電動(dòng)汽車充電樁相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用分析

陳勇財(cái)

漳州知了信息技術(shù)服務(wù)有限公司，福建 漳州 363100

0 引言

我國(guó)各地頒布了與電動(dòng)汽車相關(guān)的政策，使得電動(dòng)汽車的保有量迅速增加。部分地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，提供了充足量的充電樁，但在充電樁運(yùn)行之時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生通信、安全等方面的技術(shù)性問題，不利于對(duì)電動(dòng)汽車的電能補(bǔ)充。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需要的技術(shù)問題，運(yùn)用適宜的充電樁技術(shù)，保證充電樁的使用效果。

1 電動(dòng)汽車充電樁的概述

1.1 充電樁的功能和分類

目前我國(guó)大多數(shù)電動(dòng)汽車充電樁主要安裝在公共場(chǎng)所，還有在住宅、小區(qū)的停車場(chǎng)也逐漸普及。充電樁可以在墻面、地面等位置上加以固定，便于電動(dòng)汽車完成充電動(dòng)作，還能參照不同類型的電動(dòng)汽車，選擇差異性的電壓等級(jí)，提高了充電的效率和質(zhì)量。充電樁輸入端口處可以同交流電網(wǎng)進(jìn)行連接，而在輸出端口處則通過充電口或感應(yīng)區(qū)而開展充電工作，因此充電樁從技術(shù)路線可分為傳導(dǎo)式和無線充電樁。經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用，傳導(dǎo)式充電在功率、效率和成本等方面對(duì)無線充電形成了巨大的優(yōu)勢(shì)，因此本文主要討論傳導(dǎo)式充電樁所涉及的技術(shù)。根據(jù)不同地點(diǎn)，充電樁可分為公共、專用兩類；若按照安裝方式，可分為落地式、掛壁式兩類。如果按照充電方式分類，則主要分為交流式、直流式兩種。

1.1.1 交流式

交流充電樁在應(yīng)用過程中，通常要考慮到較多類型的技術(shù)指標(biāo)，如工作環(huán)境、輸入與輸出電壓、電流極值等。技術(shù)方面上，通常要顧及計(jì)量計(jì)費(fèi)、安全防護(hù)、通信等內(nèi)容，便于使充電樁更加可靠。在開展技術(shù)設(shè)計(jì)的過程中，要做好短路模塊的設(shè)計(jì)工作，防范漏電或過載問題的發(fā)生，計(jì)費(fèi)上則要關(guān)注對(duì)充電功能的優(yōu)化，如完善設(shè)計(jì)刷卡與充電模式，對(duì)電能表加以優(yōu)化等，有利于達(dá)成對(duì)充電電量進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)。

1.1.2 直流式

直流充電樁在結(jié)構(gòu)組成上較為復(fù)雜，主要包含了整流模塊、控制系統(tǒng)、人機(jī)交互等部分。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下方面：在人機(jī)交互的過程中進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)輸出側(cè)的過流、過壓保護(hù)設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)/手動(dòng)急停功能保障正常充電運(yùn)行，便于在異常工作狀態(tài)下，能夠立即停止輸出電流，斷開輸出接觸器，維持充電樁和電動(dòng)汽車的安全。直流樁目前主要分為分體式、一體式兩類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可根據(jù)場(chǎng)地要求進(jìn)行選擇。

1.2 優(yōu)化充電樁相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的意義

為了推進(jìn)我國(guó)環(huán)境保護(hù)事業(yè)發(fā)展的進(jìn)程，電動(dòng)汽車成為當(dāng)前人們出行的重要交通工具，而此類汽車的能源補(bǔ)給則和充電樁密切相關(guān)。若充電樁的供給存在缺陷，則容易對(duì)人們?yōu)槠嚰皶r(shí)充電帶來不良影響，降低了電動(dòng)汽車的普及和購(gòu)買率。我國(guó)部分地區(qū)中現(xiàn)階段仍然缺少對(duì)充電樁及其相關(guān)技術(shù)的使用，或技術(shù)運(yùn)用的水平較低，造成人們無法盡快找到充電樁，從而阻礙了我國(guó)環(huán)保工作的開展，也說明了充電樁的普及和充電樁有關(guān)技術(shù)的靈活運(yùn)用，是我國(guó)達(dá)成“雙碳”目標(biāo)、提升環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵一環(huán)。

2 電動(dòng)汽車充電樁相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用的分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)

該技術(shù)中主要使用了站控級(jí)能量管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SEMS），可完成對(duì)用電負(fù)荷的平滑處理，在較短的時(shí)間內(nèi)讓充電樁的配電容量有所提高，還能采用柔性功率分配控制方法，使充電樁成為功率相對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)負(fù)荷，可在電網(wǎng)負(fù)荷高峰時(shí)段中，對(duì)于電動(dòng)汽車的需求側(cè)產(chǎn)生響應(yīng)，在儲(chǔ)能模塊向電網(wǎng)反向輸出電能的過程中，幫助電網(wǎng)調(diào)節(jié)自身負(fù)荷。整個(gè)技術(shù)中主要包括以下三個(gè)模塊[1]。

2.1.1 S2G充電模塊

S2G充電模塊中具有智能化功率分配、柔性功率控制等功能，還有輸入過壓或欠壓、電池反接、輸出短路等多重安全防護(hù)，具有轉(zhuǎn)換效果良好、電流輸出可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可以在SEMS模塊的幫助下，完成對(duì)電動(dòng)汽車精準(zhǔn)、高效的充電控制調(diào)度任務(wù)。該模塊實(shí)現(xiàn)了多個(gè)功率模塊協(xié)同工作的目標(biāo)，可按照待充電車輛的數(shù)量，自動(dòng)化調(diào)配充電功率。由于其支持的電壓范圍較為廣泛，可以對(duì)多種類型的電動(dòng)汽車提供優(yōu)良的充電服務(wù)，也能與SEMS模塊協(xié)同合作進(jìn)行智能調(diào)配，動(dòng)態(tài)調(diào)整充電樁的輸出功率，對(duì)于充電服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

2.1.2 SEMS模塊

SEMS模塊以互聯(lián)網(wǎng)、能源控制技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用了當(dāng)前最先進(jìn)的“微服務(wù)”系統(tǒng)架構(gòu)，形成了功能互補(bǔ)、構(gòu)架邏輯統(tǒng)一性較強(qiáng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，具有快速交付、輕量化分布、高彈性伸縮、集中管理、跨平臺(tái)部署等特征，可迅速整合到S2G充電模塊中，在配電、人機(jī)交互功能的基礎(chǔ)上，對(duì)充電樁進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)控。表1為SEMS模塊的架構(gòu)組成和對(duì)應(yīng)功能。

表1 SEMS模塊的架構(gòu)組成和對(duì)應(yīng)功能

SEMS在功率分配上，通常具有四種策略模式。①當(dāng)新的電動(dòng)汽車充電時(shí)，SEMS可按照充電需求、充電負(fù)荷、電池容量等方面因素，對(duì)于儲(chǔ)能模塊放電功率、充電功率的分配形成指令，傳達(dá)到各模塊中。②當(dāng)充電樁接收到電網(wǎng)調(diào)度容量、持續(xù)時(shí)間調(diào)度指令后，SEMS會(huì)形成與傳達(dá)關(guān)于降低充電功率和儲(chǔ)能模塊放電功率的計(jì)劃。③如果有電動(dòng)汽車完成了充電活動(dòng)時(shí)，SEMS會(huì)按照空余的充電功率，優(yōu)先減少儲(chǔ)能模塊輸出功率。如果此時(shí)仍有空余，則會(huì)綜合考慮變壓器經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)、現(xiàn)有充電功率等因素，形成新的功率分配策略。④在充電樁接收到電網(wǎng)的放電指令后，SEMS可分析儲(chǔ)能模塊單獨(dú)放電，以及構(gòu)成充電功率下降時(shí)的功率分配策略。

2.1.3 儲(chǔ)能模塊

該模塊主要使用了安全、可靠的倍率型鋰離子電池，其放電功率可超過電池容量的3倍，充分滿足了電網(wǎng)和充電側(cè)負(fù)荷的雙向要求。為了確保儲(chǔ)能模塊的安全性能，通常會(huì)在以下三個(gè)方面開展設(shè)計(jì)工作。①防雷和接地方面，主要會(huì)在集裝箱頂部加裝避雷針，在箱底安置泄流設(shè)備，而在箱內(nèi)地面位置處鋪設(shè)絕緣膠皮，控制電池組相對(duì)地面的阻抗超過10kΩ。②消防安全方面，可配備獨(dú)立的滅火系統(tǒng)，集裝箱內(nèi)有七氟丙烷滅火器；在電池箱內(nèi)每個(gè)電池組中，還會(huì)裝有熱氣溶膠模塊，當(dāng)溫度達(dá)到170℃后便會(huì)觸發(fā)保護(hù)。③電能質(zhì)量方面，此模塊對(duì)于電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，會(huì)由儲(chǔ)能變流器決定，該設(shè)備的設(shè)計(jì)在遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)定的條件下，可防止儲(chǔ)能模塊對(duì)于電能質(zhì)量帶來負(fù)面影響[2]。

2.2 嵌入式實(shí)時(shí)控制技術(shù)

在電動(dòng)汽車電池充電之時(shí)，電池的溫度與內(nèi)部電壓會(huì)有所增加，若選用高電流充電的方式，容易影響電池的使用壽命。通常的充電控制方法是利用時(shí)間控制模式，即電荷的持續(xù)時(shí)間，或選用溫度控制模式，主要由電池在電荷中的溫度而決定，對(duì)電池兩端電壓進(jìn)行監(jiān)控而確定電壓的控制方法。圖1為充電樁的工作控制流程示意圖。

圖1 充電樁的工作控制流程

嵌入式實(shí)時(shí)控制技術(shù)是一種科學(xué)、高效的電池充電控制方法。該控制技術(shù)涉及的硬件中最重要的一部分便是中央處理器，與其他類型處理器的不同之處在于，其中集成了更多的芯片，讓集成系統(tǒng)微型化，同時(shí)保證了可靠性和可行性。按照綜合系統(tǒng)有限的資源與應(yīng)用的需求，嵌入式軟件代碼尺寸較小，通常存儲(chǔ)于微處理器系統(tǒng)的存儲(chǔ)芯片上，但伴隨系統(tǒng)開發(fā)難度的增加，傳統(tǒng)類型裸機(jī)程序會(huì)顯得較為擁擠，嵌入式操作方式則改進(jìn)了安全系統(tǒng)操作體的切割，使系統(tǒng)完成了擴(kuò)展、移植等任務(wù)，提升了系統(tǒng)開發(fā)的成效。整個(gè)技術(shù)中涉及的硬件組成主要包含以下三個(gè)方面。

2.2.1 微處理器單元電路

此單元電路和控制系統(tǒng)的功率控制單元，會(huì)提供輸出控制單元的切換控制。要求在此單元電路中，應(yīng)帶有未屏蔽中斷輸入、外部中斷輸入的嵌入式向量中斷控制器、arm-m3系統(tǒng)定時(shí)器、512kb上快閃程式記憶體、64kb片上sram，以及支援嵌入式操作系統(tǒng)移植的8區(qū)記憶體保護(hù)單元等。能夠做出關(guān)機(jī)、深度關(guān)機(jī)、低功耗睡眠、深度睡眠動(dòng)作，且在關(guān)機(jī)模式下可進(jìn)行中斷、喚醒處理器等。負(fù)載樁使用了較多和其他部件聯(lián)系較少的元件，說明要科學(xué)分配集成處理器系統(tǒng)的外部信息，用以管控每個(gè)功能元件[3]。

2.2.2 控制系統(tǒng)電源

集成控制系統(tǒng)對(duì)于電壓提出了差異性的電源要求，會(huì)在表內(nèi)顯示具體的分布狀態(tài)。電源單元負(fù)責(zé)向控制系統(tǒng)提供所需要的電源，而集成控制系統(tǒng)電源會(huì)通過220伏直流電入口同替代電源發(fā)生隔絕，此入口會(huì)被Weiduler電源模塊轉(zhuǎn)換成24伏交流電，輸出功率為48瓦。電源卡內(nèi)存在2各不同的電路板，會(huì)分別將電壓下降至5伏和12伏，在LM2596電壓降低芯片的輔助下，最大電流為3安，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%。經(jīng)由電源卡而進(jìn)入到周圍電路板的5伏電源，使電源從3.3伏添加至部分芯片中，若選用了SPX1118電壓降低芯片，則最大電流為0.9安。

2.2.3 電能輸出控制單元電路

充電樁運(yùn)用的交流電源接觸器，使電荷能量輸出斷開的重要控制設(shè)備，原因在于電磁線圈的工作電壓高于控制系統(tǒng)。三級(jí)串行控制結(jié)構(gòu)可配置為中繼器、板負(fù)載控制電路，與使用小型中繼器作為終極控制單元的交流電接觸的控制卡有關(guān)，在選用微處理器引腳信號(hào)時(shí)，控制信號(hào)會(huì)經(jīng)由隔離光輸出至24伏交流電壓輸出，閉合繼電器至220直流電壓輸出，關(guān)閉雙向通信觸點(diǎn)。當(dāng)交流電流接觸到電荷后，會(huì)輸出至返鄉(xiāng)電荷輸出，同時(shí)開啟雙邊通信觸電，使Kongo的能量輸出得以被切斷。

2.3 充電樁充電管理技術(shù)

該技術(shù)是一類儲(chǔ)能式綜合技術(shù)，系統(tǒng)中主要會(huì)選擇DSP控制芯片負(fù)責(zé)控制中樞，軟件可完成對(duì)于電池電壓、荷電狀態(tài)、電流、充放電溫度的監(jiān)測(cè)，以及功率調(diào)度等任務(wù)，可用以保證電池以恒壓、恒流的方式進(jìn)行充電與放電。在實(shí)際工作中，DSP采樣獲得的電壓反饋信號(hào)會(huì)與既定電壓值加以對(duì)比，參照誤差信號(hào)對(duì)PI進(jìn)行調(diào)節(jié)操作。PI調(diào)節(jié)模塊輸出信號(hào)會(huì)通過DSP的脈沖生成單元、三角載波進(jìn)行對(duì)比，由此產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)，在Buck變換設(shè)備的作用下合理調(diào)節(jié)占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。在對(duì)光耦輸出電路設(shè)計(jì)之時(shí)，需要對(duì)PWM光波電路進(jìn)行了解，對(duì)STM32一體式輸出光波電壓進(jìn)行控制，在正常運(yùn)行范圍內(nèi)輸出光耦。為了其他光波不會(huì)對(duì)PWM光波產(chǎn)生影響，還要對(duì)光耦電路輸出進(jìn)行隔離管理。在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，主要會(huì)利用光耦模塊，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的RS485收發(fā)器芯片展開設(shè)計(jì)，結(jié)合電源管理、電源獨(dú)立接地線兩個(gè)模塊，迅速找到通信功能設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，使通信系統(tǒng)的安全性得到保證。在充電之前要開展相應(yīng)的檢測(cè)準(zhǔn)備工作，觀察各接口的連接程度，當(dāng)確認(rèn)接口連接完整度較高后，要登記處理充電連接裝置、供電功率情況，詳實(shí)記錄設(shè)備和功率相關(guān)的數(shù)據(jù)，盡快開展精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)管理工作。之后應(yīng)當(dāng)采用充電電纜的方式，對(duì)充電樁和電動(dòng)汽車間的連接加以處理，在充電開始前需要記錄充電樁控制設(shè)備的變化信息，觀察電壓值是否滿足工作要求，根據(jù)PWM信號(hào)占空比確定充電樁電流最大值，使充電得到精細(xì)化管理，維持充電樁處于穩(wěn)定、安全的運(yùn)行狀態(tài)[4]。

2.4 V2G充電樁技術(shù)

V2G是一種新型充電樁技術(shù)，宗旨是“車網(wǎng)互動(dòng)”，與我國(guó)能源使用轉(zhuǎn)型有關(guān)，在電動(dòng)汽車迅猛發(fā)展的時(shí)代，該技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。此技術(shù)與“充電寶”設(shè)備原理類似，當(dāng)電動(dòng)汽車停止運(yùn)行之時(shí)，可在電網(wǎng)中傳輸電池的基本功能，而在電動(dòng)汽車恢復(fù)到充電狀態(tài)之時(shí)，則會(huì)讓電池回到電網(wǎng)中獲得電能，有利于維持電動(dòng)汽車與電網(wǎng)之間的電能平衡，便于電動(dòng)汽車車主向電力公司“出售”日常存儲(chǔ)的電力，重點(diǎn)運(yùn)用了電動(dòng)汽車的儲(chǔ)值效能。與其他技術(shù)相比，此技術(shù)能夠讓充電活動(dòng)不局限在高峰時(shí)段，在其他時(shí)期也可進(jìn)行，待到高峰時(shí)段中，便能將多余的電力返銷給電網(wǎng)，產(chǎn)生相應(yīng)的利潤(rùn)，也緩解了電網(wǎng)的負(fù)載壓力，提升了電能的使用能效，降低了對(duì)于電能的消耗。此技術(shù)現(xiàn)已得到了諸多電動(dòng)汽車公司的歡迎和投用，也逐步開展了對(duì)于技術(shù)的優(yōu)化研發(fā)工作，促使充電樁技術(shù)朝著多維度的方向發(fā)展[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，起到了減少人類交通活動(dòng)帶來環(huán)境污染的作用，而充電樁則是配套設(shè)施中最重要的一項(xiàng)。因此，在智能化時(shí)代中，應(yīng)做好充電樁的設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用工作，通過精準(zhǔn)把握網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)、嵌入式實(shí)時(shí)控制技術(shù)、充電樁充電管理技術(shù)、V2G充電樁技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提升充電樁產(chǎn)品的實(shí)用性，帶動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車和充電樁生產(chǎn)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。