人机交互式充电桩超时占用警示及自适应节能防护系统设计

2022-02-07汤清文马晓春王泓凯

经济师 2022年5期

●汤清文马晓春王泓凯郭慧

目前，汽车行业正处于全面放开的关键节点上，我国新能源汽车数量短时间内迅速增长，随着“实施工业产品准入制度改革，推进汽车、电子电器等行业生产准入和流通管理全流程改革。”等国家政策的施行，中国汽车将进入一个全新的时代，但与之配套的充电基础设施却处于相对不足的状态，这已经成了制约新能源汽车推广普及的主要因素。充电基础设施作为电动汽车产业链中重要组成部分，其对电动汽车未来的发展起着关键的作用。但现有技术中新能源汽车在公共新能源车位中充满电后驾驶人往往不能将车辆及时开走，且无法得到有效提示，造成大量公共资源浪费，充电桩利用率低下，停车场交通拥堵。同时新能源充电桩依靠电网运行，且新能源车辆在充电过程中太阳暴晒温度较高，充电桩连续工作时间较长，充电桩高温防护和节能性较为短板，存在新能源汽车电池自燃和影响充电桩工作效率的隐患。尤其在节假日期间，相关停车场车流量较大，充电位车位使用紧张的情况下，以上问题尤为突出，已经成为影响和制约新能源汽车经济发展的重要因素，截至目前，此类问题仍没有得到妥善的解决，仍广泛存在当前社会，已成为制约我国新能源汽车产业发展的关键问题，对此，各类充电桩设计也层出不穷。

国内学者对其系统设计有所涉及，主要通过对车牌进行识别，进而控制车位锁[1-2]。通过车载系统进行提示[3]。通过云平台实时检测车辆及充电桩工作状态和耗电量参数[4-5]。上述驱离手段相对较少，方法单一，车主驱离车辆主动性不高，同时无法时充电桩对其自身工作状态进行实时调节，能源利用率低。因此，现在亟需一种充电桩综合系统设计来解决以上的问题。本设计顺应新基建发展趋势，利用移动互联网等技术创新运营服务方式，特别是利用大数据、互联网、物联网等核心技术实现充电桩和新能源汽车间的双向互动，采用“互联网+ 充电”的运营模式和自适应节能和热防护的工作模式，对解决充电桩焦虑、充电桩利用率低、降低新能源车电池高温自燃的风险，充电桩节能性能缺失和自适应热防护等问题，满足用户刚性需求，解决目前限制我国新能源车发展，并减轻企业运营压力，提高消费者信心，为新能源电动汽车营造良好的消费环境有着重要意义。

一、系统设计要求

1.充电桩超时占用警示系统设计。（1）充电桩终端系统设计。超声波测距传感器实时检测其正前方的车位是否有车辆进入（设置检测距离阈值，当超声波测距传感器检测前方物体距离小于其设定的阈值时，即代表车位有车辆驶入），同时电池管理系统检测车辆电量是否充满，并将数据汇总传输到存储器，存储器接受数据并暂存后，将数据存储并传输到1 号单片机，1 号单片机对数据进行进一步处理。如车辆电量已经充满但是车辆并未驶离时，1 号单片机将信号处理后的数据传至2 号单片机，2 号单片机随即控制2 号继电器启动，使蜂鸣器工作，车位LED 灯带发出红色急速闪光，并由无线射频模组向用户移动终端发送无线信号，通知车辆电量已经充满并立即驶离车位。（2）用户终端系统设计。通过无线射频模组控制用户移动终端，用户手机上的小程序就会发出提示，例如，使手机马达震动并使扬声器发出驱离提示，同时弹出车辆电量已经充满的窗口提示，同时小程序开始计时，当计时达到其相应的设置阈值后，如果车辆在规定时间内没有驶离车位，将对用户账号扣除一定的信用积分，同时控制手机马达与扬声器循环工作；当用户的信用积分扣完，下次此用户再次前来充电时，相应提高收费金额。以达到对在公共新能源车位中充满电后驾驶人不能将车辆及时开走情况的警示与驱离作用，提高公共充电桩的利用率，缓解停车场交通拥堵。

2.充电桩自适应节能防护系统设计。（1）充电桩自适应防护系统设计。本系统在使用前需根据充电桩内部材料的耐热性设置温度阈值，当充电桩处于工作状态时，温度传感器实时监测充电桩内部温度；在温度高于阈值时，温度传感器将信号通过储存器传输给1 号单片机，单片机通过控制1 号继电器启动电机从而带动传动轴、最终使叶片旋转将充电桩内部气体从散热窗排出；在温度低于阈值时控制继电器控制电机停止运转，但此时仍然可以通过散热窗进行自然状态下充电桩内外气体交换达到散热目的。在整个散热过程中，充电桩内部温度可通过显示屏实时显示。以达到在新能源车辆在充电过程中充电桩长时间工作以及太阳暴晒温度较高而造成工作效率降低和充电安全隐患的问题。（2）充电桩自适应节能系统设计。本系统在使用前需根据光伏板具体工作参数设置相应的光线强度阈值，系统内的光线感知模组实时检测充电桩上方光线状态，当其光线强度达到所设定阈值后，光线传感器将信号通过储存器传输给1 号单片机，单片机通过控制1 号继电器启动油压泵，油压泵带动收缩部件向左端移动，其伸缩结构开始伸长，带动连接头向左端移动，移动槽内侧表面涂有材料为橡胶的增磨层能够增大摩擦力避免打滑，主动导片带动若干组光伏层向左端进行伸张，直至将太阳能光伏板拉伸至极限，太阳能光伏板拉伸的同时将隔温帘布展开，能够有效降低新能源车和充电桩工作温度，且太阳能光伏板将太阳能转化为电能，光电存储仓内部安装有电量储存装置，从而将电能储存在光电存储仓内部，并有效节省电网的电能消耗；当其光线强度低于所设定阈值时，单片机通过控制1 号继电器启动油压泵，油压泵带动收缩部件向右端移动，其伸缩结构开始收缩，将光伏板回收，防止光伏板在恶劣天气条件下损坏。

二、超时占用警示及自适应节能防护系统的结构及工作原理

1.结构设计。设计的人机交互式公共充电桩超时占用警示及自适应节能防护综合系统的硬件组成部分主要由充电桩防护与节能综合系统与充电桩警示系统两部分组成。其中，充电桩防护与节能综合系统主要由电源管理系统、超声波测距传感器、光线感知模组、温度传感器、存储器、1 号单片机、1 号继电器、电机、工作状态指示灯、前框、隔温帘布、光伏板收缩装置油泵、光伏板等结构组成；充电桩警示系统主要由顶棚、桩体、显示屏、散热窗、2 号单片机、2 号继电器、蜂鸣器、LED 灯带、无线射频模块等结构组成。

电源管理系统由电网和光电存储仓组成，光伏板存储的太阳能储存在光电存储仓中，能够有效节省电网的电能消耗。电机上下两侧装有若干固定脚，固定脚外侧安装有固定板，从而将电机与固定板连接牢固。电机尾部装有传动轴，用于控制叶片转动以达到散热的目的。叶片外部装有防护网与挡板，用于保护叶片。电机外部装有框架，框架内侧开设有导热槽，用于导出热量。框架左右两侧安装有温度传感器。温度传感器通过导线与内壳体相连，内壳体中装有存储器、1 号单片机与1号继电器。电机与内壳体外部整体套有外壳体。

前框由金属材质制成，为活动结构，用于带动光伏板与隔温帘布伸长。前框上部安装有光伏板，光伏板由实心块、光伏层与移动槽等部件构成，每块光伏板之间通过固定栓与连接导片、主动导片与收缩部件相连接，底部装有油压泵，用于带动导片与光伏板的移动。光伏板右端安装有光电存储仓。前框下端两侧安装有隔温帘布，隔温帘布内部装有隔温材料，用于降低新能源车和充电桩在充电时太阳暴晒导致的升温。前框底部安装有砖垫，砖垫为一种吸水砖，砖垫两侧均开设底槽。

顶棚表面涂有防氧化防腐蚀涂层，用于延长顶棚材料的使用寿命。顶棚上端安装有SMA 全网通接口天线用于向用户终端发送无线信号。顶棚与桩体通过连接板相连，桩体正面外侧上部安装有工作状态指示灯，用于提示用户充电是否完成。桩体外侧正面中部安装有显示屏，用于显示充电状态和充电桩温度等参数显示。桩体外侧正面下部安装有超声波测距仪，用于探测前方车位，以距离为依据判断车位是否有车辆。桩体侧表面安装有散热窗，用于加快散热速度。散热窗旁安装有蜂鸣器，用于发声。桩体侧表面安装有线管接口，用于连接充电枪头。车位底部安装有环绕式LED 灯带，用于发出红色急速闪光以驱离用户。

2.工作原理。该装置主要分为充电桩防护与节能综合系统与充电桩警示系统两部分。二者紧密结合，互相传递信息，最终传入客户移动终端，警示用户驱离车辆，并使公共充电桩达到自适应节能与防护的目的。当汽车驶入充电桩后，超声波测距传感器探测前方车位，当汽车距离达到超声波测距传感器探测范围时，超声波传感器将信号通过存储器传递至1 号单片机，继而控制1 号继电器启动，使工作指导灯变为待机状态。当待充汽车电源充满时，电源管理系统检测此信息，通过存储器传递至1 号单片机，1 号单片机传递至2 号单片机，进而控制2 号继电器带动蜂鸣器鸣叫，车位外围的LED 灯带闪烁，最后通过无线射频模块向用户移动终端发送无线信号，提醒用户尽快驱离车辆，并控制手机执行相应动作。当用户按时驶离车辆后，超声波测距传感器探测距离内检测不到汽车，蜂鸣器、LED 灯带，无线射频模块停止工作，工作指导灯变为停止工作状态。同时温度传感器接采集的电桩温度信号，当温度达到或超过设定阈值时，通过存储器将信息传递至1 号单片机，1 号单片机将此信息进一步处理转化控制1 号继电器驱使电机启动，对充电桩系统进行降温。

充电桩放电工作主要有电源管理系统智能分配由电网和光电储存仓释放电能，为待充汽车进行电能补给。关于光电储存仓，由光线感知模组对于接收到的光线信号进行处理，当光线强度达到或超过设定阈值时，将此信息通过存储器发送至1号单片机，1 号单片机进一步进行数据转化控制1 号继电器控制光伏板收缩装置油泵使光伏板展开，光伏板接收光能，进行光—热—电的能源转换，将转换完成的电能储存于充电储存仓内。而当光线强度未达到设定阈值时，继电器1 控制光伏板收缩装置油泵使光伏板收缩。关于放电，当汽车驶入充电桩后，超声波测距传感器探测前方车位，以距离为判定依据判断车位是否有汽车存在，并将此信息通过存储器传递至1 号单片机。当充电枪头插入时，电源管理系统控制电网和充电存储仓释放电能，同时存储器传递至1 号单片机，1 号单片机将两种信息进一步处理转化控制继电器使工作指示灯变为工作状态，汽车进行电源补给。