充电桩运行可靠性分析及监测系统设计

黄春艳，杨晨雨，江浩侠

（广州市奔流电力科技有限责任公司，广州 510700）

引言

随着可再生能源和低碳交通的技术水平不断提高，电动汽车的发展同样处于高速发展的状态，截至2022年11月底，我国汽车保有量达到3.18亿辆，充电桩投运量达到494.9万台。充电桩作为其能源补给设备，越来越受到人们的关注[1-4]。充电桩在为电动汽车提供电能的同时，其运行状态和性能也对电动汽车的续航里程、充电速度和使用寿命产生重要影响[5,6]。而充电桩通常要求运行在（-20～+50）℃，相对湿度≤90 %（25 ℃），且表面无凝露问题的环境下，因此在恶劣环境下，易导致充电桩电子元件或电能传输组件的过快老化或损坏，降低可靠性的同时，增加了安全性风险。综上，对充电桩设备进行实时监测与控制显得尤为重要。本文提出了一种充电桩设备监测系统方案，旨在提高充电桩的可靠性、安全性和能效。

1 外部环境对充电桩可靠性的影响

1.1 温度对充电桩可靠性的影响分析

充电桩内部的电子元件在高温下可能会加速老化，从而影响其性能和可靠性，还可能导致充电桩内部的线路和连接部位出现热胀冷缩，造成接触不良或短路等问题。而在低温下，部分电子元件可能因为油脂凝固而变得不灵敏，也会影响充电桩的性能[7]。

受热胀冷缩影响，可能会导致接触不良和电阻增大，导致元件的性能下降或失效，从而影响充电速度和电池寿命[8]。

当温度过高时，使得电子元件的物理性质发生变化，电子器件中的电流漏失增加，电阻增加，电容减小等电子元件可能会出现性能下降的情况，进而导致电阻值增大、电容值减小等现象的发生；其次高温环境还会加速充电桩内部的电子元件老化，从而增加故障率。这可能会导致电子元件的寿命缩短，甚至出现提前损坏的情况；同时高温还会导致电路板上的焊点出现脱落、芯片出现裂纹、外壳变形、线路过热等安全隐患，使得电子元件之间的接触不良，从而增加了故障率。

当温度过低时，电池内部的化学反应速度变慢，导致电池的充电速度变慢；且在低温下，由于电池内部的化学反应速度不均匀且速率降低，使得电池的可用容量减少，使得充电桩能够提供的有效充电量会减少，导致充电频次增加；而频繁在低温环境下充电，将加速锂离子电池的老化过程，缩短电池的使用寿命。因此，长期在寒冷地区使用充电桩可能会导致电池更快地损耗，需要更频繁地更换电池。

1.2 湿度对充电桩可靠性的影响分析

充电桩中涉及到大量的接触器和连接器，用于实现电能传输和通信功能，高湿度环境下，容易引起接触器和连接器的腐蚀，导致接触不良、电阻增加以及可靠性下降。

在湿度较高的环境下，会增加电子元器件的腐蚀风险，特别是金属部件容易受到氧化、锈蚀等损坏或形成霉变等不良现象；同时绝缘材料存在受潮风险，降低绝缘效果，增加了电器短路的风险。

湿度过高可能会导致充电桩内部形成凝露，这种凝露可能会滴到内部金属件上，引起零件锈蚀；或者滴到电气元件上，引起元件短路、爆炸等安全风险。

1.3 震动对充电桩可靠性的影响分析

震动可能造成充电桩的摇晃和震动，影响其充电效率和稳定性。此外，长期的震动还可能导致充电桩内部零件的松动和损坏。

在震动环境下，充电桩的机械结构产生冲击，可能导致零部件松动、脱落或损坏，加速磨损和老化，造成电子元件接触不良，导致设备无法正常工作；同时长期的震动可能会对控制系统产生冲击，导致充电桩内部的电路板出现裂痕，引起控制芯片或其他元器件故障。

2 充电桩可靠运行的必要性分析

充电桩作为电动汽车的能量补给设备，其运行可靠性对于电动汽车的正常运行至关重要。若充电桩出现故障，可能会导致电动汽车无法正常使用，严重时可能引发安全事故[9-11]。

随着电动车数量的增加，用户对于充电桩的需求也越来越高。可靠运行的充电桩网络可以提供更多的安全稳定的充电网点，减少用户寻找充电桩的时间和成本。同时可靠运行的充电桩网络可以提高用户对电动汽车的信任度，进而促进电动汽车市场的长效稳定发展；且当充电桩故障率较高甚至无法正常使用时，将导致大量充电桩资源被浪费。

同时，充电桩作为一种电器设备，必须保证充电桩的设计和制造过程中严格符合相关标准和规范，进而在使用过程中能够有效预防和避免安全事故的发生。

考虑到用户对于充电时间及空间的要求，充电桩应能够高效、稳定地将电能传输至电动汽车，因此需保证充电桩内部的电路和控制系统能够稳定运行，同时避免过热、过流等可能导致设备损坏的情况发生[12,13]。

为满足上述关于充电桩可靠运行的需求，充电桩需配备有远程监控和故障诊断系统，在保证系统能够实时监控充电桩的运行状态的同时，能够在出现故障时及时诊断并通知管理人员，以便及时进行维修和处理。

3 充电桩可靠性监测系统设计

为保障充电桩的安全、稳定、可靠运行，该系统应具备以下功能：全面、实时地监测充电桩的运行状态，及时发现潜在问题，并提供预警，最大程度降低安全风险和设备故障率，同时提高充电桩的可用性和用户满意度[14]。

3.1 系统监测内容设计

由上文分析可知，外部环境因素对充电桩的影响较大，同时考虑到非环境因素的影响，因此，本检测系统在对环境因素进行监测分析的同时，需对充电桩的电能数据进行监测分析[15,16]。

温度监测方面：通过部署温度传感器，实时监测充电桩表面的温度，以及内部关键部位的温度。一旦发现温度异常，立即报警并采取相应的降温措施。

湿度监测方面：在充电桩内部部署湿度传感器，实时监测环境湿度。如湿度过高，应启动防潮设施降低湿度，防止电路板受潮。

震动监测方面：通过部署震动传感器和风速传感器，实时监测充电桩所受的震动和风力。当监测到异常震动或风力时，应报警并采取相应的防护措施，如加固充电桩，避免其受到进一步损害。

电流、电压等电能质量监测方面：实时监测充电桩的电流、电压等电能质量参数，以确保其符合电动汽车的充电需求。

3.2 系统功能架构分设计

1）实时数据采集

通过各种传感器和检测设备，实时采集充电桩的各项运行参数，例如电压、电流、温度、湿度、震动等。

2）数据分析和处理

对采集到的数据进行快速分析，提取出有关充电桩运行状态的关键信息，例如异常波动、趋势变化等。

3）故障预警和诊断

一旦发现异常数据或故障，系统会立即发出预警，同时提供故障诊断和定位信息，帮助管理人员迅速确定问题所在。

4）远程监控和集中管理

图1 电动汽车监测系统架构

通过互联网技术，将监测数据实时传输至数据中心进行处理。数据中心应具备强大的数据处理能力，能够对收集到的数据进行快速分析，满足故障预警和性能优化的需求；同时允许管理人员在任何时间、任何地点对充电桩进行远程监控，了解其运行状态和报警信息。

5）使用报告和数据分析

系统可以定期生成使用报告和数据分析结果，帮助管理人员了解充电桩的运行状况和性能表现，为改进和优化提供依据[17]。

3.3 系统模块组成设计

1）数据采集模块

该模块是整个监测系统的核心，负责实时采集充电桩的运行数据。这些数据包括但不限于电压、电流、电池状态、环境温湿度、设备运行状态等。数据采集模块应具备高精度、高可靠性，并能够实时传输数据到系统的数据处理单元。

2）数据处理与分析模块

该模块接收到数据采集模块传输的数据后，将对这些数据进行处理和分析。可以识别出数据的异常波动、趋势变化等，并判断这些变化可能对充电桩的运行产生的影响。同时，该模块还能通过对历史数据的分析，预测未来可能出现的故障，从而提前进行干预。

3）故障预警与诊断模块

一旦数据处理与分析模块发现异常数据或预测到可能的故障，它会立即向故障预警与诊断模块发出警告。该模块将根据预警信息，结合充电桩的特性和历史运行数据，快速确定问题所在，为维修人员提供准确的故障诊断信息。

4）远程监控模块

该模块使得管理员可以在任何时间、任何地点通过互联网对充电桩进行远程监控。管理员可以通过手机APP或网页端查看充电桩的运行状态、报警信息等。

5）数据存储与报告生成模块

该模块负责将收集到的所有数据进行存储，并定期生成报告。报告可以包括充电桩的运行状态、故障情况、维修记录等。这不仅可以让管理员全面了解充电桩的运行状况，还可以为未来的设备更新和优化提供数据支持。

图2 监测系统模块说明

4 结语

综上可知，目前在充电桩可靠运行方面仍存在充电环境较差、维护水平较低、利用率不高等诸多问题。

本文通过外部环境对充电桩可靠性运行的影响分析，及充电桩可靠运行的必要性分析，提出了一套全面的监测系统说明。该系统能够有效监测受环境因素影响，引发的充电桩性能问题，基于对充电桩的实时监测分析，为运维人员提供相应的运行分析报告及优化改善建议；在降低充电桩故障的同时，大幅降低运维成本，提高工作效率，为电动汽车用户提供更优质的充电服务。

结合当前充电桩可靠性相关技术的发展现状，充电桩快充技术、智能化充电技术以及充换电一体化技术等保证安全可靠运行的关键技术将得到进一步的提升；同时将大大提升充电桩对环境的适应能力，不断扩展充电桩的使用场景，满足用户对于安全、高效、可靠充电的需求。