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更新時(shí)間：2023-07-03
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吳柯霓
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力嚴(yán)重不足以及不能及時(shí)充電的問題，將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無線射頻技術(shù)及CAN總線技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究中。開展了無人值守的智能電動(dòng)車充電樁的現(xiàn)實(shí)依據(jù)和理論可行性分析，提出了一種兼?zhèn)銫AN總線網(wǎng)絡(luò)通訊功能和無人值守功能的電動(dòng)汽車智能充電樁的軟件設(shè)計(jì)方法和硬件結(jié)構(gòu)組成方案，把每個(gè)電動(dòng)汽車智能充電樁視為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，建立了上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集相互結(jié)合的系統(tǒng)整體框架。在組態(tài)軟件MCGS上對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁的人機(jī)交互界面進(jìn)行了模擬演示試驗(yàn)，并對(duì)電池充電過程中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了采集與分析。研究結(jié)
果表明：電動(dòng)汽車智能充電樁能夠快速地為電動(dòng)汽車充電，并且具備完善的遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控功能，保證了電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；充電樁；REIP無線射頻；智能監(jiān)控；CAN總線
0 引言
常規(guī)石化燃料的使用在對(duì)大氣造成了很大程度的污染的同時(shí)，其作為一種能源，儲(chǔ)量也越來越少。目前，很多國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)正在積極于電動(dòng)汽車的研發(fā)與生產(chǎn)，我國(guó)在電動(dòng)汽車行業(yè)起步早、發(fā)展快，發(fā)展電動(dòng)汽車已經(jīng)成為節(jié)能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢(shì)。電動(dòng)汽車憑借其駛簡(jiǎn)單等的優(yōu)勢(shì)一度成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但是電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力弱以及充電不方便等缺點(diǎn)也成為限制大范圍使用的障礙。目前，電動(dòng)汽車采用蓄能電池作為動(dòng)力來源，當(dāng)電壓較低時(shí)，就要進(jìn)行電能補(bǔ)給，否則性能會(huì)受到很大影響。目前，國(guó)內(nèi)有很多充電模式，例如：電池組快速更換、快速充電以及常規(guī)充電等，但是動(dòng)力電池體積大、重量大、更換不方便舊J。電動(dòng)汽車智能充電樁不僅能夠解決電動(dòng)汽車隨時(shí)隨地充電的問題，還能夠?qū)?dòng)力電池進(jìn)行維護(hù)，具有人性化的人機(jī)交互界面和完善的通訊能力，確保了用戶操作簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了智能化。本研究將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無線射頻技術(shù)等應(yīng)用到電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究中。
1 電動(dòng)汽車(EV)的充電方法和建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性
目前，電動(dòng)汽車(EV)充電的方法主要有：
(1)交流充電。由電網(wǎng)提供220 V或者380 V交流電源，經(jīng)過車載充電裝置的濾波、整流和保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池的充電過程。這種充電方法充電時(shí)間較長(zhǎng)，充電功率較小，適合小型純電動(dòng)車以及混合動(dòng)力運(yùn)行的汽車。
(2)直流充電。這種充電方式是由地面提供直流電源，直接為車上的蓄電池進(jìn)行充電，省去了車載充電裝置，有利于車身自重的減輕。地面充電機(jī)一般功率較大，能實(shí)現(xiàn)快速充電。適合電動(dòng)公交車等大型電動(dòng)汽車。
(3)更換電池組。這種充電方法為每一輛電動(dòng)汽車準(zhǔn)備了兩組蓄電池，一組為電動(dòng)汽車提供電源的同時(shí)，另一組處于地面充電狀態(tài)，當(dāng)車載電池組電量不足的時(shí)候，可以及時(shí)地拆下并更換已經(jīng)充足電量的電池組。這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)較短時(shí)間的充電過程。但是需要建設(shè)大量的電池更換站，需要大量人員進(jìn)行維護(hù)。投資成本大，智能化程度低，不予采用。
(4)非接觸式充電。這種充電方式需要在路面上嵌入電氣元件，并且能夠和車輛進(jìn)行隨時(shí)接觸，這樣在車輛行駛的過程中才能夠?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)充電，不用受到充電地點(diǎn)的限制。這種充電方式目前還沒有引起人們足夠的注意和興趣，不予采用。
對(duì)建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性分析如下：
隨著社會(huì)科技力量的不斷強(qiáng)大，電動(dòng)車以其0排放和噪音小的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸地被人們所認(rèn)可。建設(shè)龐大的充電系統(tǒng)也是重要的一部分，就如同現(xiàn)在的汽車加油站一樣，遍地可見。同時(shí)，現(xiàn)在的電動(dòng)車輛電池大部分采用能效比較高、體積較小的鋰離子蓄電池作為能源電池。鋰離子電池對(duì)充放電的要求較高，如果沒有相應(yīng)的監(jiān)控方式，就會(huì)對(duì)電池造成不可修復(fù)的損害，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及到人們的人身安全。
2 電動(dòng)汽車(EV)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能
2．1 充電樁建設(shè)的兩種可行模式
建設(shè)交流充電樁。在小區(qū)停車場(chǎng)建設(shè)交流充電樁，采用220 V或者390 V交流電壓，這兩種電壓等級(jí)容易獲得。經(jīng)過地面充電樁，可以為家用電動(dòng)汽車或者環(huán)衛(wèi)清潔車等小型電動(dòng)汽車充電，這種交流充電樁的優(yōu)勢(shì)就是可以利用車輛夜間閑置的時(shí)間進(jìn)行充電。
(2)建設(shè)直流充電樁。在電動(dòng)公交車站或者大型電動(dòng)汽車的場(chǎng)合建設(shè)直流充電樁，可以快速地完成車輛充電過程。這種充電樁的功率較大，對(duì)電網(wǎng)會(huì)進(jìn)行一定的沖擊，所以在建設(shè)的時(shí)候需要考慮對(duì)電網(wǎng)的保護(hù)措施。本研究只要考慮交流220 V、380 V充電樁的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2．2監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能
監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：
(1)具備IC卡識(shí)別功能，通過手持Ic卡進(jìn)行充電樁的激活和計(jì)費(fèi)功能。
(2)具備對(duì)充電樁交流電源的電壓和電流的檢測(cè)和保護(hù)功能。
(3)具備對(duì)電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段進(jìn)行監(jiān)控的功能。
(4)具備通信功能，能夠和上級(jí)管理層進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。
(5)具備電池智能維護(hù)的功能，能夠在充電過程中，對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)，適度維護(hù)電池。
3．1硬件框架組成
充電池監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中，AC交流電源輸入為直接接人的380 V電網(wǎng)電源，經(jīng)過處理單元的濾波、整流、穩(wěn)壓等一系列操作變成可供電動(dòng)汽車充電的可用直流電源。IC卡識(shí)別模塊用來用戶激活充電樁的方式，通過讀卡器識(shí)別Ic卡上的用戶信息，可用來顯示余額，以及個(gè)人信息。狀態(tài)顯示用來顯示當(dāng)前的充電模式、充電電流／電壓以及電池的充電狀態(tài)等信息。
硬件系統(tǒng)主要包括主控板、Ic讀卡器、檢測(cè)芯片、以及顯示電表和顯示屏、鍵盤、通信模塊等設(shè)備。
主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分，完成充電過程的啟動(dòng)、運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控以及關(guān)閉，并可通過多種通訊方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)，主控板的主要功能特點(diǎn)包括：具備7個(gè)串口，下位機(jī)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)采集辦卡通過通用串行總線和上位機(jī)CPU模塊進(jìn)行通信，同時(shí)上位機(jī)需具備顯示功能。具備一個(gè)以太網(wǎng)口，動(dòng)態(tài)的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具備工業(yè)級(jí)的溫度范圍等。5 J。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，保證充電過程的安全可靠，本研究設(shè)計(jì)了監(jiān)控保護(hù)單元，該單元對(duì)充電樁的進(jìn)線輸入電壓、充電輸出電壓／電流、充電接口連接狀態(tài)、車載電池管理系狀態(tài)、車載電池狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)異常，能夠及時(shí)切斷電源輸出，保護(hù)電動(dòng)汽車電池及充電樁本身的安全。
在電動(dòng)車充電樁建設(shè)的過程中，充電樁外體材料應(yīng)選擇鍍鋅鋼板，并具備一定的防潮防水性能，保證在陰濕天氣情況下能正常運(yùn)行。在元件選型時(shí)，應(yīng)該選擇具有工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的電力電子器件，保證充電樁在惡劣環(huán)境下能正常運(yùn)行。另外，為防止電磁干擾，應(yīng)選用帶屏蔽功能的通信線，以及在外體上鏈接一根接地線，起到共模抑制的作用。
3．2充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
軟件系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。當(dāng)用戶需要充電時(shí)，將電動(dòng)汽車的充電插口與充電樁的充電手柄相連接，然后通過IC卡讀卡器激活充電樁；如果充電手柄與充電插口連接不正常則提示報(bào)警。用戶身份識(shí)別完成后，用戶可選擇充電模式和充電時(shí)間，同時(shí)充電樁檢測(cè)電池狀態(tài)，如果電池當(dāng)前狀態(tài)不允許用戶選擇當(dāng)前充電模式的話，則提示報(bào)警，由充電樁給出合理的充電模式的選擇建議。當(dāng)充電模式選擇正確后，則可以研究正常充電過程，在充電過程中，顯示屏?xí)@示當(dāng)前用戶的信息、卡余額、充電時(shí)間以及估計(jì)剩余時(shí)間等等有效信息。充電結(jié)束后，充電樁給出提示，卡計(jì)費(fèi)停止，打印票據(jù)，用戶離開，充電樁自動(dòng)進(jìn)行鎖定狀態(tài)，等待下一用戶激活。
主程序在編寫時(shí)，采用了模塊化的原則，這樣能夠保證充電樁高效的運(yùn)行，筆者按照充電樁的幾大功能，將程序分為幾個(gè)大的模塊：中央控制模塊、IC卡識(shí)別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機(jī)模塊、檢測(cè)模塊等6大模塊。8 J。當(dāng)充電樁被激活時(shí)，主程序能夠有效地協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作從而完成從身份識(shí)別到充電結(jié)束的一整套流程，多線程處理可以保證各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，互不影響。
4智能充電樁的性能測(cè)試
經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電動(dòng)汽車智能充電能夠滿足快速充電的要求，并且具備電池的維護(hù)和保養(yǎng)功能，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r(shí)顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內(nèi)余額等各項(xiàng)信息，用戶可以很方便地進(jìn)行充電操作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，電動(dòng)汽車智能充電樁運(yùn)行狀況良好。系統(tǒng)整體測(cè)試截圖如圖3所示。
AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(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)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，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)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。
5.2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)。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5.3.1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)中心層和客戶端層。
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4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
4）數(shù)據(jù)中心層：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、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。
5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過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。
5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能
5.4.1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。
5.4.2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)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。
5.4.3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。
5.4.4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)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。
5.4.5統(tǒng)計(jì)分析
通過系統(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。
5.4.6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。
5.4.7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。
5.4.8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
5.5系統(tǒng)硬件配置
6 結(jié)語
通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬充電實(shí)驗(yàn)，筆者得出以下結(jié)論，電動(dòng)汽車智能充電樁的運(yùn)行狀況良好，充電模式可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，充電時(shí)間可根據(jù)充電模式的選擇自動(dòng)調(diào)整，*快充電時(shí)間在60 rain左右，用戶信息可以顯示當(dāng)前卡內(nèi)余額、歷史充電記錄，方便用戶查詢。當(dāng)電池電壓達(dá)到額定電壓的90％的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低充電電流，對(duì)電池做出維護(hù)。凸顯的一個(gè)問題就是，系統(tǒng)發(fā)熱量較高，需配備散熱設(shè)備進(jìn)行散熱，以保證電子器件的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
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作者簡(jiǎn)介
吳柯霓，女，安科瑞電氣股份有限公司，從事電氣相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)工作
當(dāng)前位置：
