新能源充电桩建设及优化路径

熊峻丞

国网陕西省电力有限公司商洛供电公司 陕西 商洛 726000

引言

随着电动汽车发展规模的逐步扩大，对电力供应和能耗的需求越来越大。电动汽车的销量不断提高，在很大程度上缓解了能源危机与环境污染问题，但因电动汽车续航受限，电动汽车的普及率与充电桩的建设与运营情况有密切关系。充电桩作为电动汽车使用环节的能量补给装置，充电桩使用性能与设计水准，直接影响到电动汽车使用寿命，其重要性不言而喻。因此，新时期加强新能源充电桩建设优化具有重要意义。

1 电动汽车充电桩系统设计

1.1 系统结构设计

充电桩系统由若干部分组成，以使用功能为依据，可以将系统结构拆分为核心控制模块、充电模块、通信与显示操作模块、保护模块、采样变送模块五部分，系统结构如图1所示[1]。

图1 电动汽车充电桩

其中，核心控制模块由控制板、控制芯片加以组成，负责控制各功能模块的协调配合状态，实现人机交互信息传递、输入信息整理、运算分析、向终端充电桩设备反馈控制指令、HMI与充电桩数据沟通等使用功能，以及在无人工干预条件下完成一些简单性操作任务。充电模块由高频变压器、整流滤波等部分组成，在接收核心模块下达控制指令后，按指令调整用户输入数据信号，控制充电桩为所连接电动汽车充电，根据指令内容来控制充电方式及充电时间。通信与显示操作模块由CAN总线接口、显示屏和按钮等部分组成，在界面向用户显示账户余额、本次充电金额、预计充电时间、电流值等信息，用户在界面功能栏输入信息，通过本模块将信息发送至核心控制模块，再将核心模块所反馈信息显示在屏幕上。保护模块由过压保护、短路保护、过温保护及过流保护等多项安全防护措施及装置组成，有着故障自诊断及控制的使用功能，在充电桩使用期间出现异常运行情况时，自动执行对应保护动作。而采样变送模块由多种传感器组成，在充电桩使用期间，持续采集温度、电流值、电压等要素的现场监测信号，再将信号进行汇总整理后发送至核心控制模块，用于判断系统运行状态[2]。

1.2 硬件设计

充电桩系统的硬件结构由核心控制模块、通信模块、保护模块、充电模块、采样变送模块五部分组成，设计方法如下：

第一，核心控制模块。考虑到此模块是系统的核心组成部分，负责完成现场监测信号转换、目标值与设定值比较分析、逻辑运算、决策制定等复杂任务，要求模块具备强大的数据处理与逻辑运算能力，可选择STM32F103ZTE6型号芯片与ARM32位Cortex-M3CPU，这类芯片内核有着体积小、具备多种功耗模式、调试能力强、编程简单、性能稳定的优势。同时，对芯片与传感器设计对应电压等级的电源电路，如使用3.3V电源电路向芯片供电，使用5V电源电路向传感器供电[3]。

第二，通信模块。选用RS232串口，通过串口保持上位机和ARM控制器的稳定通讯状态，在系统运行期间提供远程调控参数等服务，并通过串口连接打印机、刷卡机等配套设备。同时，设计CAN通信电路，安装氧化硅材质的CAN转换器，或是在主控芯片自带bxCAN控制模块的情况下安装一台CAN通信信号收发器来替代CAN通信电路。

第三，保护模块。对安全保护装置的选型设计，需要视充电桩系统保护功能而定，如在具备短路保护及输出端过流保护功能时配置熔断器设备，在系统具备交流输入端浪涌保护功能时配置AM40C等型号的防雷器设备，在系统具备过电压与欠电压保护功能时配置双门限比较器设备，在系统具备过温保护功能时配置温度继电器设备[4]。

第四，充电模块。设计整流滤波电路、IGBT装置与高频变压器，整流滤波电路负责将输入交流电转为直流电供给至IGBT，IGBT装置基于驱动电路产生作用来将直流电转为交流电，高频变压器在电路中把交流电最终转为直流电充入蓄电池。

第五，采样变送模块。由电压、电流与温度检测电路组成。在电压检测电路中安装LV25-P等型号的电压传感器来持续检测输出电压，在电压值超限与到达充电时间后自动断电。电流检测电路中安装智能电能表，持续检测充电模块组成的总输出电流与实时电路电流值，将检测结果发送至中央控制器和充电监控计费单元。在温度检测电路中安装主控板及高频电压器等设备器件，持续监测充电桩工作温度，在实时温度超过限定值时自动执行开启散热系统、切断电源等保护动作。

1.3 软件程序设计

1.3.1 主控程序设计。一般情况下，可选用KeiluVision5系统作为开发环境，此类系统有着操作简单、易于学习、兼容C语言软件开发系统的优势。随后，为改善系统的扩展性能、兼容性能，使系统结构具备组态灵活的优势，应采取模块化设计方法，将主控程序分解为若干模块，对各模块制定专项设计方案，再将全部子模块进行串接处理来形成软件主控程序。

在主控程序运行期间，预先由待机状态切换至开启状态，启动初始化程序，进行一次自我检查，如果存在故障问题则发送报警信号，根据自检信号开展故障自诊断操作，确定无误后登录账号，接收用户下达指令来插入充电枪，在系统上选择充电模式、按顺序完成模式设定操作。随后，用户点击“开始充电”按钮，控制充电桩切换为工作状态，向汽车蓄电池充电，在界面上实时显示充电过程信息，在监测到蓄电池电量充满后结束充电，进入结算步骤，拔出充电枪，直接从用户账户余额扣款，或是由用户自主选择付款方式，结束本次充电，控制充电桩切换至待机模式。

1.3.2 子程序设计。充电桩操作系统由启动程序、电压检测程序、电流检测程序、A/D转换电压检测程序、温度检测程序与故障检测程序六项子程序组成，这也是软件主控程序的主要组成部分。其中，在启动程序设计环节，设计故障自检与修复功能，系统在初始化运行完毕后进行自我检查，如果发现故障问题则进行修复，返回开始状态，重复执行初始化、系统自检步骤，待故障修复后完成启动，反馈至主程序开展工作，而在故障未得到修复时，则进入关闭状态。在电压检测程序设计环节，由核心控制模块向电路发送电压检测信号，设定时间间隔，依次检查母线电压正负性与每次运行时的电压，以三次检测结果的电压平均值为最终检测值，如果出现电压异常波动与超限情况，则向主控模块反馈问题。在电流检测程序设计环节，由核心控制模块下达电流检测信号，电流检测模块与时钟模块开展初始化作业，初始化完毕后启动电流检测程序，使用霍尔传感器对电路实时电流值进行检测，以多次电流检测结果的平均值作为检测值，将检测结果以信号形式发送至存储器，系统根据电流检测值与设定值的偏差情况来采取对应反应。

3 电动汽车充电桩布局建议

3.1 优化充电桩建设区域布局

近年来，充电桩行业发展迅速，政府也大力鼓励因地制宜建设电动汽车充电基础设施，合理发展和优化充电桩布局具有重要意义。为了盈利，充电桩建设商通常选择土地成本和电费成本较低的地方，而在土地成本和电费较高的地方充电桩建设较少，进而导致充电桩供需的区域不平衡。要解决这个问题，可以在土地成本高的地区，利用现有停车场建设充电桩，优化充电桩建设的区域布局。比如，鼓励医院、银行、国企、学校等单位在原有停车场扩建电动汽车充电桩建设；简化公共停车场建设充电桩审批流程，方便公共停车场建设充电桩。

3.2 均衡公共场所快慢充建桩比例

慢速充电桩一般是使用5-10kW功率量级的充电器转换成直流，或者直接使用交流慢充桩，对汽车内电池进行充电，充电时间较长，需要花费7-8小时，对新能源车电池的使用寿命影响较小，对电网的冲击压力也不大。直流快充桩半小时能充电池80%的容量，一般为大功率直流充电，但是直流快充桩需要配套如转换交流直流电的电源装置，安装成本高，维修复杂，电流大对电网冲击大；而基于电动汽车快慢充电桩的上述特点，在“新基建”之一的公共充电桩建设中，适当增加快充桩数量，均衡公共充电桩的快慢充建桩比例，如使其大致接近为一比一。

3.3 建立充电桩信息管理平台

随着智能电网建设的逐步深入，电力通信需要实现更大范围、更灵活的接入。通过通信信息采集和信息监管平台定期检查充电桩是否出现故障，如有桩无枪线、充电设备显示不清等问题，及时做好设备维护。利用大数据技术和人工智能技术，将不同厂家的充电桩信息如位置、分布、充放电信息、故障情况等纳入充电桩信息管理平台进行统一监控，进行充电桩的布局分析、用户行为分析、充放电数据统计、故障维护等。

4 结束语

综上所述，我国新能源汽车目前处于可持续发展阶段，在实际发展过程中存在诸多问题。但是，要有效解决发展过程中出现的各种障碍，与政府的支持、技术人力的创新研究、经济市场的发展有着千丝万缕的联系。可以通过合理化建议以提高充电桩质量水平及利用率，加快车网融合布局，保障新能源汽车的发展和发展，需要多角度加以完善和解决。