电动汽车智能充电桩的设计与研究

刘涛

摘 要：在全球能源危机和环境危机严重的大背景下，电动汽车作为新型绿色交通工具具有广阔的发展前景。目前，国内外都在积极建设和完善各自的电动汽车充电设施，其中最为重要的配套基础设施就是充电桩。随着电动汽车的进步，智能充电技术越来越重要，如何设计出高效、可靠的充电系统则成为保障电动汽车安全高效行驶的关键。该文就电动汽车智能充电桩的软硬件设计进行探讨。

关键词：电动汽车 智能充电桩 软硬件设计

中图分类号：TM910.6；U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（a）-0089-02

汽车是现代社会发展的体现，但是由于其高速增长量和使用石化材料给我国能源和环境带来了很大的挑战[1]。石油是一种不可再生的资源，加上大气破坏导致石油资源严重匮乏，然而新型电动汽车的出现解决了这一问题，它能真正意义上实现零排放。相对于国外发达国家，我国的电动汽车虽然起步较晚，但发展迅速，一些中小型电动汽车已经取得了有效的研发成果，有着很好的发展与运用前景。2015年1月15日建成的京沪高速快充网络解决了沿途六省市电动汽车绿色出行的续航问题，目前我国正在积极建设和扩展城际快充网络。

1 充电系统的功能要求

电动汽车充电系统的工作方式就是把供电电源的能量转给蓄电池，这个过程则是把电源的功率降低传给蓄电池。一般而言，充电系统主要是由电动汽车充电桩、集中器、电池管理系统和充电管理服务平台4个部分组成，基本要求有以下几点。

（1）安全性：在为电动汽车充电的时候，要确保工作人员和车主以及蓄电池组合的安全。

（2）便捷性：充电系统有完善的智能工作方式，不需要工作人员过多地操作。

（3）效益高：充电系统在给蓄电池充电时，是以降低成本的方式给蓄电池充电，能有效降低电动汽车运行所消耗的成本，给双方都带来效益。

（4）效率高：充电系统的高效率能提升电动汽车工作效率，从而降低电动汽车能源消耗。

（5）污染小：电动汽车充电桩属于配电网侧，在充电过程中对电网和蓄电池影响要小，避免对环境以及其他设备带来伤害。

2 充电系统的充电和充电桩建设方式

2.1 充电系统的充电方式

目前，电动汽车充电主要有交流充电、直流充电、更换电池组、非接触式充电四种方式，具体要求及适用范围如下。

（1）交流充电：来自配电网提供的220V或380V交流电源，充电装置有滤波、整流、逆变等功能，实现在负荷高峰时通过逆变设备对电网送电，低谷时通过整流设备对蓄电池充电，这种方式充电时间长（一般在3～6 h）、功率大，适合小型电动汽车充电。

（2）直流充电：来自地面充电桩电源220V/32A，给蓄电池充电时，不会像交流充电那样需要借助蓄电池的作用，这种方式充电速度快，不到1 h能充电4/5，但对蓄电池损害很大，适合大型电动汽车充电。

（3）更换电池组：这种充电方式的电动汽车必须拥有两个蓄电池，在一个蓄电池电力不足时可以更换另一个蓄电池，而这个蓄电池又可以进行直流充电，这种电动汽車在很大程度上节约了充电时间。这种充电方式需要两组蓄电池进行供电，以致需要很多电池更换站点，对人员要求也多、成本高，而且太过机械化，目前这种方式在国外运用较多。

（4）非接触式充电：这种充电方式需要地面有一个电器元件，汽车也要有一个能接触地面的充电接受位置，这种情况下，汽车在行驶的情况下也能充电，就不存在其他充电方式需要停下来为蓄电池充电。但这种充电方式所花费的成本以及各种路段等的限制，不太适用。

以上四种充电方式都有其利弊，采用哪一种充电方式给电动汽车充电需要经过市场来决定。

2.2 充电桩建设方式

从技术层次考虑，交流电充电桩可以建设在停车场等地，它的优点在于可以在汽车空闲时间充电、方便使用，而且220 V或380 V电压很好获得；直流充电桩也能在停车场等地建设，适合大型电动汽车充电，但由于其功率大，对电网影响较大。而更换电池组和非接触式充电方式所花费的前期成本太高，风险太大，暂不适合大面积推广使用[2]。

综上所述，220 V/380 V交流电充电应该是主流方式，因此该文研究电动汽车智能充电桩的设计以交流充电方式进行。

3 建设智能充电桩监控系统

3.1 充电桩智能监控系统的作用

（1）能自动识别IC卡，用户可以通过IC卡进行充电、余额查询和计费等，用户还可以选择充电模式，如计费充电、里程充满或自我选择充电电量。

（2）能自动检测并保护充电桩交流电源的电压和电流，也能在充电过程中检测保护电池。

（3）能有效监控对蓄电池充电的全过程，包括检测充电状态、充电时电压和电流的高低。

（4）能及时与上级管理在数据和通信商进行沟通，以便上级管理实时监控。

3.2 充电桩智能监控的设计

3.2.1 硬件设计

充电桩智能监控硬件系统有主控台、IC读卡器、显示屏、通信、键盘等等，充电桩监控系统见图1。交流电是接入的220 V/380 V电网电源，通过充电模块的过滤和整流等，直接对电动汽车充电；IC卡识别模块是给用户开启充电桩的功能，IC卡识别模块可以显示用户余额以及个人信息，人机交互模块可以选择充电模式、里程充满，或自我选择充电电量等；计费模块显示当前计费等。

主控模块是硬件系统的核心部分，有很多串口、网口和控制器等，它是控制一切模块的枢纽，实时监控运行情况和充电情况，以便及时传送到后台。为了有效对充电桩进行实时检测，还需要建设一个保护程序，见图2。通过监控保护单元对充电模块电压和电流进行控制以及对电动汽车的电池系统进行检测，如出现异常或不稳定时，及时断开电源，保护电桩电池的安全，确保电动汽车电池不受到损害。endprint

3.2.2 软件设计

充电桩智能监控软件设计需能有效实现与用户的沟通。用户给电动汽车充电的流程是这样：用户先将电动汽车充电接口和充电桩充电输入手柄连接，再插入IC卡，开启充电桩，如果用户充电接口与充电输出口没有连接好，系统提示报警；用户在身份识别完成后，就可以选择自己想要的充电模式，如果所选择的充电模式不匹配当前电池状态，系统提示报警；在充电过程中，屏幕会显示余额、充电时间、充电时长等，充电结束后，自动停止计费并打印发票，然后系统自行锁定。所有系统程序可以分为中央控制程序、IC卡识别程序、通信程序、显示程序、检测程序和打印程序，每个程序都是独立的，但又能协调处理工作。在设计上，编写程序人员必须严格按照电桩系统的稳定性以及可行性进行开发。

在人机交互程序设计上，需要考虑多样化功能，比如，充电种类选择、充电时间设置、里程充电设置、停止充电等，人机程序和主控程序的连接能更好地控制其他程序的工作。在程序设置上，安全程序是保障读卡器程序加密的，以确保用户信息安全以及电量计费和金额数据加密。

3.2.3 环境和电磁设计

电动汽车充电桩一般都安装在户外，因此受环境影响很大，尤其是阴雨潮湿等天气，不仅会给充电设施带来影响，也会给通讯带来不便。在建设智能充电电桩的时候，可以选择交叉覆盖式结构，这样充电桩外壳要选择防水防潮的材料，既防雨又通风，能很好降低充电桩的温度，硬件以及元件的选型都要选择工业级的；另外也要注意通信被干扰的情况，选择通信线时要注意抗干扰，保证这些元件能在不同环境下工作。

4 结语

充电桩作为电动汽车配套基础设施的重要组成部分，其智能化水平严重制约着电动汽車的发展。经笔者探索发现，电动汽车智能充电桩的设计是由硬件设施和软件设施组成，硬件设施包括主控台、IC读卡器、显示屏、通信、键盘等；软件设施有中央控制程序、IC卡识别程序、通信程序、显示程序、检测程序和打印程序等，每个环节要相互配合才能使工作更加高效。另外还要考虑到环境因素和抗干扰能力等，以保障充电桩安全、有效运行，注重人机交互，使用户可以自行鉴权，实现充电桩智能化。

参考文献

[1] 刘朝辉.电动汽车智能充电桩的设计与应用[J].电子技术与软件工程，2017（3）：248.

[2] 王旭，齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].机电工程，2014（3）：393-396.endprint