電動汽車智能充電樁的設計與研究

王 旭，齊向東

(太原科技大學電子信息工程學院，山西太原030024)

0 引 言

常規(guī)石化燃料的使用在對大氣造成了很大程度的污染的同時，其作為一種不可再生能源，儲量也越來越少。目前，很多國家和科研機構正在積極致力于電動汽車的研發(fā)與生產，我國在電動汽車行業(yè)起步早、發(fā)展快，發(fā)展電動汽車已經成為節(jié)能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢［1］。

電動汽車憑借其零污染、零噪音、駕駛簡單的優(yōu)勢一度成為人們關注的焦點，但是電動汽車續(xù)航能力弱以及充電不方便等缺點也成為限制大范圍使用的障礙。目前，電動汽車采用蓄能電池作為動力來源，當電壓較低時，就必須進行電能補給，否則性能會受到很大影響。目前，國內有很多充電模式，例如:電池組快速更換、快速充電以及常規(guī)充電等，但是動力電池體積大、重量大、更換不方便［2］。電動汽車智能充電樁不僅能夠解決電動汽車隨時隨地充電的問題，還能夠對動力電池進行維護，具有人性化的人機交互界面和完善的通訊能力，確保了用戶操作簡便，實現了智能化。

本研究將電力電子變流技術、智能監(jiān)控技術、REIP無線射頻技術等應用到電動汽車智能充電樁的設計與研究中。

1 電動汽車(EV)的充電方法和建設充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

目前，電動汽車(EV)充電的方法主要有:

(1)交流充電。由電網提供220 V或者380 V交流電源，經過車載充電裝置的濾波、整流和保護等功能，實現對電動汽車蓄電池的充電過程。這種充電方法充電時間較長，充電功率較小，適合小型純電動車以及混合動力運行的汽車。

(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。地面充電機一般功率較大，能實現快速充電。適合電動公交車等大型電動汽車。

(3)更換電池組。這種充電方法為每一輛電動汽車準備了兩組蓄電池，一組為電動汽車提供電源的同時，另一組處于地面充電狀態(tài)，當車載電池組電量不足的時候，可以及時地拆下并更換已經充足電量的電池組。這種方式能夠實現最短時間的充電過程。但是需要建設大量的電池更換站，需要大量人員進行維護。投資成本大，智能化程度低，不予采用［3］。

(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，并且能夠和車輛進行隨時接觸，這樣在車輛行駛的過程中才能夠實現隨時充電，不用受到充電地點的限制。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。

對建設充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性分析如下:

隨著社會科技力量的不斷強大，電動車以其零排放和噪音小的絕對優(yōu)勢會逐漸地被人們所認可。建設龐大的充電系統(tǒng)也是不可或缺的一部分，就如同現在的汽車加油站一樣，遍地可見。同時，現在的電動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。鋰離子電池對充放電的要求較高，如果沒有相應的監(jiān)控方式，就會對電池造成不可修復的損害，嚴重時還會危及到人們的人身安全。

2 電動汽車(EV)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實現的功能

2.1 充電樁建設的兩種可行模式

(1)建設交流充電樁。在小區(qū)停車場建設交流充電樁，采用220 V或者390 V交流電壓，這兩種電壓等級容易獲得。經過地面充電樁，可以為家用電動汽車或者環(huán)衛(wèi)清潔車等小型電動汽車充電，這種交流充電樁的最大優(yōu)勢就是可以利用車輛夜間閑置的時間進行充電。

(2)建設直流充電樁。在電動公交車站或者大型電動汽車的場合建設直流充電樁，可以快速地完成車輛充電過程。這種充電樁的功率較大，對電網會進行一定的沖擊，所以在建設的時候需要考慮對電網的保護措施。

本研究只要考慮交流220 V、380 V充電樁的監(jiān)控系統(tǒng)的設計。

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卡識別功能，通過手持IC卡進行充電樁的激活和計費功能。

(2)具備對充電樁交流電源的電壓和電流的檢測和保護功能。

(2)具備對電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段進行監(jiān)控的功能。

(4)具備通信功能，能夠和上級管理層進行通信和數據交換。

(5)具備電池智能維護的功能，能夠在充電過程中，對電池進行檢測，適度維護電池。

3 充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計

3.1 硬件框架組成

充電池監(jiān)控系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。圖1中，AC交流電源輸入為直接接入的380 V電網電源，經過中央處理單元的濾波、整流、穩(wěn)壓等一系列操作變成可供電動汽車充電的可用直流電源。IC卡識別模塊用來用戶激活充電樁的方式，通過讀卡器識別IC卡上的用戶信息，可用來顯示余額，以及個人信息［4］。狀態(tài)顯示用來顯示當前的充電模式、充電電流/電壓以及電池的充電狀態(tài)等信息。

圖1 充電樁監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)的結構圖

硬件系統(tǒng)主要包括中央主控板、IC讀卡器、檢測芯片、以及顯示電表和顯示屏、鍵盤、通信模塊等設備。

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、運行、實時監(jiān)控以及關閉，并可通過多種通訊方式將數據實時傳輸至后臺，主控板的主要功能特點包括:具備7個串口，下位機檢測以及數據采集辦卡通過通用串行總線和上位機CPU模塊進行通信，同時上位機需具備顯示功能。具備一個以太網口，動態(tài)的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具備工業(yè)級的溫度范圍等［5］。為了實時監(jiān)測充電樁的運行狀態(tài)，保證充電過程的安全可靠，本研究設計了監(jiān)控保護單元，該單元對充電樁的進線輸入電壓、充電輸出電壓/電流、充電接口連接狀態(tài)、車載電池管理系統(tǒng)狀態(tài)、車載電池狀態(tài)等進行實時監(jiān)測，一旦出現異常，能夠及時切斷電源輸出，保護電動汽車電池及充電樁本身的安全。

在電動車充電樁建設的過程中，充電樁外體材料應選擇鍍鋅鋼板，并具備一定的防潮防水性能，保證了在陰濕天氣情況下能正常運行［6］。在元件選型時，應該選擇具有工業(yè)級標準的電力電子器件，保證充電樁在惡劣環(huán)境下能正常運行。另外，為防止電磁干擾，應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)的軟件構成

軟件系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。當用戶需要充電時，將電動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警。用戶身份識別完成后，用戶可選擇充電模式和充電時間，同時充電樁檢測電池狀態(tài)，如果電池當前狀態(tài)不允許用戶選擇當前充電模式的話，則提示報警，由充電樁給出合理的充電模式的選擇建議。當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，顯示屏會顯示當前用戶的信息、卡余額、充電時間以及估計剩余時間等等有效信息［7］。充電結束后，充電樁給出提示，卡計費停止，打印票據，用戶離開，充電樁自動進行鎖定狀態(tài)，等待下一用戶激活。

圖2 軟件系統(tǒng)程序流程圖

主程序在編寫時，采用了模塊化的原則，這樣能夠保證充電樁高效的運行，筆者按照充電樁的幾大功能，將程序分為幾個大的模塊:中央控制模塊、IC卡識別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機模塊、檢測模塊等6大模塊［8］。當充電樁被激活時，主程序能夠有效地協調各個模塊之間的工作從而完成從身份識別到充電結束的一整套流程，多線程處理可以保證各個模塊之間相互獨立，互不影響。

4 智能充電樁的性能測試

經過現場測試，電動汽車智能充電樁完全能夠滿足快速充電的要求，并且具備電池的維護和保養(yǎng)功能，現場監(jiān)控畫面能夠實時顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內余額等各項信息，用戶可以很方便地進行充電操作，現場測試表明，電動汽車智能充電樁運行狀況良好。系統(tǒng)整體測試截圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體測試截圖

5 結束語

通過在實驗室進行的模擬充電實驗，筆者得出以下結論，電動汽車智能充電樁的運行狀況良好，充電模式可以根據需要進行修改，充電時間可根據充電模式的選擇自動調整，最快充電時間在60 min左右，用戶信息可以顯示當前卡內余額、歷史充電記錄，方便用戶查詢。當電池電壓達到額定電壓的90%的時候，系統(tǒng)會自動降低充電電流，對電池做出維護。凸顯的一個問題就是，系統(tǒng)發(fā)熱量較高，需配備散熱設備進行散熱，以保證電子器件的安全、穩(wěn)定運行。

（References）:

［1］王 濤，張東華，賀智軼，等.電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)研究與設計［J］.湖北電力，2011，35(1):11-12.

［2］張 允，陸佳政，李 波.利用有源濾波功能的新型電動汽車交流充電樁［J］.高電壓技術，2011，37(1):150-156.

［3］嚴曉燕.基于REIP預付費支付系統(tǒng)在充電站中的應用［J］.電力信息化，2012，8(7):10-13.

［4］齊文炎，霍明霞，楊延超.電動汽車交流充電樁淺析［J］.農村電工，2010(2):66-68.

［5］張 謙，韓維健，俞集輝，等.電動汽車充電站仿真模型及其對電網諧波影響［J］.電工技術學報，2012，27(2):159-164.

［6］SCOTLAND W W F.The Role of Electric Vehicles in Scotland's Low Carbon Future［R］.Scotland:WWF Scotland，2010.

［7］The Alpiq Garoup.Electric Vehicle Market Pen-etration in Switzerland by 2020［R］.Switzer-land:The Alpiq Group，2020.

［8］LU Yan-xia，JIANG Jiu-chun.Harmonic study of electric vehicle chargers［C］//Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and systems.［S.L.］:ICEMS，2005:2404-2407.