安科瑞 陳聰

摘要：隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對環(huán)保、節能等問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注。新能源汽車(chē)作為一種新興產(chǎn)業(yè)，具有*排放、低噪聲、高效率以及便捷性等優(yōu)點(diǎn)，但在其推廣過(guò)程中面臨一些困難，其中之一就是配套設施建設滯后帶來(lái)的不便。提出一種基于直流變換器的電動(dòng)汽車(chē)充電系統設計方案，旨在解決現有充電設備存在的諸多不足。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電樁；電路

0引言

傳統的交流充電方式存在體積大、效率低、安全隱患多等缺陷，因此開(kāi)發(fā)一套先進(jìn)、可靠且適用范圍廣的充電系統成為當務(wù)之急。文章旨在深入探究新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢，力求探索出行之有效的解決方案，推動(dòng)我國新能源汽車(chē)行業(yè)快速健康發(fā)展。

1電動(dòng)汽車(chē)充電樁的總體方案設計

1.1充電樁的基本原理

充電樁的輸入端與交流電網(wǎng)直接連接，輸出端裝有充電插頭為電動(dòng)汽車(chē)充電。人們可以使用特定的充電卡在充電樁提供的人機交互操作界面刷卡進(jìn)行相應的充電操作和費用數據打印等。充電樁顯示屏能顯示充電量、費用以及充電時(shí)間等數據。

充電樁是一種將電能轉換為其他形式或直接存儲在電網(wǎng)中供用戶(hù)使用的設備。它由電源、控制電路和相應的電子元器件組成，具有安全可靠、高效節能等優(yōu)點(diǎn)。首先，通過(guò)交流輸入端口對車(chē)載電池進(jìn)行充電；其次，經(jīng)過(guò)整流濾波后進(jìn)入直流/交流逆變環(huán)節，再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管變換器得到高頻交流信號；再次，高壓線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而使磁鐵產(chǎn)生感應電流，驅動(dòng)電機轉動(dòng)發(fā)電機旋轉；最后，通過(guò)低壓輸出端連接到車(chē)輛上的電纜接頭完成充電工作。充電模塊主要包括前級全橋主拓撲結構和后級半橋子拓撲結構2種類(lèi)型。前者采用高頻變壓器隔離輸入端與輸出端，實(shí)現高精度的電壓電流轉換功能；后者利用功率開(kāi)關(guān)管完成能量流動(dòng)方向上的切換，從而達到調節輸出電壓的目的。

充電樁的工作方式可以分為快速充電和慢速充電?？焖俪潆娛侵冈诙虝r(shí)間內將大量能量注入電池組，以達到快速充滿(mǎn)的目的；慢速充電則是指長(cháng)時(shí)間緩慢充放電，以保證電池壽命并避免過(guò)快充放電引起的損壞。此外，充電樁可以根據不同的車(chē)型和需求選擇不同的充電速度和功率等級。

1.2充電樁的主要技術(shù)參數

在電動(dòng)汽車(chē)充電樁設計中，主要的技術(shù)參數包括功率輸出、電壓等級、電流等級和插座類(lèi)型等。其中，功率輸出是影響充電速度的重要因素，通常以千瓦為單位。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的電力規格有220V/30A、380V/60A、480V/120A等。不同規格適用于不同的車(chē)型及充電需求。另外，電壓等級是一個(gè)重要指標，決定了充電效率和安全性。一般而言，低壓直流電能傳輸比高壓直流電能傳輸更加安全可靠，因此采用240V/100A或480V/80A電壓等級較為合適。此外，需要考慮電流等級，因為高流量充電會(huì )導致過(guò)熱等問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，電流等級應與電源容量相匹配。插座類(lèi)型的選取也非常重要。常用的插頭種類(lèi)有3種，分別為中國標準雙針插孔、歐洲標準三針插孔以及美國標準四針插孔。其中，中國標準雙針插孔插口使用*廣泛，適合于大多數電動(dòng)車(chē)型號使用。

充電樁采用先進(jìn)的電力電子器件作為主要控制元件，對電池組進(jìn)行恒流限壓浮充控制，并且可以自動(dòng)識別電池類(lèi)型，提供相應的充電服務(wù)。該充電樁不僅結構緊湊合理、可靠性高、使用壽命長(cháng)，而且具有智能化程度高、節能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良、適用廣泛的電動(dòng)汽車(chē)充電設備。

1.3充電樁的總體設計方案

電動(dòng)汽車(chē)充電樁主要由前級電路、功率因數校正電路和后級全橋逆變器組成。其中：前級電路采用三相不可控整流電路對電網(wǎng)進(jìn)行高效轉換；功率因數校正電路通過(guò)控制絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）導通與截止時(shí)間實(shí)現輸出電壓電流波形質(zhì)量的調節，提高輸入交流電源的電能利用效率，并消除諧波污染；后級全橋逆變器將直流電源轉換為高頻交流電源供給電動(dòng)汽車(chē)電池組充電。

前級電路。該部分包括三相不可控整流電路和濾波電容兩個(gè)重要部件。實(shí)際應用中，需要根據不同規格型號的電動(dòng)汽車(chē)選擇相應的元器件，以確保其性能穩定可靠。同時(shí)，需合理選取濾波電容，以有效濾除輸入端的干擾噪聲和防止浪涌電流對設備造成損害。此外，通過(guò)加入適當的濾波電路，解決電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中產(chǎn)生的大量諧波問(wèn)題。

功率因數校正電路。該部分是保證輸出電壓電流波形質(zhì)量的核心。通常情況下，采用功率因數校正（PowerFactorCorrection，PFC）變換器作為主要拓撲結構，通過(guò)改變IGBT的導通與截止時(shí)間來(lái)調整輸出電壓電流波形，使得其總諧波畸變率盡可能小，同時(shí)可以通過(guò)反饋控制算法進(jìn)一步優(yōu)化功率因數，減少不必要的能源浪費。

后級全橋逆變器。該部分負責將直流電源轉換成高頻交流電源，供給電動(dòng)汽車(chē)電池組充電。一般情況下，采用雙極性倍頻正弦脈寬調制（SinusoidalPulse-WidthModulation，SPWM）能夠獲得更好的正弦波輸出效果。另外，需注意控制IGBT模塊的導通與截止時(shí)間，避免出現過(guò)流或過(guò)熱現象而影響設備的使用壽命。

1.4充電樁的工作流程

新型電動(dòng)汽車(chē)充電樁的工作流程主要包括6個(gè)環(huán)節，如圖1所示。第一，用戶(hù)注冊和認證。在使用充電樁前，需要進(jìn)行用戶(hù)注冊和身份認證，可以通過(guò)手機App或現場(chǎng)人員人工操作完成，確保只有合法的用戶(hù)使用充電樁。第二，充電樁設備連接。充電樁設備需要與車(chē)輛進(jìn)行連接，以實(shí)現對車(chē)輛的充電功能。第三，充電樁控制系統監控。充電樁控制系統的主要作用是監測電池狀態(tài)、溫度、電壓等，并及時(shí)反饋給操作員。第四，充電結束及結算。當車(chē)輛充電完畢后，充電樁會(huì )自動(dòng)關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，同時(shí)向車(chē)主收取相應的費用。第五，故障處理。如果充電樁出現故障或者異常情況，需要采取措施解決問(wèn)題。第六，維護保養。為保證充電樁正常工作，需要定期對其進(jìn)行維護保養。

整個(gè)充電過(guò)程無(wú)須人員干預，實(shí)現了無(wú)人化管理和智能控制。此外，充電樁具備過(guò)載保護、短路保護以及漏電保護等多重安全保障措施，確保設備使用的可靠性與安全性。

2電動(dòng)汽車(chē)充電樁的硬件設計及軟件設計

2.1充電樁的拓撲結構

電動(dòng)汽車(chē)充電樁的拓撲結構的主要作用是將電源和負載連接起來(lái)，實(shí)現對車(chē)輛進(jìn)行充電或供電的功能。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的充電樁拓撲結構主要有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型3種。其中，串聯(lián)型是*常用的一種，基本原理是在多個(gè)電池組之間串接電容來(lái)形成一個(gè)電壓梯度，從而對車(chē)輛進(jìn)行充電。并聯(lián)型則通過(guò)在多個(gè)電池組之間的連接來(lái)提高電流輸出能力，適用于需要快速充放電的情況?；旌闲褪菍烧呓Y合，既可以增加電流輸出能力，又可以減少電壓梯度的大小。實(shí)際應用中，選擇合適的拓撲結構對于充電樁性能的影響很大。除了拓撲結構的選擇外，充電樁需要考慮功率密度問(wèn)題。由于電力系統的穩定性受到限制，充電樁的輸入功率不能超過(guò)系統容量的最大值。為了保證充電效率和安全性，充電樁的輸出功率也應該控制在一個(gè)合理的范圍。

2.2充電樁的硬件設計

在進(jìn)行充電樁硬件設計時(shí)，需要考慮其功能需求和性能指標。設計采用一種基于單片機控制的直流變換器來(lái)實(shí)現對電池組的快速、高效充放電。該系統主要由主控模塊、功率開(kāi)關(guān)管模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊以及輔助電源等組成，如圖2所示。其中：主控模塊是整個(gè)充電樁的核心部分，負責接收來(lái)自用戶(hù)端發(fā)送的指令，并通過(guò)程序算法完成對各個(gè)模塊的控制；功率開(kāi)關(guān)管模塊用于控制電路中的高壓元器件如IGBT或金氧半場(chǎng)效晶體管（Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET），以達到調節輸出電壓與電流的目的；電流檢測模塊用于實(shí)時(shí)監測輸入交流電網(wǎng)的電流大小，從而保證設備安全運行；電壓檢測模塊用于監測充電樁內部各支路的電壓情況，確保設備能夠正常工作；輔助電源為整個(gè)充電樁提供所需的電能。

圖2充電樁的硬件系統

當用戶(hù)將車(chē)輛連接充電樁后，操作人員只需按下相應的按鍵即可啟動(dòng)充電流程。此時(shí)，主控模塊會(huì )自動(dòng)搜索附近可用的插座并選擇最佳的接入方式。功率開(kāi)關(guān)管模塊開(kāi)始工作，將直流電轉換成交流電供給負載使用。電流檢測模塊也會(huì )同步開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)監測充電過(guò)程中產(chǎn)生的電流變化情況。如果發(fā)現異常情況，如某個(gè)模塊出現故障或者某條線(xiàn)路存在短路現象，將會(huì )立即切斷所有電源并發(fā)出警報提示。此外，配備有專(zhuān)門(mén)的保護電路，可以有效避免過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等問(wèn)題導致設備損壞。

本次設計的電動(dòng)汽車(chē)充電樁具有結構簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種場(chǎng)合下的電動(dòng)車(chē)輛充電需求。

2.3充電樁的軟件設計

在對充電樁進(jìn)行軟件設計時(shí)，為保證用戶(hù)信息不泄露，采用控制器局域網(wǎng)絡(luò )（ControllerAreaNetwork，CAN）總線(xiàn)通信方式實(shí)現與上位機之間的數據傳輸，同時(shí)設置相應的權限管理機制，確保只有授權人員才能夠訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)的參數和文件。此外，需加入異常處理功能，當出現系統故障或其他異常情況時(shí)能夠及時(shí)切斷電源并報警提示。

主程序模塊負責整個(gè)充電過(guò)程中各個(gè)環(huán)節的控制、調度以及狀態(tài)監測等工作。通過(guò)不斷檢測電池電壓、電流、功率等各項指標，判斷當前充電進(jìn)程是否正常。如果發(fā)現存在問(wèn)題，則會(huì )立即采取措施予以解決。通信協(xié)議模塊用于實(shí)現CAN總線(xiàn)與其他設備之間的數據交換。由于不同型號的電動(dòng)汽車(chē)使用的接口標準可能不一致，需要針對不同車(chē)輛開(kāi)發(fā)特定的通信協(xié)議，以滿(mǎn)足實(shí)際需求。數據處理模塊負責對接收的各類(lèi)傳感器數據進(jìn)行濾波、去噪、修正等預處理操作，然后將處理后的數據上傳至上位機進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理。人機交互界面模塊提供給用戶(hù)一個(gè)友好、直觀(guān)的操作界面，方便用戶(hù)進(jìn)行各種參數配置和狀態(tài)查詢(xún)，同時(shí)支持手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，可根據用戶(hù)需求自由切換。

2.4電動(dòng)汽車(chē)充電樁通信協(xié)議

為實(shí)現電動(dòng)汽車(chē)與充電站之間的通信和控制，需要采用一種高效且可靠的數據傳輸方式。目前，市場(chǎng)上常用的通信協(xié)議有ZigBee和Wi-Fi。ZigBee是一種低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，適用于小型設備間的短距離通信；Wi-Fi則是基于IEEE802.1x標準的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，具有更高的數據速率和更遠的覆蓋范圍。2種協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn)，應考慮實(shí)際應用場(chǎng)景和需求進(jìn)行選擇。文章選擇采用Wi-Fi作為電動(dòng)汽車(chē)充電樁的通信協(xié)議。Wi-Fi通信協(xié)議的特點(diǎn)是支持高速數據傳輸，同時(shí)具備較強的安全性能。在電動(dòng)汽車(chē)充電樁的應用中，它可以提供更快的數據傳輸速度和更加安全的信息交換環(huán)境。此外，Wi-Fi具有良好的兼容性，可以在不同品牌的車(chē)輛上使用。因此，Wi-Fi為電動(dòng)汽車(chē)充電樁的通信協(xié)議提供了更好的解決方案。

3安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

3.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

3.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

3.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。3.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

3.5系統硬件配置

4結論

主要分析現有的電動(dòng)汽車(chē)充電設施，并提出一種基于直流變換器和電池管理系統相結合的充電方式。該充電方式具有高效、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)快速便捷地完成充電過(guò)程的需求。設計中還考慮了未來(lái)新能源汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展趨勢及相關(guān)政策要求，可為今后電動(dòng)汽車(chē)充電設備的研發(fā)提供參考。

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