电动汽车智能充电桩的设计要求及技术分析

曹传喜

摘 要：电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆，由于电动汽车对环境的影响明显小于传统汽车，因此，电动汽车在我国具有优良发展空间和宽广发展平台。本文探讨了电动汽车智能充电桩功能需求和设计要求，研究分析了电动汽车智能充电桩设计技术，旨在推动我国电动汽车生产行业持续健康发展。

关键词：电动汽車;智能充电桩;硬件系统;智慧网络

中图分类号：U491.8 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0153-02

0 引言

我国是能源持有大国，同时也是能源应用大国，面对日益严峻的能源形势，国家正致力于推进新型能源体系建设，电动汽车属于新能源汽车，相比传统汽车在能源耗费量上具有明显的优势，而智能充电桩是支持汽车制造企业扩大电动汽车生产规模，有效更新我国交通体系的基础，积极开展智能充电桩设计可有效完善现有的电动汽车充电桩运行系统，优化充电桩的基础功能。

1 电动汽车智能充电桩功能需求

公开资料显示，2019年7月至12月全球插电式混合动力车销量分别为38112.0辆、37257.0辆、41633.0辆、48084.0辆、46474.0辆、52612.0辆，全球纯电动汽车销量分别为96914.0辆、111034.0辆、124741.0辆、98024.0辆、118115.0辆、188822.0辆，纯电动车销量同比增长30%。由此可知，电动汽车仍然具有较大的生产空间，为促进电动汽车生产行业持续健康发展，应在智能充电桩设计时充分分析智能充电桩的功能需求。基于目前我国的科学技术水平和电动汽车功能发展方向可知智能充电桩需要能够适配多种充电电池，包括锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、铅酸蓄电池等，另外，智能充电桩还需要具备智能监控功能、通信功能和智能人机交互功能。其中，智能监控功能可支持智能充电桩生产企业和智能充电桩管理机构对其运行状态进行实时监控，分析智能充电桩内部设备的运行信息，有效识别智能充电桩的运行风险，继而合理开展维护和更新。通信功能可支持电动汽车驾驶人员有效定位附近的智能充电桩，并以此为基础，合理规划充电路线，同时，智能充电桩的通信功能还可支持充电桩内部信息系统与蓄电池管理系统进行信息联通，有效判断充电桩的充电状态，使智能充电桩能够满足智能汽车的充电需求。智能人机交互功能的设计体现了人性化的设计理念，能够有效支持操作者快速完成充电方案选择[1]。

2 电动汽车智能充电桩设计要求

公开资料显示，2019年12月，美国、荷兰、英国、德国、法国、瑞典、挪威、瑞士的电动汽车销量分别为35814.0辆、22904.0辆、9478.0辆、9160.0辆、8447.0辆、6731.0辆、5969.0辆和2262.0辆，我国12月电动汽车销量为125018.0辆，由此可知，我国对电动汽车智能充电桩的应用需求比其他国家更为迫切，以下对电动汽车智能充电桩设计要求进行介绍：

（1）安全性要求。电动汽车作为新能源汽车是汽车制造企业的主要制造方向，在智能充电桩设计中应切实考虑到充电设备运行安全和使用人员人身安全的问题，应利用先进技术进行测试分析，有效明确智能充电桩的安全系数[2]。（2）兼容性要求。目前，我国电动汽车的能源供应具有较大差异，智能充电桩需要对电动汽车不同类型的电池进行充电，另外，由于现有电动汽车缺乏统一的充电接口，因此在电动汽车智能充电桩设计时应充分满足不同充电接口的电动汽车的充电需求。（3）维护性要求。电动汽车具有较大的运行范围，为满足电动汽车的持续性运行要求，需要在不同地理位置根据距离进行智能充电桩布设，大范围的智能充电桩分布环境导致智能充电桩维护难度较高，因此，在实际设计中，应形成全新的维护机制，避免投资浪费[3]。

3 电动汽车智能充电桩设计技术分析

3.1 智慧网络设计

公开资料显示，2013年至2019年，欧洲纯电动汽车销量分别为2.28万辆、3.94万辆、5.80万辆、9.52万辆、13.74万辆、20.63万辆、35.78万辆，纯电动车在不同类型电动汽车中的占比分别为82%、88%、88%、48%、51%、57%、66%，电动汽车销量同比增长73%。要想进一步推动我国电动汽车制造行业发展，应在智能充电桩设计中积极开展智慧网络设计。智慧网络设计中应用的主要技术为二维码技术、通信协议选择技术、服务器端开发技术和客户端开发技术，在设计前需要进行系统功能性需求分析和系统非功能性需求分析，继而完成系统总体框架设计、软件框架设计和功能结构设计[4]。为使智慧网络能够有效支持电动汽车驾驶人员明确智能充电桩的分布位置以及智能充电桩管理人员获知智能充电桩的运行状态，在智慧网络设计中需要有效建设电动汽车充电装模型以及电动汽车充电模型，形成系统智能化调度管理策略，继而在系统设计过程中科学构建系统开发环境，完成登录功能模块设计、人员管理模块设计、设备监控管理模块设计、调度管理模块设计、运营分析管理模块设计、数据主动上报模块设计、充电状态控制模块设计、动态计费模块设计。在智能化服务器端模块的支持下，电动汽车智能充电桩的智慧网络得以构建，能够有效联动电动汽车驾驶网络和智能充电桩信息管理网络。

3.2 硬件系统设计

面对严峻的能源形势，德国、法国、英国、荷兰、挪威分别制定了汽车电动化战略目标，充分表明汽车电动化发展的重要性、我国电动汽车充电桩在广东、江苏、北京、上海、山东、浙江、安徽、河北和其他地区的分布比例分别为12%、12%、11%、11%、6%、6%、5%、4%和33%，在广州、江苏、北京和上海等发达地区分布较为广泛，为扩大智能充电桩分布范围，应根据电动汽车的智能充电桩应用需求，开展硬件系统设计。硬件系统可与电动汽车硬件相连接，主要包括电气控制系统、主控系统和主控板，具有交流电输入控制、安全防护电源转换、交流电输出控制等功能，其外设模块包括触摸屏、RFID读卡器模块、电能计量模块、GPRS网络通信模块。主控板主要由CPU模块、最小系统电路、电源转换电路、外设接口电路、控制导引及其检测电路、继电器控制电路和语音电路构成。值得一提的是，在硬件控制系统电路设计时进行的GBT驱动电路设计、直流输出电压采集电路设计、直流输出电流采集电路设计和节点温度采集电路设计能够使智能充电桩具有较为稳定的运行状态，满足不同条件下的电流输送需求。

3.3 软件系统设计

电动汽车智能充电桩软件系统为μcos-Ⅱ实时操作系统，该系统具有高速信息传输渠道，能够完成充电桩信息实时获取，支持智能充电桩管理人员有效监控充电桩运行状态。电动汽车充电桩软件系统包括充电桩串口通信功能模块和充电桩检测模块，其中，充电桩串口通讯功能模块依托于串口通讯程序框架，具有触摸屏通讯、RFID通讯、电能表通信、GPRS通信能力，可与电动汽车充电桩硬件系统相连接，通过外设模块的触摸屏、RFID读卡器模块、电能计量模块和GPRS网络通信模块，有效整合智能充电桩的相关运行信息。而电动汽车充电桩软件系统的充电桩检测模块可完成控制导引、电路检测和其他设备检测，有助于维护充电桩正常运行状态，实现风险控制和隐患排除。面对日益提升的智能充电桩应用需求，在充电桩控制系统软件设计中应有效实现数字PI控制器、数字PWM，科学开展系统故障逻辑保护，搭建人机交互平台，形成简明、便捷的人机交互环境，为电动汽车驾驶员提供优良的使用体验。

3.4 有序充电设计

《2020年—2026年中国充电桩行业发展动态分析及投资方向研究报告》数据显示，2019年1至12月份公關充电基础设施充电电量分别为4.77亿kW·h、4.20亿kW·h、4.42亿kW·h、4.79亿kW·h、4.84亿kW·h、5.48亿kW·h、5.97亿kW·h、16.62亿kW·h、16.68亿kW·h、6.61亿kW·h、17.21亿kW·h和8.04亿kW·h，相比2018年公关充电基础设施充电电量呈现了大幅上升趋势，这代表着我国电动汽车销量的提升和充电桩分布范围的逐步拓展。要想进一步推动电动汽车制造行业持续健康发展，应在智能充电桩设计中完成有序充电设计。可根据电动汽车智能充电桩的应用需求，合理构建电动汽车充电负荷模型，分析电动汽车充电负荷影响因素，利用蒙特卡洛方法模拟电动汽车充电负荷，进行无序充电仿真，继而有序构建充电目标函数模型，制定基于改进遗传算法的有序充电控制策略，实现有序充电算力仿真。在有序智能充电系统设计的基础上，设计人员能够根据电动汽车的类型、电动汽车的充电特性及用户的用车习惯合理规划充电程序，满足电动汽车的实际充电需求。值得一提的是，科学的有序充电系统可切实降低电动汽车用户的充电成本，消除充电桩对电力网络的不良影响，有助于推动电动汽车销售经济增长。

3.5 测试系统设计

公开资料显示，2010年至2019年，欧洲快充公共充电桩数量分别为2310个、5440个、8080个、13871、17178个和26584个;欧洲快速公共充电桩数量增速分别为135.0%、48.5%、71.7%和28.4%，充电桩数量与电动汽车销售额具有正向关系。为推动我国电动汽车销售行业、生产行业持续健康发展，应在智能充电桩设计过程中完成测试系统设计。测试系统可对智能充电桩的运行状态、运行隐患进行充分分析，切实保证智能充电桩的安全系数处于允许范围内，测试系统设计中应用的关键技术为故障诊断技术，以该技术为基础，可实现充电设备故障诊断功能软件开发和状态监控模块构建，利用硬件测试工具和软件测试工具完成直流充电设备电路板测试、交流充电设备控制板测试、充电控制功能测试、联网监控功能测试、充电过压故障试验、充电枪头检测点故障试验、绝缘故障试验、通信故障试验、急停故障试验，充分分析不同环境下智能充电桩的运行状态和运行隐患，有效调整智能充电桩的设计规划，使智能充电桩能够满足电动汽车的实际充电需求。

4 结语

基于电动汽车在能源耗费量上的明显优势，应积极开展智能充电桩的设计和研究，支持电动汽车生产规模扩大，促进电动汽车产业化发展，实现能源环境保护。在电动汽车智能充电桩设计中应充分分析智能汽车对智能充电桩的功能需求，合理完成智慧网络设计、硬件系统设计、软件系统设计、有序充电设计和测试系统设计。

参考文献

[1] 王伯伊，庄斌，刘迪，等.基于负荷资源预留的智能用电设备群调控策略[J].电力科学与技术学报，2020（3）：92-98.

[2] 汪洋，蒋璐璐，吴圣冲.电动汽车充电桩远程实时监控系统的研究与设计[J].南方农机，2019（21）：43.

[3] 王孟涛，张妍.面向互联网的电动汽车智能充电系统设计与应用[J].湖北农机化，2019（16）：141.

[4] 吴显富.基于智能控制的电动汽车充电桩系统研究[J].科技创新导报，2019（20）：114+117.