基于物联网的新能源汽车充电桩控制系统设计研究

2023-09-29谈耿赵雄峰丁福军翟明远吴学梅

智能建筑与智慧城市 2023年8期

谈耿，赵雄峰，丁福军，翟明远，吴学梅

（甘肃易享行新能源发展有限公司）

1 引言

现阶段，物联网技术凭借其智能感知、智能识别、普适计算等多个融合优势，现被广泛应用于新能源汽车充电桩控制系统的设计研发中，基于物联网的新能源汽车充电桩控制系统将在平台核心算法上实现智慧充电功能，满足当下新时代消费需求的先进性，符合运营商降本增效的运营方针。结合大数据、云计算、人工智能等前沿技术，提供全新的用户充电体验。随着节能减排理念的深入及其政策的推行，我国领先突破了传统汽车的燃油能耗模式，推行以电动模式为主的新能源汽车，目前已实现了多个城市的推广运营。在推广运营期间，为满足新能源汽车的充电需求，在城市公共设施建设中需配备新能源汽车充电桩，当下应用较多的新能源汽车充电桩主要有两种，依据其充电模式的不同，可分为直流充电桩和单相交流充电桩，其中直流充电桩的充电速度较之后者更快，但是其对于新能源汽车电池的影响较大，电池会在长期内无法承受直充电流的冲击而损耗使用寿命，单相交流充电桩对于新能源汽车电池的损耗较小，但现阶段无法实现大规模接入电网，且其充电速度较慢，不能完全满足新能源汽车的充电需求。因此，现阶段技术人员研发科学且有效的新能源汽车充电桩，同时，平衡充电桩各功能之间的协调运作至关重要，可有效推进我国新能源汽车行业的进一步发展。

2 新能源汽车充电桩控制系统设计原理

新能源汽车充电桩的控制系统在结构上区分，主要分为外部操作系统和内部管控系统两大部分。其中外部操作系统主要由桩体、线路、定位器，滑竿和遮阳筒等部分构成，其在日常的充电供应中充当了载体的作用。另外，内部管控系统主要包括线路管控系统和程序操控系统等，前者的主要作用是对电力进行传导和输送，后者是针对充电桩的日常运行进行管控。例如，当新能源汽车通过充电桩进行充电操作时，外部操作系统会依据汽车的电力情况提供电力供应，与此同时，内部管控系统会及时启动电力供应模式，满足新能源汽车的供电需求，自电力充满之后，内部控制系统会发出相应的指令，停止对汽车的充电操作。

3 新能源汽车充电桩控制系统设计与应用

3.1 汽车充电桩控制系统线路设计

新能源汽车充电桩控制系统中的线路设计是其最直接，也是最为关键的设备组件，通过线路控制可高效实现充电桩与新能源汽车之间的电力供应，同时，技术人员对线路结构的科学设计，能够有效保障后续电力供应的监管效果，保障充电桩线路控制操作的安全性和合理性。①新能源汽车充电桩的线路控制可以实现程序指令与充电桩之间的状态调节，充分满足电力的供应，同时，线路的控制还能够实时对汽车充电桩的电力状态进行监控，在此期间，有效确保充电桩线路的流畅度管理。②针对汽车供电系统的调节和传导操作也是通过线路控制得以实现的。首先，技术人员可按照新能源汽车的供电需求，对其电力传导的做功进行调节，从而有效规避充电桩控制系统在线路运行与供电传导之间不相协调的问题。经数据研究表明，采用新型汽车充电桩控制系统对新能源汽车进行供电操作后，其充电桩能耗比相对下降了约18%，在很大程度上实现了节能减排。同时，新能源汽车充电桩控制系统的线路设计与供电操作之间的适应性相对上升，其中线路的控制设计能够有效满足新能源汽车的供电需求[1]。

3.2 汽车充电桩控制系统检测设计

在新能源汽车供电桩的日常供电操作中，工程技术人员经常会遇到充电桩与电力供应设备存储水平不匹配的状况，由此，可能会导致在无法实时检测电动能源载体的前提下，产生持续供电的后果。又因新能源汽车存储电池的存储容量有限，经过长时间的电力供应之后，会造成电池能源的过量损耗。技术人员在新能源汽车充电桩中安置检测系统之后，检测系统会实时连接充电桩外部端口，并监测其状态，在对新能源汽车进行充电的过程中，完成相应的电力强度调节并及时维护汽车电池的安全，实现新能源汽车电量的长效供应。例如，将相同型号的两款新能源汽车进行充电操作，在两款汽车内部电池电量相同的状态下，经同一时间补充电能，将第一款汽车连接传统的电池充电桩进行充电操作。第二款汽车连接带有检测系统的新型汽车充电桩进行充电操作，经一段时间的数据表明，第一款汽车的电量损耗远超过第二款汽车的电量损耗，通过两款汽车电量损耗的差异对比，充分说明了新能源汽车充电桩检测控制系统的有效性。

3.3 汽车充电桩控制系统程序设计

新能源汽车充电桩的程序控制设计是充电桩整体系统中最关键的部分，通常情况下，技术人员会运用自动监控程序作为其程序控制的主体基础，进而满足新能源汽车充电桩在城市范围内的大范围开发建设及高效运营。第一，运用全自动化的程序结构构建新能源汽车充电桩的自动控制系统，进而保证新能源汽车电力供应操作的正规化运行。第二，通过程序控制系统的设计可实现汽车充电桩在供电传输各环节的协调运作。例如，当工程技术人员要对新能源汽车的充电桩进行程序管理及电量传输控制设计时，其对充电桩程序控制的设计要点可归纳如下。

①以新能源汽车充电桩的型号为依据，通过程序编码实现对电力检测、电力做功强度调整、电力传输强度、充电程序开启及停止操作的有效串联，实现新能源汽车充电桩各部分功能之间的协调运作，以满足汽车充电桩的供电操作需求。

②通过技术操作，实现新能源汽车供电桩内部程序的自动化监控自检功能。这种内控自检功能的实现，能够在汽车进行供电操作的前提下，实现对汽车内部能源载体状态的检测，从而保证对新能源汽车电池电量的合理供电，节约电量，规避因电量过剩而产生的电池损耗现象，实现电量供应与程序自检之间的协调运作。例如，此时新能源汽车充电桩的电力供应做功需满足在200AH，才能够支持下一步的电池供电操作，此时，充电桩控制系统的程序设计会以此参数为依据进行自动设定，以实现对新能源汽车的有效供电。

研究数据表明，新能源汽车充电桩控制系统自规划程序控制设计之后，其针对汽车电池的充电效率比以往有很大幅度的提升。与此同时，在充电桩设备后续的供电操作期间，汽车充电桩持续性的电量有效供应和管控效果也有大幅度地提高，电量供应的稳定性提升，充电效率明显增强，控制程序运行的整体效果较为明显，依据这些数据研究表明，新能源汽车充电桩程序控制系统在其实际的运行应用中具有重要的作用[2]。

3.4 汽车充电桩控制系统安全设计

新能源汽车充电桩主体作为汽车电量供应的重要部分，其安全性和稳定性的保障尤为重要。因此，工程技术人员可运用科学的手段增强其在电能供应和传输方面的稳定性，经过多年的研究探索，工程技术人员通过对新能源汽车充电桩规划安全控制系统，保障其在为能源汽车的供电操作中，能持续且安全地完成电能供应和传输。

安全系统的安装可以配合新能源汽车充电桩内部的检测系统一起运行，共同对新能源汽车电能储蓄装置的状态进行检测，在电流过低的情况下，充电桩的安全系统会自动传输报警提醒，与此同时，充电桩的检测系统会及时对新能源汽车内部电能载体内的电量状态进行检测，并有所调整供电做功和供电强度，保证充电桩电量传输的有效性。同时，还可对充电桩的周围环境进行检测，实时了解天气、温度等外部情况，针对恶劣的天气环境条件，安全系统会自动传输程序指令到充电桩的控制系统，并自动开启辅助设备，保障新能源汽车充电桩基础设施的安全维护，规避可能遇到的自然损坏。

通常情况下，针对新能源汽车充电桩的安全系统设计，其具体的设计手法如下：

工程技术人员会采用虚拟扫描程序，先对新能源汽车充电桩的外部充电端口进行检测，并重新规划其外部设备的原有电量的初始状态，以方便后续对汽车充电桩型号匹配、内部电容量、电量损耗比例等参数的设计。通常情况下，标准型号新能源汽车充电桩的电量为220AH，外部设备初始电量设置在30%左右，其充电桩的电能供应强度设置初始参数为中等强度，并通过程序设计实时对新能源汽车的安全性进行监测。

3.5 汽车充电桩控制系统的硬件设计

充电桩的充电设备控制器是其硬件设计中的重要组成部分。其主要承担着计费控制、BMS通讯、充电操作模块，数字出入量显示的检测管控。通常情况下，标准的汽车充电桩充电设备控制器具备三路CAN总线通信接口，其中一个接口与充电桩的充电操作模块相关联，另外两路接口的作用相同，都是针对新能源汽车的BMS通讯而设计。在对新能源汽车进行充电操作时，充电设备控制器会通过与BMS端口进行信息通讯，获取汽车内部电能载体的实际电量状态以及其所需的电流供应功率，电能传输强度等系列参数，进而将相应的参数通过CAN总线传输至充电操作模块，技术人员通过操作充电操作模块实现对新能源汽车电量供应。

另外，其他类别的新能源汽车充电桩的充电设备控制器可能还具备两路RS485接口，其中的一路接口与充电桩内部的计费控制器相互通讯，在其通讯的过程中，会将充电桩充电过程中的实时电流、电池电压、温度等参数相应传递至计费控制器，并将参数进行显示，同时，此路端口兼顾接收计费控制器所发送的开启充电和停止充电的程序指令。另外一路RS485端口与汽车充电桩内部的交直流绝缘监测模块相互通讯，在通讯的过程中，程序会实时读取模块内提供的绝缘电阻值，以此来判断汽车充电桩与新能源汽车之间的绝缘性能，由此规避充电异常状态，并及时作出相应的安全防护措施。