電動汽車智能充電樁的設(shè)計和應(yīng)用

李占鋒, 王亞平

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學院 汽車工程學院, 西安 710018)

0 引言

汽車已經(jīng)成為人們不可缺少的交通工具，在提供了便利的同時也在大量的消耗石油、天然氣等有限的能源，而且汽車尾氣也對人類賴以生存的自然環(huán)境造成了嚴重的污染。面對能源與環(huán)境的雙重壓力，電動汽車應(yīng)運而生，隨之對作為后勤保障充電系統(tǒng)的要求也越來越高，本文對如何建立安全、便捷、低成本、高效率的智能充電樁提出了可行性建議，以期對電動汽車的長遠發(fā)展獻計獻策。

1 電動汽車的充電方法以及建立智能充電樁的意義

1.1 當前電動汽車的充電方法

1) 直流充電

直流充電方式是指直接由地面供給直流電源為電動汽車自身的蓄電池充電。這種方式有兩個優(yōu)勢，一是可以使電動汽車不需要配備車載充電裝置，從而減輕車身重量。二是功率大可以快速充電，從而節(jié)省充電時間。

2) 交流充電

交流充電方式需要220 V或者380 V的交流電源，并且在車載充電裝扮的濾波、整流以及保護之下對電動汽車的蓄電池進行充電。這種方式因為功率較小，所以充電時間相對來說會長一些，比較適合混合動力的電動汽車。

3) 配備多組蓄電池

配備多組蓄電池指的是至少為每輛電動汽車配備兩組蓄電池，一組供電，一組充電，電量不足的時候需要及時更換已經(jīng)充好電的蓄電池。這種方式的優(yōu)點是可以在最短時間使用滿電蓄電池繼續(xù)工作，缺點是需要大量的蓄電池更換站點，對維護人員的需求也很高，相對來說不僅投資大，智能程度也比較低。

1.2 建立智能充電樁的意義

電動汽車零排放、噪音小，屬于當前人們所倡導(dǎo)的綠色出行，這些特點是其絕對的優(yōu)勢，越來越多的人愿意使用，已經(jīng)漸漸被人們認可，這就要求充電系統(tǒng)是必須的后勤保障。需求量的增多對充電方式的智能化要求就越來越高，傳統(tǒng)模式的效率就跟不上了，而且當前電動汽車一般都是采用能效高、體積小的鋰離子蓄電池，這種電池對充電、放電要求都比較高，也是繼續(xù)智能化的充電樁系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)的控制與預(yù)警，避免對電池造成嚴重損害以及威脅人身安全。

2 電動汽車智能充電樁系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

1) 安全性：在智能充電樁為電動汽車充電的過程中，確保安全是最重要的，包括工作人員的人身安全、蓄電池的安全以及充電樁本身的安全。

2) 便捷性：所謂智能充電樁必須具備很高的智能性，盡量減少人為操作，頁面清晰明朗，用戶可以很方便的使用自己需要的服務(wù)。

3) 成本低：使用低成本獲取高效的充電效果是所有電動汽車用戶的心愿，也是推廣電動汽車行業(yè)的有效手段。

4) 高效性：隨著當前社會生活節(jié)奏的加快，最寶貴的就是時間，智能充電樁簡單便捷的快速充電模式大幅度提高了工作效率。

2.2 硬件系統(tǒng)要求

我們國家包含了多個溫度帶，南北溫差很大，自然環(huán)境相對來說也比較復(fù)雜，而且充電樁經(jīng)常需要在強電磁的環(huán)境下工作，這些特殊的要求都為電動汽車智能充電樁的設(shè)計增加了難度。

1) 考慮內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，適應(yīng)多種天氣

由于全球氣候的不斷變暖，對社會上的諸多行業(yè)都造成了很嚴重的影響。在設(shè)計智能充電樁的時候，必須考慮其外部結(jié)構(gòu)的封閉性是否良好，避免雨水、冰雪等進入樁內(nèi)導(dǎo)致電路短路或者系統(tǒng)故障；另外需要考慮的一點是需要在內(nèi)部形成良好的空氣流動，才可以及時散發(fā)元器件所產(chǎn)生的熱量，避免因為溫度過高引起機器故障。

2) 提高抗電磁干擾能力

電磁干擾主要指的是由各種電磁感應(yīng)所造成的擾亂信號傳輸?shù)默F(xiàn)象。目前隨著無線移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備日益增多，電磁干擾已經(jīng)成為非常普遍的現(xiàn)象。智能充電樁的工作環(huán)境經(jīng)常具有強電磁干擾，因此在設(shè)計電動汽車智能充電樁的時候，需要著重考慮的是電氣布局，降低其他電子設(shè)備的電磁干擾，確保電動汽車智能充電樁可以正常運行。

2.3 軟件系統(tǒng)功能目標

1) 簡單清晰的人性化操作頁面；

2) 安全可靠的充電管理；

3) 多種服務(wù)模式即可以計時、計電度、計金額充電；

4) 豐富的通訊接口；

5) 準確的用電統(tǒng)計和計費管理；

6) 標準的消費憑證打印。

從以上智能充電樁需要完成的軟件設(shè)計的目標來看，對終端控制器的采集數(shù)據(jù)與傳輸數(shù)據(jù)的能力要求都很高。為了實現(xiàn)刷卡、按時間、按電度、按金額充電以及準確扣費、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽鸵髮崿F(xiàn)這些功能的模塊穩(wěn)定、傳輸速度快、讀卡敏捷度高，才可以帶給用戶方便快捷的服務(wù)。

3 電動汽車智能充電樁系統(tǒng)詳細設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

硬件架構(gòu)

1) 組成框架

電動汽車智能充電樁的硬件系統(tǒng)由總控單元、監(jiān)控單元、顯示單元等組成，其硬件組成框架,如圖1所示。

其中，除了一些簡單的外部接口之外，著重介紹一下總控單元、顯示單元與監(jiān)控單元?？偪貑卧怯布到y(tǒng)的核心，負責整個充電過程的啟動、運行、實時監(jiān)控以及關(guān)閉，并且可以通過多種通信方式將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸給后臺。顯示單元由LCD顯示器、觸摸屏、指示燈和按鍵組成，最直觀展示給用戶的是LCD顯示器，用戶可以根據(jù)自身的充電需求來點擊觸摸屏上對應(yīng)的按鍵，選擇適合自己的充電方案。這時指示燈會亮起以此提醒用戶當前的充電樁處于正常工作狀態(tài)。在充電完成之后，指示燈變?yōu)榫G色以此提示用戶充電已經(jīng)結(jié)束。監(jiān)控單元包括模擬量的采集、開關(guān)量的采集和開出拉制。系統(tǒng)得到模擬量數(shù)據(jù)之后會將數(shù)據(jù)傳輸給開關(guān)量采集單元，依照這部分數(shù)據(jù)來提供與用戶充電需求匹配的充電量。充電完成之后由開出控制模塊指引用戶開出充電樁，然后繼續(xù)等待其他用戶。監(jiān)控單元的主要作用是監(jiān)測智能充電樁的工作狀態(tài)，包括對智能充電樁的進線輸入的電壓、充電輸出的電壓電流，充電接口的連接狀態(tài)以及車載電池狀態(tài)等等進行隨時隨地的監(jiān)測，一旦哪一塊出現(xiàn)了異常，可以及時的切斷電源輸出，進而保護電動汽車、蓄電池組以及智能充電樁本身的安全。

圖1 智能充電樁硬件組成框架

2) 硬件工藝

電動汽車智能充電樁需要面臨的工作環(huán)境要求其制造工藝必須可以適應(yīng)各種天氣且擁有較強的抗磁干擾能力，因此我們采用交叉覆蓋工藝設(shè)計，整個樁體的硬件結(jié)構(gòu)強度符合IP65防護級別的要求，而且在主體設(shè)計上采用鍍鋅鋼板作為硬件材料，并采用汽車烤漆工藝在表面涂一層保護膜，這樣就可以有效的防止水的滲入，確保智能充電樁可以在潮濕、鹽、霧等環(huán)境中正常運轉(zhuǎn)。另外，在選擇元器件的時候采用STM32F107VCT6微控制器，包含了高性能的RISC內(nèi)核、以太網(wǎng)接口、6個與其他控制單元對接的串口、16個IO接口，大幅提高總控單元的工作效率。最關(guān)鍵的是該設(shè)備可以在工業(yè)級溫度范圍內(nèi)正常運轉(zhuǎn)，各地區(qū)的溫差完全不會影響智能充電樁的應(yīng)用。

3.2 NandFlash電路設(shè)計

在智能充電樁的充電過程中，控制系統(tǒng)是非常重要的，通過處理器進行電池的管理和控制，還可以通過網(wǎng)絡(luò)對電池組狀態(tài)信息進行統(tǒng)計以及采集。控制系統(tǒng)的硬件包括控制電路、處理單元以及電能輸出等。電路包括充放電控制電路(信號采集、信號調(diào)理)以及處理單元電路、電能輸出電路、控制系統(tǒng)電源電路等等。可以說電路設(shè)計的優(yōu)劣直接影響智能充電樁的功效與運行。調(diào)度中心主要以實際的操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，啟動程序在FLASH ROM中存放，另外，控制系統(tǒng)還在NandFlash中存放一系列的記錄，例如：電壓、溫度傳感器、電流等，進一步對數(shù)據(jù)進行收集，最終使人機交互的功能得到實現(xiàn)。

3.3 LCD接口設(shè)計

LCD控制器的外部接口信號包括：幀同步信號VFRAME、線同步脈沖信號、像素時鐘信號以及LCD驅(qū)動器的AC信號和VM信號。LCD接口設(shè)計所選擇的控制芯片S3C44BOX集成中的顯示器可以直接對液晶屏幕進行控制，LCD驅(qū)動控制器對接口的時序、屏幕的刷新率以及數(shù)據(jù)總線的寬度進行設(shè)置與編輯。

3.4 充電樁導(dǎo)引電路設(shè)計

導(dǎo)引電路主要為了確定接口之間的連接完好，對供電功率以及充電連接裝置進行記錄，在充電過程中起到監(jiān)管的作用。在充電之前，對控制設(shè)置進行監(jiān)測，判斷電壓值是否符合充電需求，在確認接口連接完好之后，通過PWM信號來確定電流的最大值，在充電過程中對相關(guān)數(shù)值進行詳細登記，確保充電過程順利進行。

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)模塊劃分

智能充電樁系統(tǒng)按照模塊來劃分，大體上可以分為中央控制模塊即主控模塊、IC卡識別模塊、人機交互主頁面即顯示模塊、充電模塊、費用計算模塊，如圖2所示。

圖2 智能充電樁系統(tǒng)軟件組成模塊

各個模塊之間互相獨立，由多線程單獨處理，無論哪一個模塊出現(xiàn)故障都不影響其他模塊運行，而且在各個模塊之間進行信息交互，共同協(xié)作完成整個電動汽車的充電以及計費過程。

4.2 軟件系統(tǒng)工作流程

電動汽車用戶需要充電時，將汽車的充電口與充電樁的手柄連接之后，具體的工作流程如圖3所示：

4.3 軟件詳細設(shè)計

根據(jù)智能充電樁系統(tǒng)的軟件工作流程，電動汽車用戶充電可分為以下幾個步驟：

1) 進行IC卡識別將充電樁激活。如果無法識別則需重新開始，如果正常識別則進行下一步。

2) 判斷連接是否正確。如果充電插口與手柄之間的連接不正常，給出預(yù)警提示后重新連接。

3) 選擇充電模式。這個時候充電樁需要判斷當前電池的狀態(tài)，如果與用戶選擇的充電模式有沖突需要給出預(yù)警提示以及合理化的建議。

4) 進行充電。在充電的過程中，顯示模塊負責顯示一些基本信息，諸如卡內(nèi)余額，已完成充電時間以及預(yù)估剩余充電時間等。

圖3 智能充電樁系統(tǒng)軟件流程圖

5) 充電完成。充電結(jié)束的時候充電樁需要給出提示。

6) 計費。計費模塊給出本次充電所需費用。

7) 打印憑證。用戶打印計費憑證之后即可離開，這個時候充電樁就自動進入鎖死狀態(tài)，繼續(xù)等待下一個用戶。

5 系統(tǒng)測試

5.1 性能測試

在智能充電樁投入使用之前，一定要經(jīng)過現(xiàn)場測試，確?？梢詽M足快速充電的需求，并且可以顯示電池的電壓電流、充電的電壓電流、卡內(nèi)余額、充電時間、剩余充電時間等信息。保證智能充電樁在運行狀態(tài)良好時投入使用，如此才可以給用戶帶來良好的客戶體驗。

5.2 壓力測試

在基本功能測試完畢之后，還應(yīng)該進行壓力測試，即智能充電樁在連續(xù)工作時的抗壓性，隨著人們的認可，電動汽車的數(shù)量會越來越多，充電需求也會隨之增大，因此面對大客流量時智能充電樁的運行狀態(tài)同樣值得我們關(guān)注，使用簡單、不出現(xiàn)機器故障、充電快速、計費準確，這些都是優(yōu)良的智能充電樁系統(tǒng)必備的功能。

6 總結(jié)

總之，隨著新能源汽車市場的快速拓展，電動汽車的應(yīng)用也會越來越廣泛，操作便捷、充電安全高效的充電樁勢必會得到廣泛推廣，而充電樁的智能化也是推動電動汽車行業(yè)快速發(fā)展的有效手段，同時為改善環(huán)境做出了突出貢獻。

[1] 龔棟梁, 耿華, 宗遠洋.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子世界,2017(15):175.

[2] 劉濤.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2017(19):89-90.

[3] 劉朝輝.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(3):248.