電動(dòng)汽車(chē)充電樁系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)中技術(shù)為成熟的受到了人們的大力追捧。但是當(dāng)前充電問(wèn)題依然是困擾電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)將來(lái)快速發(fā)展的重要因素之一。因此，本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)，旨在推出更加便捷的電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電樁；控制系統(tǒng)

0引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸提升，電動(dòng)汽車(chē)愈來(lái)愈受到人們的追捧和喜愛(ài)。我國(guó)國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)也對(duì)電動(dòng)汽車(chē)提出了不同的充電模式，包括：電池組更換、快速充電、常規(guī)充電等。然而從實(shí)際應(yīng)用層面來(lái)分析，汽車(chē)電池組不但擁有較為龐大的體積，而且其重量也比較重，經(jīng)常性的更換不方便；而運(yùn)用直流充電柜為電動(dòng)汽車(chē)電池組充電，雖然達(dá)到了續(xù)航的目的，但也對(duì)電池的使用壽命造成很大損害。

所以，交流充電樁能夠非常有效解決電動(dòng)汽車(chē)電池組的能量補(bǔ)給以及續(xù)航問(wèn)題，運(yùn)用交流充電樁進(jìn)行充電不需要對(duì)電池進(jìn)行裝卸，而是直接運(yùn)用電纜線(xiàn)連接汽車(chē)電池組和充電樁就能夠完成充電作業(yè)，而且交流電對(duì)電池組進(jìn)行充電不會(huì)對(duì)電池的使用壽命和性能造成影響，是一種非常優(yōu)秀的充電方式。另外，交流充電樁重量輕、體積小，和我國(guó)電力系統(tǒng)了解較為便捷，容易在居民小區(qū)、辦公場(chǎng)所、超市以及電動(dòng)汽車(chē)充電站內(nèi)部進(jìn)行布設(shè)。

1 電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1.1電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)的基本單元

本文中設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁控制系統(tǒng)基本單元為：主充電電路系統(tǒng)、主控制電路系統(tǒng)、人機(jī)交互界面、收費(fèi)系統(tǒng)、刷卡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示：

1.2控制系統(tǒng)的硬件組成元件

優(yōu)秀的電動(dòng)汽車(chē)智能充電系統(tǒng)不但能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)對(duì)充電的需求，而且還具備電力計(jì)量、結(jié)算等功能。

因此，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇使用 At—mel企業(yè)生產(chǎn)的 ARM9處理器當(dāng)成系統(tǒng)重要的組成部分。該處理器具備以下特性：擁有5個(gè)串口，2個(gè) USB接口，1個(gè)主USB接口，另外一個(gè)為以太網(wǎng)接口，動(dòng)態(tài)SDRAM 控制器，NAND控制器，以及多路IO 口，并且這些元件都可以滿(mǎn)足工業(yè)級(jí)的溫度范圍，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)實(shí)際使用環(huán)境的需求。

系統(tǒng)中的電量計(jì)量裝置為多功能單相表計(jì)量，采用 RS485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，電路圖結(jié)構(gòu)示意圖如圖2：

2 電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

為了確保用戶(hù)使用的便捷性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如下應(yīng)用模塊：用戶(hù)信息交互模塊、電能

計(jì)量控制模塊。系統(tǒng)軟件功能模塊示意圖如圖3所示：

3安科瑞AcrelCloud-9000充電站運(yùn)營(yíng)平臺(tái)

3.1平臺(tái)概述

安科瑞充電站運(yùn)營(yíng)平臺(tái)依托物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)，對(duì)充電站配電系統(tǒng)的運(yùn)行、電能消耗、電能質(zhì)量、充電安全和行為安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，為充電站的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供保障，并及時(shí)切除安全隱患、避免電氣火災(zāi)發(fā)生，從而保障人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，打造“安全、高效、舒適、綠色”的“人—車(chē)—樁—電網(wǎng)—互聯(lián)網(wǎng)—多種增值業(yè)務(wù)”的智慧充電站，提升充電站的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.2適用場(chǎng)合

可廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、酒店、體育場(chǎng)等公共建筑；商業(yè)廣場(chǎng)、產(chǎn)業(yè)園等綜合園區(qū)；企業(yè)、住宅小區(qū)等場(chǎng)所。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和平臺(tái)層三個(gè)部分組成，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層：連接于網(wǎng)絡(luò)中的各類(lèi)傳感器，包括多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電能質(zhì)量分析儀表、電氣火災(zāi)探測(cè)器、限流式保護(hù)器、煙霧傳感器、測(cè)溫裝置、智能插座、攝像頭等。

網(wǎng)絡(luò)通訊層：包含現(xiàn)場(chǎng)智能網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，智能網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)從中斷的位置繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，保證服務(wù)器端數(shù)據(jù)不丟失。

平臺(tái)管理層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，可在PC端或移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電站配電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、充電樁的工作狀態(tài)、充電過(guò)程及人員行為，并完成微信、支付寶在線(xiàn)支付等應(yīng)用。

多功能電力儀表、汽車(chē)充電樁、電瓶車(chē)充電樁、電氣火災(zāi)探測(cè)器、限流式保護(hù)器、智能插座可通過(guò)全網(wǎng)通4G通訊模組與平臺(tái)直接通訊。

電能質(zhì)量分析儀表、煙霧傳感器和測(cè)溫裝置通過(guò)RS485，攝像頭通過(guò)RJ45與智能網(wǎng)關(guān)通訊，再由智能網(wǎng)關(guān)通訊通過(guò)4G統(tǒng)一與平臺(tái)通訊。

限流式保護(hù)器既可以通過(guò)4G連接平臺(tái)，也可以通過(guò)RS485連接網(wǎng)關(guān)。

平臺(tái)搭建在客戶(hù)自己配置的服務(wù)器上。搭建完成之后，客戶(hù)可以在任意能聯(lián)網(wǎng)的地方，通過(guò)有權(quán)限的賬號(hào)登陸網(wǎng)頁(yè)以及手機(jī)APP查看各處的運(yùn)行情況。

3.4相關(guān)產(chǎn)品介紹

3.4.1 7KW交流充電樁AEV-AC007D

產(chǎn)品功能

1）智能監(jiān)測(cè)：充電樁智能控制器對(duì)充電樁具備測(cè)量、控制與保護(hù)的功能，如運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、充電計(jì)量與計(jì)費(fèi)以及充電過(guò)程的聯(lián)動(dòng)控制等。

2）智能計(jì)量：輸出配置智能電能表，進(jìn)行充電計(jì)量，具備完善的通信功能，可將計(jì)量信息通過(guò)RS485分別上傳給充電樁智能控制器和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。

3）云平臺(tái)：具備連接云平臺(tái)的功能，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，財(cái)務(wù)報(bào)表分析等等。

4）保護(hù)功能：具備防雷保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)，漏電保護(hù)和接地保護(hù)等功能。

5）材質(zhì)可靠：保證長(zhǎng)期使用并抵御復(fù)雜天氣環(huán)境。

6）適配車(chē)型：滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)充電接口，適配所有符合GB/T20234.2-2015國(guó)標(biāo)的電動(dòng)汽車(chē)，適應(yīng)不同車(chē)型的不同功率。

7）資產(chǎn)安全：產(chǎn)品全部由中國(guó)平安保險(xiǎn)承保，充分保障設(shè)備、車(chē)輛、人員的安全。

3.4.2直流充電樁系列

3.4.3電氣火災(zāi)探測(cè)器ARCM300-Z

3.4.4限流式保護(hù)器ASCP200

產(chǎn)品功能：

1）短路保護(hù)：保護(hù)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電線(xiàn)路電流，當(dāng)線(xiàn)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)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

2）過(guò)載保護(hù)：當(dāng)線(xiàn)路電流過(guò)載且持續(xù)時(shí)間超過(guò)動(dòng)作時(shí)間（3~60秒可設(shè)）時(shí)，保護(hù)器啟動(dòng)限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

3）表內(nèi)超溫保護(hù)：當(dāng)保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)器實(shí)施超溫限流保護(hù)，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；

4）組網(wǎng)通訊：保護(hù)器具有1路RS485接口，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.5平臺(tái)功能

3.5.1首頁(yè)

平臺(tái)首頁(yè)顯示充電站的位置及在線(xiàn)情況，統(tǒng)計(jì)充電站的充電數(shù)據(jù)。

3.5.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

1）充電站監(jiān)控

可以按站點(diǎn)名稱(chēng)進(jìn)行篩選，顯示站點(diǎn)詳情、充電槍列表、統(tǒng)計(jì)訂單信息、故障記錄，點(diǎn)擊某個(gè)充電槍編號(hào)后在進(jìn)入充電槍監(jiān)控頁(yè)面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器負(fù)荷（搭配ACM300T、ADW300），當(dāng)負(fù)荷超過(guò)50%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為50%，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)80%時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負(fù)荷下降為止。如圖所示：

統(tǒng)計(jì)當(dāng)前充電站各充電樁回路的數(shù)據(jù)；通過(guò)卡片的形式展現(xiàn)充電樁的數(shù)據(jù)；顯示故障列表；如圖所示：

2）充電樁監(jiān)控

顯示充電樁充電數(shù)據(jù)；顯示各回路的充電狀態(tài)；可以對(duì)充電中的回路進(jìn)行手動(dòng)終止；顯示訂單信息、故障信息；如圖所示：

3）設(shè)備監(jiān)控

顯示限流式保護(hù)器的狀態(tài)，包括線(xiàn)路中的剩余電流、溫度及異常報(bào)警，如圖所示：

3.5.3故障管理

1）故障查詢(xún)

故障查詢(xún)中記錄了登錄用戶(hù)相關(guān)聯(lián)的所有故障信息。如圖所示：

2）故障派發(fā)

故障派發(fā)中記錄了當(dāng)前待派發(fā)的故障信息。如圖所示：

3）故障處理

故障處理中記錄了當(dāng)前待處理的故障信息。如圖所示：

3.5.4能耗分析

在能耗分析中，可查看規(guī)定時(shí)段關(guān)聯(lián)站點(diǎn)和關(guān)聯(lián)樁的能耗信息并顯示對(duì)應(yīng)的能耗趨勢(shì)圖。如圖所示：

3.5.5故障分析

在故障分析中，可查看相關(guān)時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)、故障狀態(tài)、故障類(lèi)型、趨勢(shì)分析以及故障列表。如圖所示：

3.5.6財(cái)務(wù)報(bào)表

在財(cái)務(wù)報(bào)表中，可根據(jù)時(shí)間查看關(guān)聯(lián)站點(diǎn)的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。如圖所示：

3.5.7收益查詢(xún)

在收益查詢(xún)中，可查看總的收益統(tǒng)計(jì)、收益變化曲線(xiàn)圖、支付占比餅圖以及實(shí)際收益報(bào)表。如圖所示：

4結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，安全、便捷的汽車(chē)充電方式顯得愈來(lái)愈重要。本文中設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)擁有三大優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

(1)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)使用非常便捷；

(2)該系統(tǒng)的集成化程度非常高；

(3)系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，用戶(hù)非常容易進(jìn)行操作。

其實(shí)際應(yīng)用后必將能夠有力的促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中不但考慮到了充電的便捷性，而且還對(duì)與充電樁的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了結(jié)合，盡大程度的提升對(duì)電能的利用效率以及用戶(hù)的實(shí)際使用滿(mǎn)意度。我們相信，在未來(lái)隨著我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)必將發(fā)揮出更大的作用。

參考文獻(xiàn):

[1] 朱江淼,張森.電動(dòng)汽車(chē)充電站實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)電能計(jì)量系統(tǒng)的研制[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2O15(12)．

[2] 溫超,袁金云,王冬青.交流充電樁中觸摸屏與 PLC的通信研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2015(03)．

[3]蘭琴麗,周晨,孫皴.電動(dòng)汽車(chē)充電樁控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(24):40.

[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版.

作者簡(jiǎn)介：任運(yùn)業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。