韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：目前環(huán)境問(wèn)題日益嚴重，資源也嚴重短缺，節能減排的實(shí)行至關(guān)重要。電動(dòng)汽車(chē)的使用在很大程度上減少了廢氣的排放，節約了能源。電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力來(lái)源是電力，所以，電動(dòng)汽車(chē)的充電問(wèn)題是非常重要的。本文以運營(yíng)型32KW交流充電樁項目為例，對充電樁的連接方式、接口設計、通信延遲丟包等問(wèn)題進(jìn)行分析，探索電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計，更好的為電動(dòng)汽車(chē)提供電力，對環(huán)境起到更好的保護作用。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；智能充電樁；設計分析

引言

隨著(zhù)環(huán)境問(wèn)題的日益嚴峻和能源的匱乏，節能減排的重要性也突顯出來(lái)。電動(dòng)汽車(chē)的推行在很大程度上可以保護環(huán)境，減少能源的消耗。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源是電力，所以電動(dòng)汽車(chē)的充電是主要問(wèn)題，為了更好的保證電動(dòng)汽車(chē)的充電，智能充電樁的設計至關(guān)重要。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越廣泛的應用，市場(chǎng)對智能充電樁的要求也相對更高，與傳統的充電樁相比，智能充電樁在節能方面做的更好，減少了能源的消耗，更好的實(shí)現了節能減排的目的。

一、智能充電樁設計要求

1、智能充電樁的設計原則

1.1安全性

安全在任何時(shí)候都是排在前面，在設計電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的時(shí)候，一定要考慮到安全問(wèn)題。在智能充電樁給電動(dòng)汽車(chē)充電的過(guò)程中，一定要保證安全，包括充電樁本身的安全、蓄電池的安全、工作人員的安全等。

1.2便捷性與效率高性

智能充電樁一定具備的一個(gè)性能就是智能，在設計智能充電樁的時(shí)候，一定要盡可能的減少人工的操作，讓用戶(hù)在使用的過(guò)程中更加便捷。同時(shí)，在設計智能充電樁的時(shí)候一定要考慮到效率高性，在設計智能充電樁的時(shí)候一定要注意充電樁的充電速度，保證充電的效率高，讓充電樁的工作效率提高。

1.3成本低

智能充電樁的設計中成本問(wèn)題是一個(gè)重要問(wèn)題，在設計智能充電樁的時(shí)候在保證智能充電樁安全、便捷以及效率高的同時(shí)要考慮成本，較大程度的降低智能充電樁的成本，實(shí)現低成本效率高果的目標。

2、智能充電樁的硬件系統要求

對于智能充電樁來(lái)說(shuō)，它的工作環(huán)境比較惡劣，我國的南北溫差比較大，自然環(huán)境也比較復雜，再加上智能充電樁的工作環(huán)境中還有強電磁，這些都讓智能充電樁的設計有很大的難度。在設計智能充電樁的時(shí)候，要考慮到以下兩點(diǎn)：(1)要綜合考慮內外部的結構，適應各種天氣，在設計智能充電樁的時(shí)候，要注意充電樁的外部結構是否封閉，以防雨水、血水等進(jìn)入到樁內，造成智能充電樁出現系統故障等，內部的空氣流動(dòng)也要良好，有效的散熱，避免智能充電樁在運行過(guò)程中因為散熱不好而出現故障，智能充電樁的硬件系統還需要適應各類(lèi)的氣候環(huán)境，保證智能充電樁在不同的環(huán)境中都可以正常運行。(2)提高智能充電樁的抗電磁力，在智能充電樁工作的環(huán)境中有很多的電磁干擾，對于電磁干擾主要就是各種電磁感應對信號傳輸造成擾亂的情況。

3、智能充電樁的軟件系統功能目標

對于智能充電樁的軟件系統的功能目標，主要如下：(1)操作界面一定要簡(jiǎn)單清晰，并且具有人性化。(2)充電管理一定要安全可靠。(3)具備多種服務(wù)模式，可以計時(shí)、計金額來(lái)進(jìn)行充電。(4)計費管理和用電統計一定要準確。(5)通訊接口要豐富。第六，消費憑證的打印要標準。

從以上這些智能充電樁的軟件系統功能目標可以看出來(lái)，智能充電樁終端控制器要具備效率高的數據采集、數據傳輸以及數據處理能力。為了給客戶(hù)帶來(lái)更加方便快捷的服務(wù)，需要實(shí)現傳輸速度快、模塊穩定、讀卡的敏捷度高等功能，實(shí)現充電的時(shí)候按時(shí)間、按金額、按電度，刷卡，扣費更加準確，數據傳輸更加快速 。

二、電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計應用分析

根據市場(chǎng)與公司運營(yíng)需要，我司需設計一款能夠在滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁標準的前提下，具備聯(lián)網(wǎng)控制、在線(xiàn)計費、在線(xiàn)監控的產(chǎn)品。筆者作為項目的研發(fā)經(jīng)理，主要負責項目的硬件電氣部分設計、嵌入硬件部分設計、嵌入式軟件部分設計。

1、連接方式

在智能充電樁設計中，其連接方式主要是充電樁標配充電槍和充電樁標配充電槍座。對于充電樁標配充電槍來(lái)說(shuō)，用戶(hù)使用的時(shí)候更加方便，但是充電樁標配充電槍中配有電線(xiàn)纜，電線(xiàn)纜容易損壞而且還容易被一些不法分子破壞或者偷盜。對于充電樁標配充電槍座來(lái)說(shuō)，需要設計防雨部分，而且還要犧牲一部分的用戶(hù)體驗。綜合考慮，在本項目中所使用的連接方式是充電樁標配充電槍座。

2、接口設計

在智能充電樁設計中，因為是初次使用互聯(lián)網(wǎng)通信，所以在選擇接口的時(shí)候有很大的問(wèn)題。智能充電樁通過(guò)有線(xiàn)方式“以太網(wǎng)"集中，然后通過(guò)寬帶接入 GPRS 通信或者互聯(lián)網(wǎng)，在選擇接口的時(shí)候要綜合考慮。有線(xiàn)方式“以太網(wǎng)"集中寬帶高、穩定性好、延遲低，但是所涉及的路由器、寬帶貓、交換機中的任何一個(gè)環(huán)節出現問(wèn)題都會(huì )讓整個(gè)集中區域內的網(wǎng)絡(luò )都癱瘓。對于 GPRS 通信來(lái)說(shuō)，它的寬帶較低、穩定性較低、延遲比較高，但是它的每一臺都是獨立的，即便其中的某一臺出現故障的時(shí)候，對其他的設備不會(huì )造成影響。對此，本項目選用的接口是標配 GPRS 通信。GPRS 通信雖然在寬帶、穩定性、延遲方面略有不足，但是 GPRS 通信可以讓每一臺智能充電樁都獨立起來(lái)，其中某一臺智能充電樁出現問(wèn)題的時(shí)候對其他的智能充電樁不會(huì )有影響，可以給用戶(hù)帶來(lái)更好的服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量。

3、通信延遲丟包問(wèn)題處理

在智能充電樁的設計中，要考慮到通信延遲、丟包等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì )導致智能充電樁中的關(guān)鍵數據出現不完整的情況，關(guān)鍵數據主要是指在智能充電樁中用戶(hù)的結算信息。在本項目中，初次測試的時(shí)候結算方式采用的是單獨推送的形式，在測試過(guò)程中發(fā)現，一旦出現斷網(wǎng)的情況或者數據在傳輸過(guò)程中有不完整的情況，就會(huì )遺失所傳輸的記錄，出現無(wú)法扣費的現象。后期在測試的時(shí)候采用了多次傳輸同時(shí)增加充電前的網(wǎng)絡(luò )驗證，在測試中采用多次傳輸的同時(shí)增加充電前的網(wǎng)絡(luò )驗證可以有效的避免通信延遲、丟包的問(wèn)題，讓傳輸記錄保持完整，給用戶(hù)帶來(lái)更好的服務(wù)，讓智能充電樁的設計更加科學(xué)合理。

三、安科瑞充電樁運營(yíng)管理平臺

1、系統架構

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)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(hù)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(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶(hù)管理：用戶(hù)注冊，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線(xiàn)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(wù)：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(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表，超負荷時(shí)系統自動(dòng)對充電樁的進(jìn)行調度管理，即當負荷超過(guò)百分之五十時(shí)，系統會(huì )限制新增開(kāi)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(guò)百分之八十時(shí)，系統將不允許新增充電樁開(kāi)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(kāi)云平臺鏈接、輸入賬戶(hù)名和權限密碼，進(jìn)行登錄，防止未人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁(yè)

平臺首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實(shí)時(shí)監控

l 充電站監控

充電站監控頁(yè)面監視用戶(hù)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(hù)擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時(shí)長(cháng)，進(jìn)行負荷限制、故障查詢(xún)。

l 充電槍監控

充電樁監控頁(yè)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(shí)長(cháng)和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時(shí)長(cháng)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(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l 登錄界面

用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì )進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶(hù)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

l 主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要定位才可以使用地圖相關(guān)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(jìn)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(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng)，以及當前的賬戶(hù)余額，電價(jià)和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)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(jìn)進(jìn)行評價(jià)。

l 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱(chēng)和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買(mǎi)，或者客戶(hù)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(hù)自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據充電槍點(diǎn)數的不同，分別如下：

3.2現場(chǎng)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(kāi)關(guān)和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(cháng)、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現滅弧保護，從而能顯著(zhù)減少電氣火災事故，保障使用場(chǎng)所人員和財產(chǎn)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(tài)開(kāi)關(guān)，不同于傳統家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機械運動(dòng)過(guò)程，分斷時(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導體內部的載流子運動(dòng)實(shí)現，分斷時(shí)間微秒級，速度快，無(wú)電弧產(chǎn)生。

如圖1所示，當發(fā)生短路故障時(shí)，傳統空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)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(fā)生短路故障時(shí)，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

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(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護；

B）過(guò)載保護功能，線(xiàn)路持續過(guò)載時(shí)，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(guò)高時(shí)，保護器限流保護；

D）過(guò)/欠壓保護功能，線(xiàn)路欠壓或過(guò)壓時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

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

F）漏電流監測功能，線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，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(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)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(shí)現遠程監控。

3、ASCP200-1技術(shù)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(hù)開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據入戶(hù)開(kāi)關(guān)的具體規格進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(xiàn)路中。

ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以?huà)靿Π惭b，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場(chǎng)所無(wú)滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。

為確?？煽窟B接，接線(xiàn)時(shí)應按接線(xiàn)圖進(jìn)行，同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導致局部過(guò)熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線(xiàn)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(shí)。

保護器內部帶有交流電，嚴禁非專(zhuān)業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護時(shí)，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線(xiàn)路的金屬部分。待檢查線(xiàn)路，并排除故障后，長(cháng)按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時(shí)。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時(shí)，則可能是因為負載電流過(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因導致，可通過(guò)加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來(lái)后，再長(cháng)按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

五、結束語(yǔ)

綜上所述，可以看出來(lái)，在電動(dòng)汽車(chē)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(shí)候，需要對智能充電樁的連接方式、接口設計、問(wèn)題處理等都要進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，讓智能充電樁的設計可以更好的服務(wù)于客戶(hù)。

參考文獻

[1] 郝大慶.電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計分析.

[2] 王旭,齊向東.電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計與研究[J]. 機電工程.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車(chē)充電樁的研發(fā)和應用

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