安科瑞 劉邁

　　摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)保,、節(jié)能等問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注,。新能源汽車作為一種新興產(chǎn)業(yè)，具有低噪聲,、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(shè)施建設(shè)滯后帶來(lái)的不便,。提出一種基于直流變換器的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，旨在解決現(xiàn)有充電設(shè)備存在的諸多不足。

　　關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車,；充電樁,；電路

　　0引言

　　傳統(tǒng)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)一套可靠且適用范圍廣的充電系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。文章旨在深入探究新能源汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),，力求探索出行之有效的解決方案,，推動(dòng)我國(guó)新能源汽車行業(yè)快速健康發(fā)展。

　　1電動(dòng)汽車充電樁的總體方案設(shè)計(jì)

　　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)汽車充電,。人們可以使用特定的充電卡在充電樁提供的人機(jī)交互操作界面刷卡進(jìn)行相應(yīng)的充電操作和費(fèi)用數(shù)據(jù)打印等。充電樁顯示屏能顯示充電量,、費(fèi)用以及充電時(shí)間等數(shù)據(jù),。

　　充電樁是一種將電能轉(zhuǎn)換為其他形式或直接存儲(chǔ)在電網(wǎng)中供用戶使用的設(shè)備。它由電源,、控制電路和相應(yīng)的電子元器件組成,，具有安全可靠、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),。首先,，通過(guò)交流輸入端口對(duì)車載電池進(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(jié),，再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管變換器得到高頻交流信號(hào)；再次,，高壓線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而使磁鐵產(chǎn)生感應(yīng)電流,，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),；最后,，通過(guò)低壓輸出端連接到車輛上的電纜接頭完成充電工作。充電模塊主要包括前級(jí)全橋主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和后級(jí)半橋子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2種類型,。前者采用高頻變壓器隔離輸入端與輸出端,，實(shí)現(xiàn)高精度的電壓電流轉(zhuǎn)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(dá)到調(diào)節(jié)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(nèi)將大量能量注入電池組，以達(dá)到快速充滿的目的,；慢速充電則是指長(zhǎng)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(jù)不同的車型和需求選擇不同的充電速度和功率等級(jí),。

　　1.2充電樁的主要技術(shù)參數(shù)

　　在電動(dòng)汽車充電樁設(shè)計(jì)中，主要的技術(shù)參數(shù)包括功率輸出,、電壓等級(jí),、電流等級(jí)和插座類型等。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(guī)格有220V/30A,、380V/60A、480V/120A等,。不同規(guī)格適用于不同的車型及充電需求,。另外，電壓等級(jí)是一個(gè)重要指標(biāo),，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(jí)較為合適,。此外，需要考慮電流等級(jí),，因?yàn)楦吡髁砍潆姇?huì)導(dǎo)致過(guò)熱等問(wèn)題,。一般來(lái)說(shuō)，電流等級(jí)應(yīng)與電源容量相匹配,。插座類型的選取也非常重要,。常用的插頭種類有3種,，分別為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)雙針插孔、歐洲標(biāo)準(zhǔn)三針插孔以及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)四針插孔,。其中,，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)雙針插孔插口使用廣泛，適合于大多數(shù)電動(dòng)車型號(hào)使用,。

　　充電樁采用電力電子器件作為主要控制元件,，對(duì)電池組進(jìn)行恒流限壓浮充控制，并且可以自動(dòng)識(shí)別電池類型,，提供相應(yīng)的充電服務(wù),。該充電樁不僅結(jié)構(gòu)緊湊合理、可靠性高,、使用壽命長(zhǎng),，而且具有智能化程度高、節(jié)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)汽車充電設(shè)備。

　　1.3充電樁的總體設(shè)計(jì)方案

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

　　前級(jí)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(yīng)用中,，需要根據(jù)不同規(guī)格型號(hào)的電動(dòng)汽車選擇相應(yīng)的元器件，以確保其性能穩(wěn)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(duì)設(shè)備造成損害,。此外,，通過(guò)加入適當(dāng)?shù)臑V波電路，解決電動(dòng)汽車充電過(guò)程中產(chǎn)生的大量諧波問(wèn)題,。

　　功率因數(shù)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(shù)校正（PowerFactorCorrection,，PFC）變換器作為主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，通過(guò)改變IGBT的導(dǎo)通與截止時(shí)間來(lái)調(diào)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(shù)，減少不必要的能源浪費(fèi),。

　　后級(jí)全橋逆變器,。該部分負(fù)責(zé)將直流電源轉(zhuǎn)換成高頻交流電源，供給電動(dòng)汽車電池組充電,。一般情況下,，采用雙極性倍頻正弦脈寬調(diào)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(dǎo)通與截止時(shí)間，避免出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)熱現(xiàn)象而影響設(shè)備的使用壽命,。

　　1.4充電樁的工作流程

　　新型電動(dòng)汽車充電樁的工作流程主要包括6個(gè)環(huán)節(jié),，如圖1所示。第六,，維護(hù)保養(yǎng),。為保證充電樁正常工作，需要定期對(duì)其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng),。

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

　　2電動(dòng)汽車充電樁的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)

　　2.1充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　電動(dòng)汽車充電樁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要作用是將電源和負(fù)載連接起來(lái),，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛進(jìn)行充電或供電的功能。目前,，市場(chǎng)上常見(jiàn)的充電樁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有串聯(lián)型,、并聯(lián)型和混合型3種。其中,，串聯(lián)型是最大值,。為了保證充電效率和安全性，充電樁的輸出功率也應(yīng)該控制在一個(gè)合理的范圍,。

　　2.2充電樁的硬件設(shè)計(jì)

　　在進(jìn)行充電樁硬件設(shè)計(jì)時(shí),，需要考慮其功能需求和性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)采用一種基于單片機(jī)控制的直流變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的快速、高效充放電,。該系統(tǒng)主要由主控模塊,、功率開(kāi)關(guān)管模塊、電流檢測(cè)模塊,、電壓檢測(cè)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(fù)責(zé)接收來(lái)自用戶端發(fā)送的指令,，并通過(guò)程序算法完成對(duì)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(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓與電流的目的；電流檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入交流電網(wǎng)的電流大小,，從而保證設(shè)備安全運(yùn)行,；電壓檢測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)充電樁內(nèi)部各支路的電壓情況，確保設(shè)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(tǒng)

　　當(dāng)用戶將車輛連接充電樁后，操作人員只需按下相應(yīng)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(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載使用,。電流檢測(cè)模塊也會(huì)同步開(kāi)始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中產(chǎn)生的電流變化情況,。如果發(fā)現(xiàn)異常情況,，如某個(gè)模塊出現(xiàn)故障或者某條線路存在短路現(xiàn)象，將會(huì)立即切斷所有電源并發(fā)出警報(bào)提示,。此外,，配備有專門(mén)的保護(hù)電路，可以有效避免過(guò)壓,、欠壓,、過(guò)流等問(wèn)題導(dǎo)致設(shè)備損壞。

　　本次設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車充電樁具有結(jié)構(gòu)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)車輛充電需求,。

　　2.3充電樁的軟件設(shè)計(jì)

　　在對(duì)充電樁進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí),，為保證用戶信息不泄露，采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，CAN）總線通信方式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,，同時(shí)設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限管理機(jī)制,，確保只有授權(quán)人員才能夠訪問(wèn)相關(guān)的參數(shù)和文件。此外,，需加入異常處理功能,，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障或其他異常情況時(shí)能夠及時(shí)切斷電源并報(bào)警提示。

　　主程序模塊負(fù)責(zé)整個(gè)充電過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的控制,、調(diào)度以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等工作,。通過(guò)不斷檢測(cè)電池電壓、電流,、功率等各項(xiàng)指標(biāo)，判斷當(dāng)前充電進(jìn)程是否正常,。如果發(fā)現(xiàn)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(xiàn)CAN總線與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,。由于不同型號(hào)的電動(dòng)汽車使用的接口標(biāo)準(zhǔn)可能不一致,，需要針對(duì)不同車輛開(kāi)發(fā)特定的通信協(xié)議，以滿足實(shí)際需求,。數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)接收的各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,、去噪、修正等預(yù)處理操作,，然后將處理后的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析和處理,。人機(jī)交互界面模塊提供給用戶一個(gè)友好、直觀的操作界面,，方便用戶進(jìn)行各種參數(shù)配置和狀態(tài)查詢,，同時(shí)支持手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式，可根據(jù)用戶需求自由切換,。

　　2.4電動(dòng)汽車充電樁通信協(xié)議

　　為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車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(shù)據(jù)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)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于小型設(shè)備間的短距離通信,；Wi-Fi則是基于IEEE802.1x標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù),，具有更高的數(shù)據(jù)速率和更遠(yuǎn)的覆蓋范圍。2種協(xié)議各有優(yōu)缺點(diǎn),，應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)具備較強(qiáng)的安全性能,。在電動(dòng)汽車充電樁的應(yīng)用中,，它可以提供更快的數(shù)據(jù)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輛上使用。因此,，Wi-Fi為電動(dòng)汽車充電樁的通信協(xié)議提供了更好的解決方案,。

　　3安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

　　3.1概述

　　AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài),，進(jìn)行充電服務(wù),、支付管理，交易結(jié)算,，資要管理,、電能管理，明細(xì)查詢等,。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù),、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓,，欠壓,，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng),、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng),，用戶通過(guò)微信、支付寶,，云閃付掃碼充電,。

　　3.2應(yīng)用場(chǎng)所

　　適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑,、居住小區(qū),、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體,、學(xué)校,、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

　　3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

　　1）即數(shù)據(jù)采集層,、網(wǎng)絡(luò)傳輸層,、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

　　2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu,。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù),，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù),。

　　3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

　　4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器,，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù),、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),、歷史數(shù)據(jù)庫(kù),、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái),。終端充電用戶通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電,。

　　小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控,、交易管理,、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析,、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序,。

　　3.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)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(duì)設(shè)備狀態(tài),、設(shè)備使用率,、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng),、充電金額,、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(tǒng)一管理小區(qū)充電樁,，查看設(shè)備使用率，合理分配資源,。

　　3.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

　　實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況,，主要包括充電樁運(yùn)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(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶,，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值,、退款、凍結(jié),、注銷等操作,，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

3.4.4故障管理

　　設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息,，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理,，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào),。充電用戶也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題,。

3.4.5統(tǒng)計(jì)分析

　　通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn),、充電設(shè)施,、、充電時(shí)間,、充電方式等不同角度,，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等,。

3.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

　　在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶,，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息,、價(jià)格策略,、折扣、優(yōu)惠活動(dòng),，同時(shí)可管理在線卡用戶充值,、凍結(jié)和解綁。

3.4.7運(yùn)維APP

　　面向運(yùn)維人員使用,，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理,、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況,、查詢充電\充值情況,，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

3.4.8充電小程序

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

3.5系統(tǒng)硬件配置

　　4結(jié)論

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