淺談電動汽車充電樁系統設計

摘要：在節能減排環境下，為減少環境污染問題，電動汽車應時而生。充電樁作為電動汽車的重要組成部分以及重要能量來源，加強其研究能促進電動汽車的長久發展。文章分析研究了充電樁的發展時期和現狀，對我國目前已有的充電方式以及可行性進行了分析，探究了電動汽車充電樁設計，具體為硬件、軟件、功能設計等方面，希望能助力我國的電動汽車飛速發展。

關鍵詞：電動汽車；充電樁；設計

引言

在保護生態環境背景下，為保護人類生存環境、保障經濟社會可持續發展，我國汽車工業逐漸向節能環保、綠色產業轉變，電動汽車作為重要組成部分也勢必朝著節能減排趨勢發展。充電樁作為電動汽車的加油機，對其系統設計進行研究具有非常重要的現實意義。

一、電動汽車充電樁概述

1、電動汽車充電樁發展歷程及近況

新經濟時代，我國工業發展飛速，但給生態環境帶來很多壓力和傷害。隨著我國經濟文化的發展，加強環境保護意識、提倡節能低碳是我國社會發展必然趨勢。因此電動汽車出現并逐漸推廣，目前，電動汽車在我國整個汽車市場有著舉足輕重的地位，在電動汽車推廣應用初期，因部分配套設施沒有得到完善，所以在很大程度上阻礙、制約了電動汽車的普及發展，隨著環境保護、可持續發展戰略的建立，該問題受到了相關部門的關注和重視，投入了大量的資金對電動汽車的配套設施進行豐富、完善，并且已經取得了一定的成果和經驗，其中包含充電站、充電樁等。

2、電動汽車充電的方法

電動汽車充電的方法主要有交流充電、直流充電。直流充電不只是大型的公共汽車，在很多停車場地都會使用，同時具備交流、直流兩種充電樁，直流充電樁相對于交流更適用于大型車的快速充電。

（1）交流充電。使用220 V，380 V交流式充電電源，推動了電動汽車多功能車載濾波電路、三相整流橋等充電設施的發展，能夠對電動汽車的二次電池進行實時、有效充電，耗費時間較短，功率較高，被廣泛應用在小型電動汽車上。

（2）直流充電。借助地皮表面的電源，對電動汽車的二次電池（蓄電池）實施充電行為。與交流充電方式不同，直流充電并不需要二次電池進行作用，充電時間較快，被廣泛應用于大型的電動汽車以及電動汽車快充。

二、充電樁建設的兩種可行模式

1、連接方式

為便利汽車充電，可以在電動汽車的停放場地建造相應數量的交流充電樁，所用的220 V，380 V交流電壓是當今汽車工業中普遍存在的，相對容易獲取，所以可以使用兩種交流電壓形式。家用電動車或者小型電動車都可以，較大特點是電動汽車可以隨時利用閑暇時間進行充電，使用便捷。

2、建設直流充電樁

與交流充電樁不同，直流充電樁更適合大型的電動汽車充電，在大型電動汽車停放場地建立直流充電樁，能夠使大型的電動汽車迅速充電。因為直流充電樁的功率偏大，很容易對電動汽車的電網造成損害，因此需要定期對電網進行維護保養。

三、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統架構

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。

交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數據服務：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析

變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

2.2平臺首頁

平臺首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實時監控

l 充電站監控

充電站監控頁面監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。

l 充電槍監控

充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

l 搜索與使用

微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l 授權登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

l 主功能頁

初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。

l 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。

l 個人信息

個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務器，服務器配置根據充電槍點數的不同，分別如下：

3.2現場推薦硬件配置清單：

四、安科瑞限流式保護器的介紹與選型

1、限流式保護器的設計

電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開關和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災事故，保障使用場所人員和財產的安全。

安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態開關，不同于傳統家用的空氣開關（微斷）。我們知道，傳統空氣開關的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時通常伴隨有電弧的產生。而固態開關的斷開則是依靠半導體內部的載流子運動實現，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產生。

如圖1所示，當發生短路故障時，傳統空氣開關在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態開關則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時間關系圖

從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開關與固態開關在短路時所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發生短路故障時，就可以避免電弧的產生，從而有效降低了電氣火災。

2、ASCP200-1功能特點

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：

A）短路保護功能，線路發生短路故障時，能在150微秒內實現快速限流保護；

B）過載保護功能，線路持續過載時，保護器限流保護；

C）表內超溫保護功能，保護器內部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；

D）過/欠壓保護功能，線路欠壓或過壓時，保護器告警或限流保護（可設）；

E）電纜溫度監測功能，被測線纜溫度超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（可設）；

F）漏電流監測功能，線路漏電超過報警設定值時，保護器告警或限流保護（可設）；

G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數據發送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監控軟件或平臺，從而實現遠程監控。

3、ASCP200-1技術參數

4、應用方案圖示

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關下端，額定電流值根據入戶開關的具體規格進行設置，典型應用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項

在選用限流式保護器時，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。

ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環境溫度和通風散熱。

為確保可靠連接，接線時應按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導致局部過熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實。

保護器內部帶有交流電，嚴禁非專業人士擅自打開產品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。

當保護器因超溫而發生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

五、結束語

綜上所述，可以看出來，在電動汽車智能充電樁的設計中，要考慮的因素較多，設計要求也更加高，對智能充電樁的要求也比較嚴格，因此在設計智能充電樁的時候，需要對智能充電樁的連接方式、接口設計、問題處理等都要進行科學合理的選擇，讓智能充電樁的設計可以更好的服務于客戶。

參考文獻

[1] 柏靜.電動汽車充電樁系統設計分析.

[2] 魯莽,周小兵,張維.國內外電動汽車充電設施發展狀況研究[J].華中電力.

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

作者簡介：侯文莉，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發和應用