智能化充电桩模块化设计及实现

王飞++吴瑞明

摘 要：本文针对充电桩的智能化和模块化发展趋势，通过分析电动汽车智能充电桩的建设情况和智能充电桩的原理，提出了充电电池多样性、智能监控、通信和智能人机交互等功能需求，在此基础上设计了智能充电桩模块化设计方案，通过智能充电桩硬件结构实现了智能充电桩功能设计，认为模块化设计的电动汽车智能充电桩适应性广，具有较好的经济和社会效益。

关键词：智能化 充电桩 模块化

中图分类号：U46 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0108-03

德国政府规划到2020年使电动汽车数量超过100万辆。日本东京电力公司已宣布其成功研发出大型快速充电器，该充电器大大缩短了充电时间，这对日本电动汽车普及提供了较大的可能性。国内，比亚迪公司在深圳的厂区内建设了电动汽车快速充电站和充电桩。在“十五”计划期间，为实现能源安全、改善大气环境，国家制定了跨越式发展的战略并设立了“电动汽车重大科技专项”，集中了企业、高校、科研院所的力量进行攻关，把电动汽车的产业化技术平台作为重点研究工作，并在一些关键技术上取得了较好的进展。随着电动汽车行业的发展，作为辅助充电的基础设施——智能充电桩也越发广泛，人们对智能充电桩的研究也在逐渐深入，加快充电桩的基础建设已然成为推动新能源汽车发展的主要助力，但对于电动汽车智能充电桩的优化设计和其关键技术还有待研究与开发。

1 智能充电桩模块化设计

智能充电桩的工作原理，是当控制导引系统与电动汽车充电接口接通后，通过智能化的人机交互界面发出充电控制指令然后由主控制系统控制一个电池继电器的开闭来控制主回路上的交流接触器开闭，从而实现给电动汽车的电力补给功能。智能充电桩同时还有智能计费功能，该功能通过在主回路接入一个智能电表实现不同段多种费率的计量功能，并通过RS-485将计量数据传输到控制系统中，实现智能计量计费功能。智能充电桩的人机交互功能，RFID射频技术可以实现身份识别，将操作的基本信息录入射频卡中，同时还能用于费用结算；智能语音提示和状态显示灯也使操作更加简单便捷；智能化的人机交互界面，操作者可以从移动终端或者桩体显示器上对充电桩进行操作；嵌入式的微型打印机还能为操作者提供消费凭条。多种通信功能，可以实时地将各种数据实时反馈到移动终端和管理平台上，使充电桩的使用更加智能化舒适化。同时断路器浪涌保护器、急停按钮等的合理运用使得智能充电桩的安全性得到了更好的保障。

智能充电桩基本功能要求有如下几种。

（1）适用充电电池多样性：充电桩应能对锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、铅酸蓄电池类的电动汽车进行充电。（2）智能监控功能：实时采集充电桩充电状态信息，并将桩体信息实时传输到后台管理系统，并且能自动判断故障信息从而做出紧急自动断电保护等操作。（3）通信功能：充电桩应具备与蓄电池管理系统通信的功能，且能判断与蓄电池管理系统是否正确连接，能获得蓄电池管理系统充电参数和充电实时数据。（4）智能人机交互功能：简单友好的人机交互界面，操作界面更加智能化，使操作者有更加舒适的操作体验。根据上文对电动汽车智能充电桩的需求调查分析，可以将智能充电桩桩体硬件分为3个模块，分别为功能结构模块、人机交互模块以及安全防护模块。图1所示为智能充电桩的模块化框图。

2 智能充电桩硬件设计

电动汽车智能充电桩硬件系统主要由主控板、监控板、IC卡读写器、数字电表、移动通信模块、触摸屏、指示灯、按键等组成（如图2所示）。

当电动汽车需要充电时，用户将充电卡置于刷卡区，根据画面提示通过键盘进行相应操作，连接充电接口，选择充电模式，启动充电过程。在上述过程中，控制保护单元检测充电接口连接状态，如果连接状态不正常，则无法启动充电。同时，在充电过程中，显示区的充电指示灯点亮，监控单元实时监测充电电压、充电电流、充电接口连接状态、充电开关状态等，在异常或故障时断开充电开关，并报警。电动汽车充电桩应用环境大多在室外，工作环境比较恶劣，需要适应雨、雪、雾、风吹、日晒、高温、低温等恶劣天气的考验；同时，电动汽车作为一个充电设备，还必须能够承受各种电磁干扰的考验，在典型的工业电磁骚扰环境下能够正常提供充电服务，为此开发了集成控制系统（如图3所示）。

3 結语

智能交流充电桩是一款为电动汽车充电的辅助设备，集控制、管理、查询、显示等功能于一体，实现对整个充电过程的智能化控制。充电站是电动汽车的必配基础设施，适用于公共停车场、居民小区停车场、企业专用停车场等各类露天车场与地下停车场。由于电动汽车每天需要补充大量电能，经营充电站就可以获得巨大的充电服务收益。相对于加油站，电能比较安全和方便，可在各地大量安装设置充电站。

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] 桑雷，杨玉军.电动汽车充电桩工作原理及充电参数分析[A].2014年江苏省计量测试学会学术年会.江苏省计量测试学术论文集[C].2014.

[3] 赵薪智，李盘靖，张欢，等.电动汽车智能充电路径规划研究[J].重庆理工大学学报，2016，30（10）：34-39.

[4] 徐晓刚，李江全，马天鹏.基于ARM的直流充电桩计费控制系统设计[J].机械工程与自动化，2017（3）：147-149.

[5] 张艳辉，徐坤，郑春花，等.智能电动汽车信息感知技术研究进展[J].仪器仪表学报，2017，38（4）：794-805.endprint