高速公路服務區電動汽車充電樁的設計與應用研究

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wCcst.2025.04.001

文章編號：1673-4874（2025）04-0001-04

0 引言

發展新能源汽車產業是我國的一項基本國策，也是汽車強國的必由之路。2023年，我國電動汽車產量達到670.4萬輛，占新能源汽車總量的 76% 。隨著人民生活水平提高，安全、快捷的高速公路常成為出行的首選[1。特別是在重大節假日對7座（含7座）以下客車實施高速公路通行優惠政策時，高速公路車流量激增，電動汽車充電慢、找樁難的問題便十分突出。國家和各級政府重點支持充電設施建設，如《廣西新能源汽車充電基礎設施規劃（2021—2025年）》要求“一類、二類高速公路服務區小客車停車位按不低于 20% 的比例建設充電基礎設施，宜優先配置快充”。

服務區充電需求是提升功率從而縮短充電時間，滿足日常充電及節假日超負載運行的要求，本文使用雙槍動態負載均衡直流快充技術，單槍輸出功率在 60～ 160kW調節[2]；通過設計充電樁架構、硬件、軟件與聯網軟件，實現“云一站一端”的自動化運行，帶給客戶便捷、舒適、優質的充電體驗3，緩解“充電焦慮\"問題。

1直流充電樁的設計原理概述

直流充電樁采用一樁雙槍設計，可為兩輛汽車同時充電，提高場地使用率。充電樁是一個終端設備，還需具備電力計量、結算、遠程監控、故障診斷和數據統計等功能，需要在“樁-站點-管理平臺”之間設計信息化管理系統，實行無人值守，其設計原理如圖1所示。輸入端為380V工頻交流電，采用多個電源模塊調壓，電源模塊與充電主控模塊采用CAN（控制器局域網絡）總線傳遞數據[4]；單個模塊功率為20kW，單槍功率可達160kW[5]，輸出直流電壓為 200～7501 /、電流為0～250A；A槍和B槍獨立工作，充電樁與汽車BMS（電池管理系統）采用CAN通信，能解析動力電池參數，確定最大充電電壓和電流，建立良好的人機交互界面，滿足客戶的需求。

圖1直流充電樁設計原理框架圖

2 設計方案

方案以集成物聯網技術為基礎，以實現“樁一站點一管理平臺\"的自動化與智能化為目標，充電樁主要由硬件、軟件、通信網絡組成。硬件包括內、外兩部分：外部硬件包含充電槍、充電柜、配線柜等；內部硬件有逆變器、變壓器、整流器、濾波器、繼電器等。軟件采用Java、Py-thon、C++語言、卡片管理程序以及控制邏輯，支持付費和充電協議，促使軟件與硬件協同運行，云平臺接收樁的實時數據并實施監控。以下從充電樁架構、硬件及軟件的設計展開論述。

2.1直流充電樁架構

直流充電樁架構基于物聯網控制理論，主要由設備層、通信層、云平臺層和應用層四個結構層構成，如圖2所示。各架構層功能如下：

（1）設備層。包含充電樁、變壓器、電池管理系統等，完成電能的轉換、傳輸和存儲過程，充電樁是核心硬件設備。

（2）通信層。通信層作為軟件的主體部分，采用以太網、CAN總線、無線通信等，負責設備層與云平臺的數據傳輸和通信，對數據實時采集、傳輸和處理，完成遠程監控。

（3）云平臺層。是數據中心和智能控制中心，提供充電服務優化、故障預警和遠程診斷等功能，支持站點的遠程管理和運維。

（4）應用層。提供充電樁與客戶交互的接口，包含充電APP、Web網站、運維APP等形式，為客戶提供站點查詢、預約、支付、記錄查詢等服務，為運維人員提供遠程監控、故障排查、數據分析等功能。

2.2 硬件設計

硬件設計主要采用拓撲圖完成電路設計，遵循模塊化原則，將電源模塊、充電模塊、人機交互模塊、通信模塊、安全保護模塊分為獨立子功能，便于模塊維修、互換和升級。

2.2.1直流充電樁主電路拓撲圖

主電路拓撲圖包含動力電源輸入、功率變換、輸出開關、充電主控模塊、人機交互、充電電纜和車輛插座、計量單元等，如圖3所示。

圖2直流充電樁系統架構圖

圖3直流充電樁主電路拓撲圖

圖5軟件整體設計示意圖

2.2.2主控模塊設計

選擇STM32F407ZGT6主控模塊作為控制核心，對主控模塊的電源、接地、模數轉換器接口、數字輸入輸出接□、通信接口進行設計，完成電源模塊、人機交互模塊、通信模塊、安全保護模塊的控制；通過外設接口CAN、USART、UART、以太網，滿足控制需求，如圖4所示。

圖4主控模塊設計示意圖

2.3 軟件設計

軟件設計主要有兩方面：（1后臺通信和數據入庫；（2）前臺界面能顯示和查詢數據，并具備報表功能。

2.3.1軟件總體設計

軟件設計分為嵌入式和人機接口組態，共有應用層、操作系統層、抽象驅動層和硬件驅動層等四個功能層，如圖5所示。

（1）硬件驅動層。負責硬件設備的初始化、配置和通信，通過API函數驅動程序對底層硬件直接操作。API函數提供對主控模塊外設（如GPIO、ADC、DAC、CAN、UART等）的底層訪問接口，完成對充電樁的電流與電壓采集、充電狀態指示、通信接口初始化與數據傳輸等。

（2）抽象驅動層。對硬件驅動層進行抽象，提供統一的接口給上層使用，支持充電樁的升級和擴展。

（3）操作系統層。及時處理各種任務和請求，支持多任務執行。

（4）應用層。提供直觀易用的客戶界面，支持多種充電模式、計費方式、客戶認證等功能，還具備數據分析和決策功能，優化充電服務。

2.3.2人機接口設計

觸摸屏界面設計。RS-232接口與控制主板通過標準的串口線，完成人機交互，界面直觀顯示雙槍狀態、交費方式、參數監控等三項功能。

（1）觸摸屏顯示雙槍信息和工作狀態，如槍所在的充電樁編號、相關應急措施和報修電話等。

（2）直觀的支付界面，可查詢支付記錄。

（3）動態展示充電的電壓、電流、功率等關鍵參數。

2.4平臺聯網軟件設計

因高速公路服務區之間距離較遠，站點與后臺需要實施數據化管理。應用層采用MQTT（消息隊列遙測傳輸）協議，連接云平臺，完成“云-站一端”控制。

2.4.1MQTT協議

協議應用分為兩種：

（1）同步響應，專為遠程設備在網絡欠佳時設計，能夠建立消息交換機制，支持站點的遠程監控、數據收集與分析、支付與結算等。

（2）異步通信，基于發布/訂閱模式，提供客戶端與服務器的消息交換；如啟動及停止充電，故障報警信息發送到后臺管理系統或維護人員。

2.4.2 JSON格式

JSON（JavaScript對象表示法）是輕量級的數據交換格式，通過“名稱/值\"構建的集合，用于充電樁管理后臺通信的實體報文，實現以下功能：

（1）數據定義。后臺對充電樁的數據結構采用JSON格式，明確字段的含義和數據類型。

（2）數據解析與生成。后臺采用Java、Python、C++等語言對JSON格式數據的解析與生成，如Java中的Jackson模塊，程序內部數據結構通過序列化為JSON字符串。

（3）網絡通信。后臺通過網絡將發送給充電樁的數據結構，序列化為JSON字符串；后臺也接收充電樁送來的JSON格式數據，解析為程序內部數據結構。

（4）邏輯處理。后臺在解析充電樁送來的數據后，會根據業務需求進行邏輯處理，如更新充電樁狀態、記錄充電記錄、發送控制指令等。

2.4.3后臺交互設計

主要從通信協議、數據交換格式、接口設計、安全性、實時性與并發處理、故障處理與日志記錄、擴展性與兼容性等展開。

（1）通信協議。TCP/IP協議用于充電樁與后臺的數據交換；設備間采用MQTT協議，支持發布/訂閱模式，傳遞實時消息。

（2）數據交換格式。后臺與充電樁通過JSON格式傳輸數據，如樁狀態、充電記錄、指令等。

（3）接口設計。RESTfuI的API接口設計應用于前端或第三方系統，能區分請求和響應格式。

（4）安全性。加密的數據使用HTTPS協議，授權客戶才能操作，防止數據被竊聽或篡改。

（5）實時性與并發處理。采用消息隊列和緩存機制，保障數據處理的實時性和高并發能力，應用WebSocket技術實現實時通信。

（6）故障處理與日志記錄。捕捉和處理故障，記錄詳細的操作日志和系統日志，完成問題追蹤和性能分析。

（7）擴展性與兼容性。預留接口和字段能夠兼容不同廠家、不同型號的充電設備。

3直流充電樁應用案例

以某公司在服務區運行的直流充電樁為例，通過展現客戶端、充電樁顯示屏、云管理平臺界面，驗證設計的可行性。

3.1客戶端充電小程序

小程序能實現以下功能和實時信息。

（1）定位與找樁。通過地圖搜索最近站點的位置及信息，如站點的名稱、地址、距離、樁數量、充電功率等，快速適配充電需求。

（2）預約充電。支持預約空樁，減少等待時間。

（3）掃碼充電。掃描樁上的二維碼，簡化充電流程。

（4充電監控。實時監控充電進度、剩余充電時間、電費等信息，充電完成后發送提醒消息。

（5）費用結算。支持微信、支付寶多種結算方式。

（6）故障報修。對故障樁在小程序上進行報修，提示站點及時維修。

（7）個人中心。包含注冊登錄、預約管理、充電記錄、訂單查詢、充值顯示、賬戶余額等功能，客戶能查看個人及充電信息。

3.2充電樁顯示屏界面

顯示屏能實現以下功能和展示實時信息，如圖6所示。

（1）充電信息顯示。如樁位信息、槍狀態、客戶信息、充電監控、費用信息、電池信息等。其中，充電監控是重點，直接顯示充電時間、金額、電量，用進度條直觀顯示充電百分比。

（2）充電過程操作。客戶可以操作觸摸屏，完成充電的啟動及停止，也可選擇充電模式、需求設置，充電完成時提醒客戶正確還槍。

（3）故障及報警。根據屏幕顯示流程，客戶對故障樁進行報修。

圖6充電樁顯示屏界面示例圖

3.3 云管理平臺

平臺界面能匯總所有充電設備的充電數據和故障信息，如圖7所示，展示站點分布情況，對設備狀態、使用率、充電次數、時長、金額、用電量、故障等進行統計顯示，也可查看每個站點的信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗等。

（1）實時監控。監控雙槍的充電狀態和電流、電壓、功率等關鍵電力參數。（2）交易管理。管理員可對客戶賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，查看站點交易詳情。（3）故障管理。管理員查看故障信息和任務調度，運維人員可通過運維APP接收任務和完工上報。（4）統計分析。對充電樁的充電數量及次數、時長、時段、頻率，還有電費收入、服務費收入、在線狀態、負載率、使用率、能耗統計。（5）基礎數據管理。運營商能開展價格策略、折扣、優惠活動。（6）運維APP。運維人員對站點和充電樁進行故障閉環處理、查詢流量卡、充電、充值情況，遠程設置參數，接收故障推送。

4結語

本文基于160kW大功率直流充電樁雙槍方案，系統闡述主控模塊、電源模塊、通信模塊、人機交互軟件單元設計，驗證設計方案能滿足兩臺電動汽車的充電需求；某公司安裝在服務區的充電樁已安全運營一年，電動汽車充電約40min、可達額定功率 80% 、能行駛 200km 以上，有效解決服務區內電動汽車找樁難、充電慢的問題，緩解充電焦慮，帶給客戶更加靈活、便捷的充電體驗；同時充電站可無人值守、實現“云-站-端\"智能監控，達到安全標準，提升運營公司的經濟效益。隨著電動汽車的動力電池功率增大，充電功率和速度不斷提升，高效快速充電技術進一步迭代升級，配備智能溫控系統的直流液冷充電技術開始在服務區內推廣，能提供快速、安全、智能的充電服務，促進廣西“綠色交通”和“綠色供能”的發展。

參考文獻

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