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淺析智能電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

更新時(shí)間:2021-10-27點(diǎn)擊次數(shù):1328次
淺析智能電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

摘要:智能電動(dòng)汽車的誕生,在很大程度上緩解了我國環(huán)境由于汽油型汽車的大量使用所不得不承擔(dān)的空氣污染、能源耗竭的問題。而推動(dòng)電動(dòng)車運(yùn)行的內(nèi)在動(dòng)力,來自于其智能充電樁。因此,本文就這一智能電動(dòng)車重的要部位——充電樁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討,希望能夠以此來推進(jìn)我國智能電動(dòng)汽車行業(yè)的進(jìn)步。關(guān)鍵詞:智能電動(dòng)汽車;充電樁;設(shè)計(jì);應(yīng)用;節(jié)能環(huán)保  

一、淺析智能充電樁的使用意義

        智能化的電動(dòng)汽車之所以能夠在這個(gè)時(shí)代受到普遍化的歡迎,一方面是因?yàn)槿藗儗?duì)于汽車環(huán)保性能的重視程度的逐步提高,另一方面,也是因?yàn)檫@種類型的汽車本身在使用過程當(dāng)中所制造出來的噪音較小,同時(shí)其相比于傳統(tǒng)的汽車,幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何的尾氣。

二、淺析智能電動(dòng)汽車充電樁的整體設(shè)計(jì)

1、淺析充電樁的設(shè)計(jì)原則

(1)安全性的原則

        智能充電樁的設(shè)計(jì),有一個(gè)不容忽視的原則——安全性原則。汽車的使用包含了許多潛在的不安全因素,尤其是對(duì)于配置了充電樁的智能電動(dòng)汽車而言,不管是充電過程的安全性還是用電過程的安全性,都是需要進(jìn)行把控的、不容小覷的重要內(nèi)容。因此,充電樁的設(shè)計(jì)人員需要首先將汽車使用人員的安全置于其設(shè)計(jì)該充電樁時(shí)參考要素當(dāng)中的重要位置。

(2)便捷性原則

        智能充電樁顧名思義,其智能化是重要的使用優(yōu)勢(shì)。相應(yīng)的,在智能化的操控下,其使用過程的便利性程度也會(huì)獲得相應(yīng)的提高。如此一來,就能為其使用者提供許多操作上的便利,使其傾向于使用智能電動(dòng)汽車。

(3)效率高的原則

        智能充電樁需要在其充電效率方面形成優(yōu)于傳統(tǒng)汽車的優(yōu)勢(shì),如此一來才能夠吸引更多的消費(fèi)者選擇這一類型的汽車作為代步工具。

2、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

 

        在我國進(jìn)行設(shè)計(jì)以及投入使用的智能電動(dòng)汽車,需要立足于我國的氣候條件和環(huán)境基礎(chǔ),才能夠設(shè)計(jì)出較能夠滿足我國消費(fèi)者使用需求的汽車[2]。因此,設(shè)計(jì)員在對(duì)其硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候,就需要考慮我國南北不同地區(qū)的使用者所在的環(huán)境之間存在的較大的溫度差異。除此之外,還需要考慮這一充電樁的工作環(huán)境,往往是在電磁強(qiáng)度較高的背景下。因此,其硬件條件需要能夠適應(yīng)于周圍宏觀環(huán)境及微觀環(huán)境的需求。以下將詳細(xì)闡述其硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

圖1智能充電樁的硬件組成圖

        智能充電樁的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所呈現(xiàn)的,其中較為重要的部分,分別是“三大單元"——其一是總控單元,其二是顯示單元,其三是監(jiān)控單元??偪貑卧鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)得以運(yùn)行的核心技術(shù)支持,其所負(fù)責(zé)的內(nèi)容可以分為四大部分,按照充電過程的順序,可以分為啟動(dòng)控制、運(yùn)行控制、關(guān)閉控制以及在其過程當(dāng)中的穿插的監(jiān)控部分。除了以上功能之外,這一總控單元還需要負(fù)責(zé)隨時(shí)隨地地向其后臺(tái)傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而其顯示單元這一部位,同樣由四個(gè)部分構(gòu)成,顯示部分一般來說,采用的都是LCD型號(hào)的顯示器,其擁有較為清晰的顯示功能,在和觸摸屏相互結(jié)合之后,可以將其中的具體操作途徑直觀地呈現(xiàn)在用戶的面前,以供其進(jìn)行選擇。其次是指示燈,其存在的主要作用,是為了提示用戶,充電樁處于何種狀態(tài)當(dāng)中。當(dāng)指示燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色的時(shí)候,說明其已完成自身的充電過程。較后,監(jiān)控單元所承擔(dān)的較主要責(zé)任,是保障這一充電過程的安全性。其工作流程如下:當(dāng)模擬量數(shù)據(jù)得到采集之后,這一單元就會(huì)以較快的速度,將其傳輸給接下來的開關(guān)量單元,這一單元在對(duì)用戶的充電量需求的大小進(jìn)行判斷之后,就會(huì)為用戶提供充電服務(wù)。由于以上單元的運(yùn)行始終處于智能環(huán)境當(dāng)中,因此其異常情況往往可以在出現(xiàn)的時(shí)候就得到處理,這就在很大程度上保障了其自身的安全度。

3、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

        軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)度,同樣是會(huì)對(duì)整個(gè)智能電動(dòng)汽車的運(yùn)行產(chǎn)生影響的重要方面。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與理論的啟示,我們認(rèn)為充電樁的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),需要滿足以下的目標(biāo)。首先,為了體現(xiàn)其智能化的優(yōu)勢(shì),需要將其操作頁面設(shè)計(jì)得更為簡潔清晰,讓車主一眼就能夠了解其操作原理,從而杜絕由于車主的不當(dāng)操作所引起的安全事故的發(fā)生。其次,其對(duì)于充電過程的管理能力需要獲得不斷的提升,使其安全度得以獲得有力的保障[3]。再者,在其中引入能夠較大地便利于車主的計(jì)時(shí)服務(wù)、計(jì)電服務(wù)等等,幫助其明確自身的用電量。除此之外,這一軟件系統(tǒng),還需要能夠?yàn)檐囍魈峁┫鄳?yīng)的消費(fèi)憑證打印服務(wù),借助這一標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù),車主能夠在更高的程度上,對(duì)這一類型的汽車產(chǎn)生由衷的認(rèn)可。

        除了以上的總體設(shè)計(jì)方式之外,在正式將這一充電樁投入使用之前,還需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用測試[2]。測試內(nèi)容一般包括如下幾個(gè)部分,其一是性能測試,也就是在其投入使用之前,為其充電狀況進(jìn)行測試,包括余額的顯示情況和充電速度等等。其二是承壓性測試,其主要內(nèi)容是測試這一智能充電樁充滿電之后,在壓力較大的情況下,是否能夠具備相應(yīng)的安全水平。

三、安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺(tái)

 

1、系統(tǒng)架構(gòu)

        安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控,同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警;通過微信小程序掃描二維碼,進(jìn)行支付后,系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求,控制二維碼對(duì)應(yīng)的充電樁完成電動(dòng)汽車的充電過程。

        充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng),配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù),基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議,與云端進(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能,具體功能如下:

資源管理:充電站檔案管理,充電樁檔案管理,用戶檔案管理,充電樁運(yùn)行監(jiān)測,充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算:充電價(jià)格策略管理,預(yù)收費(fèi)管理,賬單管理,營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

用戶管理:用戶注冊(cè),用戶登錄,用戶帳戶管理,消息管理

充電服務(wù):充電設(shè)施搜索,充電設(shè)施查看,地圖尋址,在線自助支付充電,充電結(jié)算,導(dǎo)航等

微信小程序:掃碼充電,賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務(wù):數(shù)據(jù)采集,短信提醒,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析

變壓器監(jiān)控:監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷,每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無線表,超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理,即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時(shí),系統(tǒng)會(huì)限制新增開始充電的充電樁的功率,降為百分之五十,當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時(shí),系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電,直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

在瀏覽器打開云平臺(tái)鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼,進(jìn)行登錄,防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺(tái)首頁

        平臺(tái)首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長,累計(jì)的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長,以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

l充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等,匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時(shí)長,進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

  • 充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時(shí)長和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

  • 搜索與使用

微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到,點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表,如下圖所示

l授權(quán)登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時(shí),會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁面,需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面,如圖所示:

  • 主功能頁

初次進(jìn)入主功能頁時(shí)需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能,在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站,查看充電站信息,可以進(jìn)行掃碼充電操作,地圖導(dǎo)航等。

  • 充電

掃描充電槍上的二維碼,如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面,可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱,以及當(dāng)前的賬戶余額,電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù),還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

  • 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱和余額,同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺(tái)服務(wù)器:建議按照我方推薦配置購買,或者客戶自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單:(如申請(qǐng)阿里云可忽略)

若客戶自己租用阿里云服務(wù)器,服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同,分別如下:

3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單:

四、安科瑞限流式保護(hù)器的介紹與選型

1、限流式保護(hù)器的設(shè)計(jì)

        電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大,以及使用壽命短等當(dāng)弊端,發(fā)生短路故障時(shí),能以微秒級(jí)速度快速限制短路電流以實(shí)現(xiàn)滅弧保護(hù),從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故,保障使用場所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

        安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護(hù)器的主要元件是固態(tài)開關(guān),不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)(微斷)。我們知道,傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程,分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30~50ms),帶負(fù)載斷開時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),分?jǐn)鄷r(shí)間微秒級(jí),速度快,無電弧產(chǎn)生。

        如圖1所示,當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí),傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作,且無法瞬時(shí)切斷電流,而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖


從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt,可以很容易看出,傳統(tǒng)空氣開關(guān)與固態(tài)開關(guān)在短路時(shí)所釋放的能量差別可以達(dá)到數(shù)千倍之多。因此當(dāng)裝配限流式保護(hù)器的回路發(fā)生短路故障時(shí),就可以避免電弧的產(chǎn)生,從而有效降低了電氣火災(zāi)。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器是單相限流式保護(hù)器,較大額定電流為63A。主要功能如下:

A)短路保護(hù)功能,線路發(fā)生短路故障時(shí),能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù);

B)過載保護(hù)功能,線路持續(xù)過載時(shí),保護(hù)器限流保護(hù);

C)表內(nèi)超溫保護(hù)功能,保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時(shí),保護(hù)器限流保護(hù);

D)過/欠壓保護(hù)功能,線路欠壓或過壓時(shí),保護(hù)器告警或限流保護(hù)(可設(shè));

E)電纜溫度監(jiān)測功能,被測線纜溫度超過報(bào)警設(shè)定值時(shí),保護(hù)器告警或限流保護(hù)(可設(shè));

F)漏電流監(jiān)測功能,線路漏電超過報(bào)警設(shè)定值時(shí),保護(hù)器告警或限流保護(hù)(可設(shè));

G)通訊功能,保護(hù)器配置1路RS485接口,1路2G無線通訊,可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺(tái),或第三方監(jiān)控軟件或平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數(shù)

4、應(yīng)用方案圖示

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器建議安裝在入戶開關(guān)下端,額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進(jìn)行設(shè)置,典型應(yīng)用示意圖如圖2所示:

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項(xiàng)

        在選用限流式保護(hù)器時(shí),限流式保護(hù)器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級(jí)的斷路器的額定電流保持一致。例如,當(dāng)限流式保護(hù)器輸入端斷路器的額定電流為32A時(shí),應(yīng)將限流式保護(hù)器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護(hù)器的正常使用,嚴(yán)禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線路中。

        ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝,可以掛墻安裝,也可以安裝在箱體內(nèi),應(yīng)確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì),并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。

        為確保可靠連接,接線時(shí)應(yīng)按接線圖進(jìn)行,同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱,也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常,線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后,再插入保護(hù)器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實(shí)。

        保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電,嚴(yán)禁非專業(yè)人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間,若被保護(hù)線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護(hù)時(shí),保護(hù)器仍處于帶電狀態(tài),不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路,并排除故障后,長按保護(hù)器的復(fù)位按鍵約2秒鐘,使保護(hù)器恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)。

        當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時(shí),則可能是因?yàn)樨?fù)載電流過大,環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е?,可通過加強(qiáng)通風(fēng)等措施,等保護(hù)器溫度降下來后,再長按復(fù)位鍵,使保護(hù)器復(fù)位,恢復(fù)正常運(yùn)行。

五、結(jié)束語

 

經(jīng)過本文詳盡的探討,我們可以得知,在這一智能充電汽車普及的過程當(dāng)中,其充電樁作為支撐其發(fā)展的重要部位,其設(shè)計(jì)的有效性將會(huì)直接對(duì)其應(yīng)用水平產(chǎn)生不容小覷的影響,并間接影響消費(fèi)者的使用體驗(yàn),影響這一類型汽車的市場銷量。因此,需要參考上述設(shè)計(jì)思路,從其設(shè)計(jì)原則出發(fā),考慮其硬軟件設(shè)計(jì)過程所需要面對(duì)的難題和達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo),以此來設(shè)計(jì)出更符合市場需求的智能充電樁產(chǎn)品。

 

參考文獻(xiàn)

[1]王旭,齊向東.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電工程,2014(3)

[2]任桂平.智能電動(dòng)汽車充電樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

 

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版


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