淺析電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)要求及相關(guān)技術(shù)探索

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：完善電動(dòng)汽車充電設(shè)施，常見(jiàn)的是充電樁。設(shè)計(jì)效率高、可靠的電動(dòng)汽車智能充電樁，對(duì)保證電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行有著非常重要的意義。因此，詳細(xì)探討了電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)要求和相關(guān)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；智能充電樁；設(shè)計(jì)要求；技術(shù)

引言

汽車事業(yè)的發(fā)展體現(xiàn)了現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，隨著汽車數(shù)量的快速增長(zhǎng)和石化材料的大量應(yīng)用，我國(guó)能源事業(yè)和環(huán)境發(fā)展面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。新型電動(dòng)汽車的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題，在一定意義上實(shí)現(xiàn)了*。我國(guó)電動(dòng)汽車起步較晚，但是其發(fā)展速度較快。尤其在研發(fā)方面，一些小型電動(dòng)車已取得了較好的成果，發(fā)展前景較好。在電動(dòng)汽車的充電樁設(shè)計(jì)上，還要對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究，提高電動(dòng)汽車智能充電樁的環(huán)境適應(yīng)性，保證其供電穩(wěn)定性。

一、電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)要求

我國(guó)土地遼闊，各個(gè)區(qū)域的自然環(huán)境也存在著較大差異，并且電動(dòng)汽車智能充電樁經(jīng)常工作在電磁較高的環(huán)境下，這些也都對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)提出了更高要求。要求電動(dòng)汽車智能充電樁不但要經(jīng)受較端天氣的考驗(yàn)，還要具備較強(qiáng)的抗電磁干力。

1、合天氣變化的考驗(yàn)

隨著全球氣候不斷的變暖，我國(guó)自然環(huán)境受到了較大的威脅，惡劣天氣事件出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高。不但影響了工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了一定影響。對(duì)于電動(dòng)汽車智能充電樁來(lái)說(shuō)，外部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和封閉性對(duì)電動(dòng)汽車使用的安全性均具有非常重要的作用。例如，電動(dòng)汽車智能充電樁的封閉性不佳，會(huì)導(dǎo)致水珠、雨雪等進(jìn)入到充電樁內(nèi)，造成電動(dòng)汽車智能充電樁內(nèi)部電路出現(xiàn)短路、系統(tǒng)故障等。因此，設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車智能充電樁時(shí)，要充分保證其外部結(jié)構(gòu)的封閉性和穩(wěn)定性。另外，為了使電動(dòng)汽車智能充電樁結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，還要保證其內(nèi)部空氣的流動(dòng)性。

2、具備抗電磁干力

電動(dòng)汽車智能充電樁所處的電磁環(huán)境，是由外界一些電磁感應(yīng)信號(hào)對(duì)自身充電樁信號(hào)接收和輸出情況造成干擾的環(huán)境。隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁干擾的情況也越來(lái)越頻繁。對(duì)于一些電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境中，為了保證電動(dòng)汽車智能充電樁的正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)上要考慮到電氣線路的布局，將外界電磁信號(hào)對(duì)自身的干擾降到較低，進(jìn)而將電磁干擾所造成的不良影響降到較低。

二、電動(dòng)汽車智能充電樁 APP 客戶端設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著智能手機(jī)的普及，APP 客戶端軟件在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛應(yīng)用。在對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁 APP 客戶端的設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶手機(jī)操作系統(tǒng)的不同分別設(shè)計(jì)了 iOSV7.0.0 版本和 Android V2.3.3版本的 APP 客戶端軟件，均為 C/S 體系結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和靈活性。

1、視圖層

視圖層是 APP 客戶端與用戶交互的界面，在了解用戶需求的情況下，可通過(guò)調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的接口對(duì)用戶需求進(jìn)行邏輯處理，并將處理結(jié)果展現(xiàn)給客戶。包括地圖顯示、支付結(jié)算、車輛狀態(tài)顯示、電池電量狀態(tài)顯示、控制界面以及查詢界面等。

2、業(yè)務(wù)邏輯層

需要及時(shí)完成用戶在業(yè)務(wù)上的邏輯需求，包括對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)讀取等。

3、業(yè)務(wù)實(shí)體層

業(yè)務(wù)實(shí)體層包括各個(gè)不同的業(yè)物實(shí)體、對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請(qǐng)求、對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)解析、對(duì)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)解析以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)等。APP 客戶端軟件在設(shè)計(jì)思維上，是根

據(jù)用戶選擇的功能對(duì)相應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)應(yīng)的模塊進(jìn)行調(diào)用。而在此過(guò)程中，業(yè)務(wù)流程的組織工作全部由業(yè)務(wù)邏輯層完成，還調(diào)用了業(yè)務(wù)實(shí)體層模塊。通過(guò)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的接口，可完成與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器之間的信息交換。

三、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)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(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)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(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過(guò)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(guò)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(yíng)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(cè)，充電樁異常交易監(jiān)測(cè)。

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(yíng)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(wú)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(guò)百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)百分之八十時(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。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

在瀏覽器打開(kāi)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(yè)

平臺(tái)首頁(yè)總覽每天的開(kāi)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(zhǎng)，累計(jì)的開(kāi)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(zhǎng)，以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)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(yè)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(zhǎng)，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

l 充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁(yè)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(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

l 搜索與使用

微信小程序可以通過(guò)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(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

l 主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)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。

l 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(yè)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)。

l 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(gòu)買(mǎi)，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(chǎng)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)器可克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開(kāi)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(zhǎng)、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(chǎng)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(kāi)關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程，分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)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(wú)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(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)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(guò)載保護(hù)功能，線路持續(xù)過(guò)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(guò)高時(shí)，保護(hù)器限流保護(hù)；

D）過(guò)/欠壓保護(hù)功能，線路欠壓或過(guò)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(cè)功能，被測(cè)線纜溫度超過(guò)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(cè)功能，線路漏電超過(guò)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(wú)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(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開(kāi)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(chǎng)所無(wú)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?？煽窟B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(guò)大而導(dǎo)致局部過(guò)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)禁非人士擅自打開(kāi)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(guò)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(zhǎng)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(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е?，可通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來(lái)后，再長(zhǎng)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(yǔ)

電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與技術(shù)應(yīng)用是促進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素。隨著我國(guó)電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)備設(shè)施的不斷建設(shè)和完善，我國(guó)在電動(dòng)汽車智能充電樁方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有了一定積累，水平也有了很大提升。但是，在對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)的發(fā)展和完善方面還有很長(zhǎng)的路程要走。因此，設(shè)計(jì)人員要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁的研究和創(chuàng)新工作，提高電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)技術(shù)水平，促進(jìn)我國(guó)電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜婕.電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)要求及相關(guān)技術(shù)探索.

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[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