新能源汽车数字化监管中充电桩电路研究*

王篮仪

(三亚学院，海南 三亚 52022)

0 引言

2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和，是中国对世界的庄严承诺，大力推广应用新能源无疑是实现这一目标的最佳路径，而充电桩则是重要基础设施[1]。

充电桩建设受到国家的高度重视，国家还因此出台了一系列重要的政策文件。2020年在国务院政府的工作报告中提出，新型基础设施的建设要进一步加强，进行新一代信息网络的发展，对5G应用继续拓展，建设充电桩，加大新能源汽车的推广。这是政府工作报告首次写入关于充电桩建设的内容，已经上升到新基建国家战略层面。与新一代信息网络、5G等一起被选为重要的新基建板块，充分体现了国家对充电桩产业的支持[2]。在国家政策与市场需求的双轮驱动下，我国电动汽车充电桩建设迎来了爆发式增长[3-4]。

而在当下提出的新能源汽车数字化监管中，充电桩数字化的实现其核心是充电桩APP的设计与统一、充电桩的联网技术以及充电桩的电路设计，接下来重点研究新能源汽车充电桩的电路设计。

1 充电桩充电原理

电动汽车充电设施包含的内容较为广泛，包括充电电池、充电电缆、充电接口以及充电站建设中与电动汽车充电相关的相应设施等。

新能源充电桩电机有交流和直流之分。通过交流充电模式实现电动汽车动力蓄电池总成的充电，这种充电方式为交流充电机充电方式。交流充电模式给电动汽车提供充电电源的方式是通过三相或单相交流电源实现，其特征是充电机为车载系统。交流充电桩的充电方式基本都是常规充电模式，通过使用大屏幕LCD彩色触摸屏实现人机交互，充电模块设置定电量、定时间、定金额、自动(充满为止)四种模式。充电桩的交流工作电压220 V±15%，额度输出功率3.5 kW、7 kW，普通纯电动轿车用充电桩充满电需要4～5个小时，由于充电桩造价低廉、主要安装在停车场，适用于慢充动力电池。

交流充电桩的工作原理是在确认与电动汽车的连接状态以及可以提供的最大工作电流参数后，对车载充电机进行交流电的提供，在确认充满电后，断开电源，实现电能计量和安全监测等，充电结束后，实现电费结算和数据记录等，原理如图1所示。

图1 交流充电桩工作原理

直流充电机是采用直流充电方式为电动汽车动力电池总成充电的充电机。直流充电模式是以充电机输出的可控直流电源直接对动力蓄电池总成进行充电的模式。其充电原理是通过三相电网输入交流电，通过三相桥式不可控整流电路整流变成直流电，经滤波后供给高频DC-DC功率变换器，功率变换器则经过直直变换输出需要的直流，再次滤波后为电动汽车动力蓄电池充电。

2 充电桩硬件结构

电动汽车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，其中主控单元、显示单元和监控单元是充电桩硬件系统的主要模块，充电桩硬件系统组成框图如图2所示。

图2 充电桩硬件系统

1)主控单元：硬件系统的关键组成部分，与其他硬件单元双向或单向交互，是启动、运行、监控和关闭充电桩向汽车充电的决策核心，可将充电过程中采集的数据传输至后台。

2)监控单元：主要包括模拟量、开关量采集和输出控制。模拟采集单元在与显示单元交互的同时，可以获取用户输入的数据；开关量采集可以根据用户输入的数据，提供与用户充电需求对应的充电量；在用户完成充电后，输出控制会引导用户结束充电行为。监控单元的主要功能是实时监控充电桩的运行状态，监控充电桩的输入输出电压和电流、充电接口的连接状态和车载电池的状态，监测发现充电和车辆电池的异常状态，确保充电过程的安全可靠。

3)显示单元：由LCD显示器、触控屏、指示灯、按键构成，是用户与充电桩的直接交互对象。显示单元的主要作用为向用户提供充电费用信息和了解用户充电需求。

充电桩具体硬件设施包括充电枪、充电柜、配线柜等充电桩外部硬件和逆变器、变压器、整流器、滤波器、继电器等内部硬件。硬件设施通常采用耐候、耐温、阻燃性能好、绝缘性能优秀、抗电痕指数高的材料，如ABS、PET、尼龙等塑料。

3 充电桩软件设计

3.1 充电桩整体软件设计

交流充电站的电气系统设计主要分为主电路和二次电路两部分进行设计。在主回路中，设计了对输入端保护的断路器、交流智能电能表、交流控制开关以及和充电接口部分的连接器；二次电路由控制继电器、急停按钮、运行状态指示灯、充电桩智能控制器和人机交互设备(显示、输入与刷卡)组成。

在主回路的输入断路器中，设计了针对过载、短路以及漏电的保护措施；并且在主回路中还设置了交流接触器控制电源的通断；连接器部分包含了负责与电动汽车连接的充电接口，并且这个部分设计了锁紧和防错误操作的保护功能。

在二次回路中，主要设计“启停”和“急停”两项操作；“充电”、“充满”“待机”功能通过信号灯进行状态指示；交流充电电量由交流智能电能表实现；刷卡、充电方式设置以及启停控制操作则由人机交互设备执行。

3.2 充电桩刷卡流程设计

充电桩主要分为充电设备控制单元和计费控制单元两大模块：1)电压电流转换和各类保护措施由充电设备控制单元负责，为电动汽车提供电力能源，是充电桩的核心部分；2)计费收费、LCD液晶显示、负责计费卡读取的RS232和实现电表交互的RS485等则由计费控制单元负责。计费控制单元也是充电桩中极其重要的部分。

当用户进行刷卡或插卡时，读卡器识别到后则通过RS232接口和控制板进行通信。刷卡过程中控制板会将通过读卡器中的ESAM密钥模块加密后与CPU卡进行数据交互，CPU卡通过卡内密钥解密后核对信息，而后进行充电。具体充电流程如下：

1)用户确认。当用户刷IC卡时，系统会识别用户身份是否正确，正确则进行下一步，错误则返回。当身份确认无误后，紧接着系统会扫描卡中是否有“未结账记录”，若有则需用户结清电费方可进入到下一步的充电环节。

2)充电确认。当用户进入充电环节后，系统会进行插头连接与否确认，插头确认连接无误后，进入到充电模式的确认，后发出加电指令进行充电。

3)电费结算。电量充满或者充电时间结束后，系统停止充电，并发出电费结算指令，等待用户进行此次电费结算。

4 充电桩产业链

我国新能源汽车充电桩行业产业链分为三个环节：1)产业链上游，为元器件和设备生产商，主要负责提供各种充电桩元器件和充电设备，这个环节主要包含充电模块、监控计费、连接器风机等元器件的生产；2)产业链中游，是充电站建设和运营商，负责充电站的搭建和运营，提供充电服务，主要包含交流充电、直流充电等充电设备；3)产业链下游，是新能源电动车用户，在充电桩上进行消费。其中设备生产商和运营商是充电桩产业链最主要的环节。

充电桩运营平台是利用桩联网技术和移动互联网技术，为电动汽车用户提供安全便捷的充电服务，为充电桩生产厂商、充电设施运营商提供便捷可靠的运营管理，为不同类型充电桩所有者搭建生态共享的充电服务运营平台，实现“互联网+充电设施”服务，有效支撑智慧城市基础设施建设。

5 结束语

新能源汽车是时代发展的趋势，迎合了当前“绿色发展”的环境需求，新能源充电桩从上游到下游的进一步突破性发展也亟待解决。充电桩前期建设投入成本大、商业模式模糊、盈利困难使得很多企业举步维艰，特别是充电桩的商业模式，尚没有一个明确双赢的答案。

“新基建”下，充电桩的发展再不能是简单的规模扩张。当前阶段，充电桩的发展不仅要提高充电速度、保障充电安全以及提升用户满意度，还要在充电桩建设中采用新一代的充电、人工智能、新能源等新兴技术，并将其融入到智能交通、智慧城市、智慧能源等相关领域的建设中。