浅谈电动车智能充电设计及研究

摘要：优化智能充电桩的设计可以解决相关问题，因此利用文献资料法等方法对电动汽车智能充电桩设计及关键技术进行了研究与探讨。经过探究发现，在进行智能充电桩的设计时需要提高充电桩的天气适应能力与抗电磁干扰能力，所以需要根据设计要求开展总体设计、可重构模块化设计等环节的工作并灵活应用直流一体化充电技术、柔性充电堆技术等关键技术，优化智能充电桩的整体性能。
关键词：电动汽车；智能充电桩；能源互联网
0前言
       在长期发展过程中，能源问题与环境问题成为了困扰人类社会的关键问题，而加大电动汽车的生产力度可以在一定程度上减少石油等资源的消耗以及污染物的排放，但电动汽车需要智能充电桩的支持，所以需要在现有研究结果的基础上对电动汽车智能充电桩设计及关键技术进行剖析。
1电动汽车智能充电桩的政策规定与现状
1.1政策规定
       当前我国针对智能充电桩等配套设施制定了相应的政策，例如《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》、《提升新能源汽车充电**能力行动计划》等，对智能充电桩设计、建设进行了规定[1]。
1.2设计现状
       2022年1月时我国制定了《“十四五”现代能源体系规划》，强调要积发展新能源并努力利用新能源代替化石能源，从而使能源结构转型。同时，强调力争到2025年，电力需求侧响应能力达到限负荷的3%～5%，其东、华中、南方等地区达到限负荷的5%左右。在这种情况下，各个领域都需要持续推进能源低碳转型，提升能源系统效率，例如汽车制造领域应积研发新能源电动车并做好电动汽车智能充电桩的设计工作。但相比于西方发达国家，我国电动汽车起步相对较晚，相关技术还不够成熟。且我国针对电动汽车智能充电桩的设计体系还不够完善，设计中仍然存在一些亟待解决的问题。
1.3电动汽车智能充电桩的类型及比例

       一，智能充电桩的类型。从充电方式、充电接口数等各方面情况来看，智能充电桩包括诸多类型。例如，从充电方式来看，智能充电桩包括交流、直流、交直流一体这三种类型；从充电接口数来看，智能充电桩包括一桩一充、一桩多充这两种类型；从安装地点来看，智能充电桩包括公用充电桩与充电桩这两种类型；从安装方式来看，智能充电桩包括落地式与挂壁式这两种类型。其中公用充电桩与充电桩这一分类较为常用，且公共充电桩可以为全部或部分社会车辆提供充电服务，桩只为部分特定的社会车辆服务，一般安装到单位内部场合，仅供单位内部人员使用。

       二，智能充电桩的比例。在智能充电桩需求愈加强烈的背景下，我国加大了充电桩建设力度，使充电桩比例得到了改善。中国充电联盟的统计数据表明，在2022年1月-8月，我国充电基础设施增量为169.8万台，同比 2021年1月-8月增长 300.5%。且2022 年1-8月，车桩增量比达到2.3:1，有效改善了“一桩难求”的局面，但是这一比例仍然达不到**提出的相应要求。

2电动汽车智能充电桩的设计
2.1总体设计
       可以将智能充电桩分为功能结构模块、人机交互模块以及安全防护模块，将功能结构模块分为主控单元、智能通讯单元、功能扩展接口、智能计量结算单元；将人机交互模块分为智能语音输出单元、智能显示单元、桩体显示单元、智能身份识别单元、打印输出单元；将安全防护模块分为控制导引单元、电气防护单元、紧急停止单元以及防水防尘单元[2]。
2.2可重构模块化设计
       一，功能结构模块设计。例如，在进行主控单元设计时需要将具有Cortex-M3内核的LPC1769当作主控芯片；在进行智能通讯单元电路设计时需要采用高速、双通道的芯片，且需要应用CAN总线通讯，从而实现智能充电桩与电动汽车电池管理系统的信息交互；在进行计量计费单元设计时需要选择具有RS485通讯功能的智能电表，确保电表可以根据时段自动调用相应的费率且能够实时测量电能表的运行参数。二，人机交互模块设计。在设计过程中可以通过RFID这种射频识别技术进行智能身份识别单元的设计，通过非接触式的自动识别进行电磁耦合控制并为费用结算等环节提供支持，且需要完善智能显示单元的硬件电路设计，确保初始界面有充电、查询、管理以及帮助等基础功能。三，安全防护模块设计。在进行控制导引系统设计时需要优化充电连接方式设计，使电缆组件与供电设备连接，使电缆组件的另一头与电动汽车相连接，且需要优化充电控制导引电路设计，确保其具备充电监测、充电功率识别、充电系统停止等功能。
2.3人机交互软件分层设计及界面设计

       一，分层设计。可以将智能充电桩的人机交互软件架构分为5层，即APP层、BUSS层、COMP层、INFRA层以及DRV层，将APP层当作人机交互系统的高层、将BUSS层当作系统的次高层并完善BUSS层对按键的处理流程（如图一所示）、在COMP层中编写各种能够对屏幕进行操作的功能函数、在INFRA层中设计屏幕的实际绘制函数、在DRV层中完善硬件的驱动程序设计。

       二，界面设计。在进行界面设计时需要做好人机交互系统的原型设计与界面

       流程设计工作，例如在进行系统原型设计时应充分考虑充电过程中可能会出现的问题并优化原型流程，在进行界面流程设计时应完善界面操作模式，让用户可以自主选择自动模式、定时模式或定费模式，之后再完善各个模式的具体功能。

图一 BUSS层对按键的处理流程
3电动汽车智能充电桩设计的关键技术
3.1直流一体化充电技术
       直流一体化充电技术可以将整流模块都安装在智能充电桩中并通过交流电缆将交流电转变为直流电，再通过充电为电动汽车进行充电。在设计智能充电桩时应综合分析这种技术手段的优势与劣势并准确判断是否应用这种技术。
3.2柔性充电堆技术
       柔性充电堆技术应用了智能控制技术，可以将全部或部分电动汽车智能充电桩中的充电模块集中在一起并形成功率池，且可以实现集中监控与调度，根据电动汽车的充电需求自动匹配很好的充电模块数量。在应用这种技术时需要综合分析智能充电桩的特点，从而优化技术应用效果。
4电动汽车智能充电桩的发展前景
       在理念不断改变、技术水平不断提升的背景下，电动汽车智能充电桩会逐渐向调节化、规范化等方向发展，且未来智能充电桩会得到新基建与虚拟电厂技术的加持，到那时充电桩就不再是单独的、机械式的物理存在，且会具备智能物联网的属性，成为下一代能源互联网的重要入口。其中虚拟电厂可以通过信息技术和软件系统实现分布式电源、储能、可调负荷等多种分布式资源的聚合和协同优化。且虚拟电厂可以通过互联网、5G以及智能网关等先进通信技术实现电网调度系统与用户侧可调节资源的双向通信，因此需要加大对虚拟电厂的研究力度，不断增加区域的调节能力，为用户侧可调节资源参与市场交易等各个方面提供技术**，并通过虚拟电厂对新能源汽车与电网能量互动等分布式能源进行集中管理，使电动汽车智能充电桩的可持续发展。
5安科瑞充电桩收费运营云平台

5.1概述
        AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
5.2应用场所
       适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
5.3系统结构

5.3.1系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统负责人可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

       小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1智能化大屏
       智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分源。

5.4.2.实时监控
       实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。 

5.4.3交易管理
       平台管理可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

5.4.4故障管理
      设备自动上报故障信息，平台管理可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

5.4.5统计分析
       通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

5.4.6基础数据管理
       在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、 冻结和解绑。

5.4.7运维APP
       面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

5.4.8充电小程序
       面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

5.5系统硬件配置

6结语
       智能充电桩的设计效果与技术应用情况会对电动汽车的发展产生较大影响，因此应提高对智能充电桩设计的重视程度，根据设计要求开展总体设计、可重构模块化设计、人机交互界面设计等环节的工作并灵活应用各种关键技术，进一步提升智能充电桩的实用性，为电动汽车的发展提供支持。
参考文献
[1]杜婕.电动汽车智能充电桩的设计要求及相关技术探索[J].通信电源技术,2019,36(03):65-66.
[2]张明慧,周天睿,于静,金民.电动汽车智能充电桩管理系统的设计与开发[J].现代计算机,2021,27(33):110-115.
[3]刘娟.电动汽车智能充电桩设计及关键技术研究
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

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