電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)探究

趙斯衎

摘 要：現(xiàn)今，電動(dòng)汽車已成為人們出行的必備工具，其市場(chǎng)占有率不斷增長(zhǎng)。但續(xù)航能力不足及充電問題困擾著電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。因此，本文先概述了電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的運(yùn)行要求和充電方法，而后對(duì)其智能充電樁的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)展開探究，以供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 智能充電樁 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

電動(dòng)汽車給人們生活帶來便捷、推動(dòng)城市化發(fā)展進(jìn)程的同時(shí)也造成了嚴(yán)重的交通堵塞和環(huán)境污染。在可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境友好型的理念下，電動(dòng)汽車生產(chǎn)行業(yè)逐步加大了新能源汽車的研發(fā)力度，在設(shè)計(jì)中融入清潔能源和高新技術(shù)的應(yīng)用，旨在打造智能化的充電樁來解決電動(dòng)汽車的續(xù)航和充電問題，以提高充電效率、增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

2 電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)概述

2.1 運(yùn)行要求

電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)主要由充電樁、電池、集中器、充電管理系統(tǒng)四個(gè)部分構(gòu)成，通過降低電源功率的方式將其中的能量輸送到蓄電池來完成充電工作。運(yùn)行要求有：一要具備高度的安全性;二要具備操作簡(jiǎn)便性;三要合理控制運(yùn)行成本，避免能源浪費(fèi);四要確保充電效率高，以節(jié)省充電時(shí)間并降低能耗?；诋?dāng)前電動(dòng)汽車存在的續(xù)航能力差、耗電快、充電不及時(shí)等不足，優(yōu)化智能充電樁的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)極為必要。

2.2 充電方法

電動(dòng)汽車的充電方式主要有四種：一是交流充電。與交流電網(wǎng)相連，通過充電機(jī)的過渡充電裝置將交流電流輸送到蓄電池中，具有充電時(shí)間長(zhǎng)但安全性和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，一般適用于小型電動(dòng)汽車等[1]?？蛇x擇220V或390V的交流電壓，為家用和環(huán)保清潔車等小型電動(dòng)汽車進(jìn)行智能充電。二是直流充電?？芍苯訛殡妱?dòng)汽車的蓄電池提供電源，通過地面?zhèn)鬏斨绷麟娫?，充電時(shí)間短，但穩(wěn)定性不高、電池?fù)p耗大。常適用于小型快速充電或大型電動(dòng)汽車，如電動(dòng)公交車等。三是快速更換電池組。該方式雖節(jié)省了充電時(shí)間，但操作不便，且長(zhǎng)時(shí)間使用中蓄電池能耗較大，成本較高。四是非接觸式充電。通過電磁感應(yīng)、磁共振等裝置將磁能和電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，具有快速、靈活、接觸性能好等特點(diǎn)。但目前該方式的應(yīng)用受技術(shù)、資金等方面的制約。

3 電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能充電樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)先完善相應(yīng)的基礎(chǔ)硬件設(shè)施的框架，其組成主要包括：中央主控板、IC讀卡器、微型打印機(jī)、檢測(cè)芯片、顯示單元裝置、監(jiān)控裝置、GPRS通信模塊等，具體如圖1的框架圖。

在中央主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，要對(duì)主控板的控制充電系統(tǒng)的啟動(dòng)、運(yùn)行和停止等功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，以發(fā)揮其充電系統(tǒng)主模塊和有效監(jiān)控其充電樁運(yùn)行全過程的效果，以便借助多種通訊方式將運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及時(shí)收集和傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行分析和處理[2]。例如可使用具有低功耗、接口資源豐富、處理速度快、控制力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)的C44B0X微處理器來優(yōu)化主控系統(tǒng)相關(guān)功能的設(shè)計(jì)，主要對(duì)上位機(jī)與控制器進(jìn)行操作來增強(qiáng)控制系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)性能，以實(shí)現(xiàn)用戶自助操作、卡內(nèi)余額查詢等功能，并根據(jù)用戶等級(jí)設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)控權(quán)限，提高操作過程的安全性。同時(shí)完善CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以便實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的通訊采集和統(tǒng)計(jì)。

為準(zhǔn)確掌握充電樁的運(yùn)行情況，需設(shè)計(jì)顯示和監(jiān)控單元，連接好LCD顯示器、指示燈等硬件設(shè)備及各充電接口，用戶可通過LCD顯示器和觸摸屏上的按鍵進(jìn)行操作，根據(jù)界面設(shè)置內(nèi)容選擇需要的服務(wù)。當(dāng)連接充電后，指示燈會(huì)顯示當(dāng)下充電狀態(tài)，燈顏色由紅轉(zhuǎn)綠即為充電完成。廣大電動(dòng)汽車用戶便可開啟智能化的自助服務(wù)，可進(jìn)行充電卡余額查詢等，電量、充電時(shí)間等詳細(xì)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)顯示。監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)主要是對(duì)智能充電樁的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，將采集到的模擬量傳輸至開關(guān)量采集模塊，向用戶顯示準(zhǔn)確的充電需求量。當(dāng)發(fā)生充電故障時(shí)，其會(huì)立即切斷電源，并反饋具體信息和啟動(dòng)安全保障功能。當(dāng)完成充電后，由開出控制引導(dǎo)用戶將電動(dòng)汽車開出充電樁，以供其他用戶繼續(xù)使用。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的主要作用是將各功能模塊高效結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)各模塊功能的相互作用、協(xié)調(diào)和配合，確保充電樁順利開展充電工作。軟件系統(tǒng)的功能框圖如圖2。

第一，在主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，首先，連接好主機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器、web服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器等軟件元件架構(gòu)。其次，結(jié)合電動(dòng)汽車的類型和用戶的充電消費(fèi)需求等在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)匹配充電方案，以向用戶提供優(yōu)質(zhì)的自動(dòng)化充電服務(wù)。當(dāng)用戶選定服務(wù)后，主控模塊自動(dòng)啟動(dòng)通訊模塊的功能將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)的各單元模塊中，向各硬件模塊發(fā)送操作指令，實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化的充電操作。同時(shí)，在運(yùn)行中自動(dòng)采集用戶的消費(fèi)數(shù)據(jù)，如充電量、充電樁的運(yùn)行數(shù)據(jù)、消費(fèi)金額等，并達(dá)到信息優(yōu)化配置的效果。

第二，在安全管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，從保障數(shù)據(jù)的安全性與保密性著手，優(yōu)化設(shè)計(jì)解密模塊、密鑰管理模塊、數(shù)據(jù)加密模塊等。首先，構(gòu)建DBMS，設(shè)計(jì)好相應(yīng)的DDL、DML模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的定義和操縱功能。其次，利用數(shù)據(jù)加密技術(shù)或加密軟件，并設(shè)置安全密鑰完善數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后，將之與現(xiàn)有的CRM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)相結(jié)合，當(dāng)用戶在刷卡操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)交互，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶個(gè)人信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和加密處理的功能，并自動(dòng)啟動(dòng)密鑰管理系統(tǒng)的保護(hù)，以防止重要信息外泄，保障用戶信息安全。

第三，在遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，融合GPRS技術(shù)的應(yīng)用，安裝遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能充電樁遠(yuǎn)程定位控制的功能。

第四，在人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，主要是對(duì)界面內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，如歡迎界面、充電界面、付款界面等。利用與主控系統(tǒng)的交互，借助計(jì)算機(jī)的輸入輸出指令以及多點(diǎn)觸控技術(shù)模擬人與計(jì)算機(jī)的對(duì)話，使用戶在充電樁操作界面通過滑動(dòng)、點(diǎn)擊、放大縮小等動(dòng)作來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。

第五，在軟件系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)上，要優(yōu)化流程編寫和設(shè)計(jì)，如IC卡識(shí)別、連接是否正確、充電模式選擇、是否充電、充電結(jié)束、計(jì)費(fèi)等，確保各環(huán)節(jié)操作準(zhǔn)確。

在設(shè)計(jì)好后，用戶便可通過刷卡的方式進(jìn)行電動(dòng)汽車的充電操作。在指定區(qū)域刷好卡后，智能充電樁機(jī)器界面會(huì)顯示具體操作流程，用戶只需按照提示選擇自己需要的充電模式并連接上充電接口即可。

3.3 環(huán)境兼容系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)應(yīng)高度融合綠色、環(huán)保設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化環(huán)境兼容系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低能源資源耗損的同時(shí)減少環(huán)境污染，從而進(jìn)一步推動(dòng)環(huán)境友好型社會(huì)的發(fā)展。

首先，綜合考慮電動(dòng)汽車充電的影響因素和用戶需求，明確智能充電樁的設(shè)計(jì)原則和要求。利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)智能充電樁數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)據(jù)關(guān)系模型，并分析數(shù)據(jù)信息的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)兼容的功能，從而對(duì)智能充電樁進(jìn)行控制。其次，由于充電樁一般設(shè)置在室外，因此要充分考慮夏天的高溫暴曬和狂風(fēng)暴雨、冬天的雨雪冰凍等自然因素會(huì)帶來的不良影響。因而智能充電樁的安裝設(shè)計(jì)應(yīng)考慮周圍的環(huán)境、氣候等因素。而后，為避免電磁干擾，可選擇工業(yè)級(jí)別的零部件裝置，降低溫度、環(huán)境的負(fù)面影響。最后，在電氣設(shè)計(jì)上，要融入防雷器的運(yùn)用，采用壓敏電阻優(yōu)化電路的防靜電設(shè)計(jì)，通過雙向瞬態(tài)抑制二極管、磁環(huán)、磁柱等來加強(qiáng)對(duì)通訊線路的防靜電保護(hù)，以避免受到電磁的干擾[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

新時(shí)代背景下，要想增強(qiáng)電動(dòng)汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，還應(yīng)優(yōu)化新能源、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)在電動(dòng)汽車智能充電樁系統(tǒng)中的融入應(yīng)用，完善硬件、軟件、環(huán)境兼容等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效解決其續(xù)航和充電問題，從而增強(qiáng)用戶充電體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的規(guī)?；a(chǎn)，提升電動(dòng)汽車行業(yè)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊晶.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（11）：214-215.

[2]王孟濤，張妍.面向互聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（16）：141.

[3]曹新穎，史辛琳，劉琳娜，等.分析電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技風(fēng)，2019（15）：6.