电动汽车充电桩设计智能优化

韩平军 张昉 朱思成

摘 要：随着石油资源的枯竭和全球能源结构的战略转型，以电动汽车为代表的新能源汽车将逐步取代传统的燃油车成为轿乘用车市场上的主流。电动汽车作为新能源车的代表在其中占据着较大的比例，做好电动汽车充电站的建设将会对电动汽车市场的快速发展提供强大的助推力。电动汽车充电桩是电动汽车充能的重要设备，应当积极开展对于电动汽车充电桩的研究以便提高电动汽车充电桩的智能化水平，将电动汽车充电桩输出的电能曲线控制在电动汽车车载电池所能接受的最佳曲线，提高电动汽车的使用寿命。

关键词：电动汽车；充电桩；智能控制系统

中图分类号：U46 文献标志码：A

0 前言

电动汽车充电桩是电动汽车市场快速发展的重要基石，为保证电动汽车市场顺利发展需要积极做好电动汽车充电桩的建设与优化，从而使得电动汽车充电桩能够为电动汽车提供优质的充能服务。应当积极做好电动汽车充电桩的优化设计，结合电动汽车车载电池的特性对电动汽车充电桩的输出电流进行优化以确保电动汽车充电桩的输出电流能够逼近车载电池所能接受的最佳电流曲线，延长电动汽车车载电池的寿命。

1 电动汽车充电桩的充电原理与功能

电动汽车充电桩是一种固定于地面以便为电动汽车提供DC/AC电流的充电装置，并附加了数据（电流、电压等数据）显示、刷卡、计费等功能。直流充电桩主要是通过交流电网对电动汽车动力电池进行直接充电的充电装置，也被称之为“快充”，而电动汽车交流充电桩则主要是由交流电网向电动汽车所配置的车载充电机供电并由车载充电机将交流电转变为可供车载电池所使用的直流电，从而实现对于电动汽车车载电池的充电，电动汽车交流充电桩的充电效率较低耗时较长也被称之为“慢充”。交直流充电桩之间的区别还体现在充电桩输出功率方面的差别，相比较而言直流充电桩的输出功率要更大一些。电动汽车充电桩由于需要长时间高负荷工作，因此在对电动汽车充电桩进行设计时需要对电动汽车充电桩的可靠性与稳定性进行重点加强。同时电动汽车充电桩应当具有快速无损充电的能力以确保电动汽车充电桩能够向电动汽车车载电池进行短时间高负荷的充能，提高电动汽车充电桩的充电效率，电动汽车充电桩在具有高速充电能力的同时还应确保充电电流的平滑性，避免对电池造成过度损伤。

2 电动汽车充电桩的智能优化设计

电动汽车充电桩的相关技术参数如下：

输入电压：三相AC380V±15% 输入频率：50Hz±10% 输出功率：<90kW

输出电压范围：300V±100V 稳压精度：<0.5%

结合电动汽车充电桩的使用需求在对电动汽车充电桩进行智能化设计时主要分为以下几大部分：充能单元、人机交互界面、数据分析与采集模块等。充能单元主要是由交流接触器、电能表或是AC/DC转换器所组成，交流接触器控制外接交流电的通断，而AC/DC转换器则主要用于直流充电桩向电动汽车直接充电。电能表主要用于电能消耗的测量为智能充电桩中的计量单元，电能表将与电动汽车充电桩的控制单元进行直接通信用以将电能信息直接反馈至电动汽车充电桩的控制测量部分。对于电动汽车充电桩中的人机交互界面将使用MCGS触摸屏来实现电动汽车充电桩相关数据的显示，使用Flash作为电动汽车充电桩中的闪存。

电动汽车充电桩的主控单位将以TMS320LF2407型DSP作为主控单元用以对电动汽车充电桩中的各采集信号进行处理和运算，并实现对于电动汽车充电桩外围电路的控制。人机交互系统主要由人机交互界面和交易结算两大部分所组成，人机交互界面主要用于通过界面操作完成电动汽车蓄电池的自助充电并存储相关充电信息。交易结算单元用以完成电动汽车充电费用的计算和使用电量的统计及使用明细等。电动汽车充电桩中的安全防护单元分为紧急中止部分和自动安全防护两大部分，自动安全防护单元通过对电动汽车充电桩充电过程中的实时电流、电压等信号进行采集并传输至DSP中进行计算以判定电动汽车充电桩的运行状态是否正常，如数据异常将自动切断电动汽车充电桩并报警提示工作人员及时对其进行修复。紧急中止部分是用于突发状况的人工强制中断，保证电动汽车充电桩的运行安全。

磷酸铁锂电池快充方法主要有恒流充电法、恒压充电法、脉冲充电法以及反射式充电法等几种方法，上述几种充电方法各有优缺点。现代电动汽车充电控制要求越来越精确，单一地依靠上述某种充电方法将无法满足电动汽车充电所要求的快充和精确控制的要求。对于电动汽车充电桩的智能优化可以结合磷酸铁锂电池的充电规律，利用分段式充电原理实现车载电池的最优化充电。分段充电主要将电动汽车充电桩的充电分为3个阶段：

（1）预充电阶段，这一阶段车载电池的SOC在10%以内，其主要用于保护电池。

（2）恒流充电模式，结合电池的充电特性选用分段恒流充电模式可以实现对于电池的快速无损充电。

（3）大电流正负脉冲充电模式。最后一阶段采用此种充电模式可以有效地加入去极化脉冲消除磷酸铁锂电池的极化问题。

第二阶段在充电模式的划分上采用的是SOC控制法，通过电池的SOC来控制本阶段的充电电流。最后一阶段的正负脉冲充电可以细分为正脉冲阶段、停止阶段以及负脉冲去极化3个阶段。针对各阶段车载电池充电特性的不同对车载电池的充电状态进行建模分析，以便确定电动汽车充电桩的充电参数。需要注意的是在正负脉冲充电阶段，负脉冲时间的不断增加会造成车载电池电压压降逐步增大，研究确定磷酸铁锂电池的极化电压为0.171V，通过将去极化负脉冲的时间确定为56ms将能够实现对充电电池良好的去极化效果，提高充电电池的使用寿命。同时对于磷酸铁锂电池充电时的前搁置时间通过试验分析确定为100ms，而对于磷酸铁锂电池的后搁置时间则确定为200ms。分段式充电策略的实施将有助于提高充电的效率和安全性，结合电动汽车车载电池的充电特性合理地确定充电方案用以最大限度地保证电动汽车电池的安全性与可靠性。

3 电动汽车充电桩控制系统的硬件构成

电动汽车充电桩控制系统可以采用UPS进行断电供电，平时的供电将依靠主电源供电并使用隔离变压器屏蔽来自于主电源的干扰信号。除了采用隔离变压器屏蔽主电源的干擾外，对于经过隔离变压器的供电电源需要经过LM7824进行滤波应以得到安全、稳定的控制系统供电电源。所得到的24V电源可以用作IGBT供电或是接触器的驱动电源。电动汽车充电桩的充电单元主要由三相桥式整流电路、全桥功率转换电路以及放电去极化电路三大部分组成，通过对电动汽车充电桩控制电路进行优化用以更好地优化电动汽车充电桩的电流质量。

结语

电动汽车充电桩是电动汽车产业发展的重要基石，积极做好电动汽车充电桩的设计与优化对于提高电动汽车车载电池的使用寿命有着极为重要的意义。本文在分析电动汽车充电桩结构与特性的基础上对如何做好电动汽车充电桩的智能优化进行了分析介绍。

参考文献

[1]刘建敏，高云飞.CAN总线在电动汽车BMS系统与充电桩之间通信的应用[J].微计算机信息，2012（9）：205-207.

[2]何敏恬，王元峰，张路，等.GH-ACCP12电动汽车交流充电桩在智能化小区的应用[J].自动化与仪器仪表，2015（9）：237-238.

[3]徐建清，刘岗，雷冬阁.基于STM32的充电桩智能化控制系统设计与实现[J].数字化用户，2017，23（48）：37-39.