(shí)物模型實(shí)踐

模型實(shí)物圖和部分重要模塊實(shí)物照片見圖6-11所示。

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

4.1 “一樁多車”，降低安裝成本

智慧共享系統(tǒng)打破傳統(tǒng)“一車一樁”模式，將固定的充電樁形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)式。這一變革極大地減少了充電樁的安裝和使用成本，同時(shí)提高了充電樁的利用效率。

4.2 “全時(shí)段預(yù)約”，降低設(shè)備閑置率

智慧共享系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的“蹲守”充電模式，實(shí)現(xiàn)了電量、時(shí)長、費(fèi)用等多種形式的充電選擇，更實(shí)現(xiàn)了空閑時(shí)段的智能預(yù)約。用戶在停車時(shí)無法充電，可以選擇當(dāng)前車輛充滿或停止后的空閑時(shí)段進(jìn)行充電，這樣真正實(shí)現(xiàn)了充電樁的高效利用，降低了設(shè)備的閑置率，同時(shí)提高了投資收益。

4.3 “智慧啟停”，提高安全性

智慧共享系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際使用情況選擇充電方案，當(dāng)?shù)竭_(dá)閾值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)斷電并移走充電器。這種設(shè)計(jì)有利于降低電池循環(huán)次數(shù)，保持電池包處在最佳工作狀態(tài)和高容量，從而提高安全性。

4.4 “自主充電”，無人值守

智慧共享系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初就以便捷充電為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。利用高度集成的工控系統(tǒng)、視覺識(shí)別以及電量通信傳感器等技術(shù)，在硬件方面已經(jīng)達(dá)到了“無人值守”的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，通過手機(jī)端和服務(wù)器的托管控制，可以實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)操作、無人干預(yù)”的效果，真正意義上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化智能充電。

5 結(jié)語

智慧共享系統(tǒng)是一種創(chuàng)新的充電解決方案，通過“一樁多車”技術(shù)降低安裝成本，利用“全時(shí)段預(yù)約”提高充電設(shè)備的利用效率并降低閑置率，采用“智慧啟?！奔夹g(shù)提高充電過程的安全性，以及實(shí)現(xiàn)“自主充電”以達(dá)成無人值守的目標(biāo)。該系統(tǒng)不僅提高了充電的便捷性和效率，同時(shí)也注重了成本效益和安全性，是一種全面且實(shí)用的充電解決方案。

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)202310356007X）。

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