電動汽車智能充電樁的設(shè)計要求及技術(shù)分析

曹傳喜

摘 要：電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛，由于電動汽車對環(huán)境的影響明顯小于傳統(tǒng)汽車，因此，電動汽車在我國具有優(yōu)良發(fā)展空間和寬廣發(fā)展平臺。本文探討了電動汽車智能充電樁功能需求和設(shè)計要求，研究分析了電動汽車智能充電樁設(shè)計技術(shù)，旨在推動我國電動汽車生產(chǎn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動汽車;智能充電樁;硬件系統(tǒng);智慧網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：U491.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0153-02

0 引言

我國是能源持有大國，同時也是能源應(yīng)用大國，面對日益嚴峻的能源形勢，國家正致力于推進新型能源體系建設(shè)，電動汽車屬于新能源汽車，相比傳統(tǒng)汽車在能源耗費量上具有明顯的優(yōu)勢，而智能充電樁是支持汽車制造企業(yè)擴大電動汽車生產(chǎn)規(guī)模，有效更新我國交通體系的基礎(chǔ)，積極開展智能充電樁設(shè)計可有效完善現(xiàn)有的電動汽車充電樁運行系統(tǒng)，優(yōu)化充電樁的基礎(chǔ)功能。

1 電動汽車智能充電樁功能需求

公開資料顯示，2019年7月至12月全球插電式混合動力車銷量分別為38112.0輛、37257.0輛、41633.0輛、48084.0輛、46474.0輛、52612.0輛，全球純電動汽車銷量分別為96914.0輛、111034.0輛、124741.0輛、98024.0輛、118115.0輛、188822.0輛，純電動車銷量同比增長30%。由此可知，電動汽車仍然具有較大的生產(chǎn)空間，為促進電動汽車生產(chǎn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計時充分分析智能充電樁的功能需求?；谀壳拔覈目茖W技術(shù)水平和電動汽車功能發(fā)展方向可知智能充電樁需要能夠適配多種充電電池，包括鋰離子蓄電池、鎳氫蓄電池、鉛酸蓄電池等，另外，智能充電樁還需要具備智能監(jiān)控功能、通信功能和智能人機交互功能。其中，智能監(jiān)控功能可支持智能充電樁生產(chǎn)企業(yè)和智能充電樁管理機構(gòu)對其運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，分析智能充電樁內(nèi)部設(shè)備的運行信息，有效識別智能充電樁的運行風險，繼而合理開展維護和更新。通信功能可支持電動汽車駕駛?cè)藛T有效定位附近的智能充電樁，并以此為基礎(chǔ)，合理規(guī)劃充電路線，同時，智能充電樁的通信功能還可支持充電樁內(nèi)部信息系統(tǒng)與蓄電池管理系統(tǒng)進行信息聯(lián)通，有效判斷充電樁的充電狀態(tài)，使智能充電樁能夠滿足智能汽車的充電需求。智能人機交互功能的設(shè)計體現(xiàn)了人性化的設(shè)計理念，能夠有效支持操作者快速完成充電方案選擇[1]。

2 電動汽車智能充電樁設(shè)計要求

公開資料顯示，2019年12月，美國、荷蘭、英國、德國、法國、瑞典、挪威、瑞士的電動汽車銷量分別為35814.0輛、22904.0輛、9478.0輛、9160.0輛、8447.0輛、6731.0輛、5969.0輛和2262.0輛，我國12月電動汽車銷量為125018.0輛，由此可知，我國對電動汽車智能充電樁的應(yīng)用需求比其他國家更為迫切，以下對電動汽車智能充電樁設(shè)計要求進行介紹：

（1）安全性要求。電動汽車作為新能源汽車是汽車制造企業(yè)的主要制造方向，在智能充電樁設(shè)計中應(yīng)切實考慮到充電設(shè)備運行安全和使用人員人身安全的問題，應(yīng)利用先進技術(shù)進行測試分析，有效明確智能充電樁的安全系數(shù)[2]。（2）兼容性要求。目前，我國電動汽車的能源供應(yīng)具有較大差異，智能充電樁需要對電動汽車不同類型的電池進行充電，另外，由于現(xiàn)有電動汽車缺乏統(tǒng)一的充電接口，因此在電動汽車智能充電樁設(shè)計時應(yīng)充分滿足不同充電接口的電動汽車的充電需求。（3）維護性要求。電動汽車具有較大的運行范圍，為滿足電動汽車的持續(xù)性運行要求，需要在不同地理位置根據(jù)距離進行智能充電樁布設(shè)，大范圍的智能充電樁分布環(huán)境導致智能充電樁維護難度較高，因此，在實際設(shè)計中，應(yīng)形成全新的維護機制，避免投資浪費[3]。

3 電動汽車智能充電樁設(shè)計技術(shù)分析

3.1 智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

公開資料顯示，2013年至2019年，歐洲純電動汽車銷量分別為2.28萬輛、3.94萬輛、5.80萬輛、9.52萬輛、13.74萬輛、20.63萬輛、35.78萬輛，純電動車在不同類型電動汽車中的占比分別為82%、88%、88%、48%、51%、57%、66%，電動汽車銷量同比增長73%。要想進一步推動我國電動汽車制造行業(yè)發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計中積極開展智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中應(yīng)用的主要技術(shù)為二維碼技術(shù)、通信協(xié)議選擇技術(shù)、服務(wù)器端開發(fā)技術(shù)和客戶端開發(fā)技術(shù)，在設(shè)計前需要進行系統(tǒng)功能性需求分析和系統(tǒng)非功能性需求分析，繼而完成系統(tǒng)總體框架設(shè)計、軟件框架設(shè)計和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。為使智慧網(wǎng)絡(luò)能夠有效支持電動汽車駕駛?cè)藛T明確智能充電樁的分布位置以及智能充電樁管理人員獲知智能充電樁的運行狀態(tài)，在智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中需要有效建設(shè)電動汽車充電裝模型以及電動汽車充電模型，形成系統(tǒng)智能化調(diào)度管理策略，繼而在系統(tǒng)設(shè)計過程中科學構(gòu)建系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，完成登錄功能模塊設(shè)計、人員管理模塊設(shè)計、設(shè)備監(jiān)控管理模塊設(shè)計、調(diào)度管理模塊設(shè)計、運營分析管理模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)主動上報模塊設(shè)計、充電狀態(tài)控制模塊設(shè)計、動態(tài)計費模塊設(shè)計。在智能化服務(wù)器端模塊的支持下，電動汽車智能充電樁的智慧網(wǎng)絡(luò)得以構(gòu)建，能夠有效聯(lián)動電動汽車駕駛網(wǎng)絡(luò)和智能充電樁信息管理網(wǎng)絡(luò)。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

面對嚴峻的能源形勢，德國、法國、英國、荷蘭、挪威分別制定了汽車電動化戰(zhàn)略目標，充分表明汽車電動化發(fā)展的重要性、我國電動汽車充電樁在廣東、江蘇、北京、上海、山東、浙江、安徽、河北和其他地區(qū)的分布比例分別為12%、12%、11%、11%、6%、6%、5%、4%和33%，在廣州、江蘇、北京和上海等發(fā)達地區(qū)分布較為廣泛，為擴大智能充電樁分布范圍，應(yīng)根據(jù)電動汽車的智能充電樁應(yīng)用需求，開展硬件系統(tǒng)設(shè)計。硬件系統(tǒng)可與電動汽車硬件相連接，主要包括電氣控制系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和主控板，具有交流電輸入控制、安全防護電源轉(zhuǎn)換、交流電輸出控制等功能，其外設(shè)模塊包括觸摸屏、RFID讀卡器模塊、電能計量模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊。主控板主要由CPU模塊、最小系統(tǒng)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、外設(shè)接口電路、控制導引及其檢測電路、繼電器控制電路和語音電路構(gòu)成。值得一提的是，在硬件控制系統(tǒng)電路設(shè)計時進行的GBT驅(qū)動電路設(shè)計、直流輸出電壓采集電路設(shè)計、直流輸出電流采集電路設(shè)計和節(jié)點溫度采集電路設(shè)計能夠使智能充電樁具有較為穩(wěn)定的運行狀態(tài)，滿足不同條件下的電流輸送需求。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

電動汽車智能充電樁軟件系統(tǒng)為μcos-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高速信息傳輸渠道，能夠完成充電樁信息實時獲取，支持智能充電樁管理人員有效監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)。電動汽車充電樁軟件系統(tǒng)包括充電樁串口通信功能模塊和充電樁檢測模塊，其中，充電樁串口通訊功能模塊依托于串口通訊程序框架，具有觸摸屏通訊、RFID通訊、電能表通信、GPRS通信能力，可與電動汽車充電樁硬件系統(tǒng)相連接，通過外設(shè)模塊的觸摸屏、RFID讀卡器模塊、電能計量模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊，有效整合智能充電樁的相關(guān)運行信息。而電動汽車充電樁軟件系統(tǒng)的充電樁檢測模塊可完成控制導引、電路檢測和其他設(shè)備檢測，有助于維護充電樁正常運行狀態(tài)，實現(xiàn)風險控制和隱患排除。面對日益提升的智能充電樁應(yīng)用需求，在充電樁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中應(yīng)有效實現(xiàn)數(shù)字PI控制器、數(shù)字PWM，科學開展系統(tǒng)故障邏輯保護，搭建人機交互平臺，形成簡明、便捷的人機交互環(huán)境，為電動汽車駕駛員提供優(yōu)良的使用體驗。

3.4 有序充電設(shè)計

《2020年—2026年中國充電樁行業(yè)發(fā)展動態(tài)分析及投資方向研究報告》數(shù)據(jù)顯示，2019年1至12月份公關(guān)充電基礎(chǔ)設(shè)施充電電量分別為4.77億kW·h、4.20億kW·h、4.42億kW·h、4.79億kW·h、4.84億kW·h、5.48億kW·h、5.97億kW·h、16.62億kW·h、16.68億kW·h、6.61億kW·h、17.21億kW·h和8.04億kW·h，相比2018年公關(guān)充電基礎(chǔ)設(shè)施充電電量呈現(xiàn)了大幅上升趨勢，這代表著我國電動汽車銷量的提升和充電樁分布范圍的逐步拓展。要想進一步推動電動汽車制造行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計中完成有序充電設(shè)計?？筛鶕?jù)電動汽車智能充電樁的應(yīng)用需求，合理構(gòu)建電動汽車充電負荷模型，分析電動汽車充電負荷影響因素，利用蒙特卡洛方法模擬電動汽車充電負荷，進行無序充電仿真，繼而有序構(gòu)建充電目標函數(shù)模型，制定基于改進遺傳算法的有序充電控制策略，實現(xiàn)有序充電算力仿真。在有序智能充電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員能夠根據(jù)電動汽車的類型、電動汽車的充電特性及用戶的用車習慣合理規(guī)劃充電程序，滿足電動汽車的實際充電需求。值得一提的是，科學的有序充電系統(tǒng)可切實降低電動汽車用戶的充電成本，消除充電樁對電力網(wǎng)絡(luò)的不良影響，有助于推動電動汽車銷售經(jīng)濟增長。

3.5 測試系統(tǒng)設(shè)計

公開資料顯示，2010年至2019年，歐洲快充公共充電樁數(shù)量分別為2310個、5440個、8080個、13871、17178個和26584個;歐洲快速公共充電樁數(shù)量增速分別為135.0%、48.5%、71.7%和28.4%，充電樁數(shù)量與電動汽車銷售額具有正向關(guān)系。為推動我國電動汽車銷售行業(yè)、生產(chǎn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計過程中完成測試系統(tǒng)設(shè)計。測試系統(tǒng)可對智能充電樁的運行狀態(tài)、運行隱患進行充分分析，切實保證智能充電樁的安全系數(shù)處于允許范圍內(nèi)，測試系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)為故障診斷技術(shù)，以該技術(shù)為基礎(chǔ)，可實現(xiàn)充電設(shè)備故障診斷功能軟件開發(fā)和狀態(tài)監(jiān)控模塊構(gòu)建，利用硬件測試工具和軟件測試工具完成直流充電設(shè)備電路板測試、交流充電設(shè)備控制板測試、充電控制功能測試、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能測試、充電過壓故障試驗、充電槍頭檢測點故障試驗、絕緣故障試驗、通信故障試驗、急停故障試驗，充分分析不同環(huán)境下智能充電樁的運行狀態(tài)和運行隱患，有效調(diào)整智能充電樁的設(shè)計規(guī)劃，使智能充電樁能夠滿足電動汽車的實際充電需求。

4 結(jié)語

基于電動汽車在能源耗費量上的明顯優(yōu)勢，應(yīng)積極開展智能充電樁的設(shè)計和研究，支持電動汽車生產(chǎn)規(guī)模擴大，促進電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)能源環(huán)境保護。在電動汽車智能充電樁設(shè)計中應(yīng)充分分析智能汽車對智能充電樁的功能需求，合理完成智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、有序充電設(shè)計和測試系統(tǒng)設(shè)計。

參考文獻

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