基于电动汽车充电桩管理系统实训平台的研究

石启飞

摘 要：通过开发相应的科技技术去有效利用电力来保护生态环境是全球热门的趋势之一，因此电动汽车就成为人们感兴趣的一个重要领域。为了使这些策略在长期内取得成功，未来的工程师在大学毕业后就必须熟悉这些技术的概念和问题。在此背景下，本文主要介绍了电动汽车充电桩管理系统的物理规模模型设计、构建和预期运行结果。该模型用于演示所开发系统的运行，将作为一个平台去赋予电气工程专业的学生和电动汽车爱好者，研究电动汽车充电和多个充电桩的高效管理问题。

关键词：电动汽车 充电桩 实训平台 研究

随着电动汽车（EV）数量的显著增加，需求更多的私人和公共充电桩基础设施。对电网性能和效率的影响较大，如超载、效率降低、电能质量问题和干扰，以及电压调节，特别是配电层面[1-3]。电动汽车具有许多优势，如效率更高、启动扭矩更高、维护和运行成本更低，以及使用可再生能源。然而，电动汽车电池生产原料锂的开采和转化成本高昂，公共充电基础设施也处于起步阶段。此外，电动汽车不受控制的批量充电会对电网产生重大干扰[4-6]。所以通过对电动汽车充电桩进行合理化的管理和优化，减少对电网的冲击，同时通过高峰时段提供辅助服务支持电网的解决方案，将是未来研究工作的主要方向。对于车辆工程专业的学生来说，掌握更好的充电技术会使得他们有更高发展，因此开展电动汽车充电桩系统管理实训平台的研究是极其有必要的[7-8]。

1 电动汽车充电桩管理系统功能

开发的SMEVCS的优点是管理能量并将其重定向到充电桩，允许以低功率同时为几辆电动汽车充电。可能遇到的主要缺点是充电时间长，充电时间与同时充电的车辆数量成正比。然而，考虑到该SMEVCS是在车辆充电时间较长的地区开发实施的，例如办公楼的停车位，这一劣势就得到了缓解。除了管理多辆电动汽车同时充电的主要功能外，SMEVCS还有两个附加功能：（1）操作时处于“逆变”状态，当车辆连接充电桩时可作为电源。（2）具有故障报警功能。创建一个WEB页面来显示模拟充电桩和系统状态的信息。

2 电动汽车充电桩管理系统方案模块和工作原理

开发的电动汽车充电桩管理系统 （SMEVCS） 旨在通过将充电桩直接连接到供电网络来增加可以同时充电的电动汽车的数量。向潜在建筑物的主要用户传送的电力由SMEVCS监测已知变电站的电力，SMEVCS实时计算充电桩的可用电力。电力将不会完全传输，将会保留一个“备用”。 这样做的目的第一个是为了供稍后连接的消耗品使用，第二个则是避免使变电站过载，因为超载会产生额外成本，超出供应商规定的负荷限额，或可能触发长期保护。（图１）

接收和分析的第一个数据是与可分配给充电桩的电力有关的数据。分析数据后，随后测量到达主开关的电压，管理系统检查它是否在规定的限制范围内。通过测量电压和系统参数，等待连接到它管理的充电桩。在第一辆电动汽车接通后，主接触器和与充电桩关联的接触器闭合。检查终端是否存在电压，并在确认后检查可以传输到车辆的可用电力，系统设置为所有连接的车辆提供相等的电力。完成所有设置后，在系统和车辆之间开始充电。在这个意义上，该系统还可以选择加快电动汽车的充电速度。充电信息和测量值都会显示在显示屏上。

为了更加便捷和生动说明和展示充电桩管理系统（SMEVCS）的操作给学生，拟建一个模型。该模型在电源方面进行了简化，单相，配备（模拟）五个充电桩；通过设计WEB页面远程获取数据和信息可视化。此外，为尽可能接近真实地模拟充电桩管理系统的运行，该模型使用电动汽车模拟器，更准确地说是处理其电池充电管理的部分。该模拟器可在充电和逆变器模式两种模式下运行。

“充电”模式是系统的主要状态，意在从电源中获取能量，注入车辆的电池，并控制其充电，它以接收电池电压和充电时吸收的电流作为输入数据。

而“逆变”模式是指电动汽车在一定条件和情况下可以作为能源使用的状态。SMEVCS的这个特性可能很有用，例如在停电的情况下。

3 充电桩管理系统模型系统组成结构

拟建立的SMEVCS模型由用户可见部分、充电桩、信息显示部分和用户隐藏部分组成，用户对系统进行监控和控制。（图２）

模型的主要组成部分主要有主接触器、显示器、电位计、读卡器、接触器、连接器控制系统、传感器、传感器、继电器、电源、电动汽车模拟器及部分组成。其中汽车模拟器由三个主要部件组成：（1）电压为12V、容量为7Ah的电池；（2）进行数据采集、与工位通信和两种工作模式切换的指挥控制板；（3）充电模式下起降低电压等级作用的变压器，逆变模式下起升电压作用的变压器，电压比为12/230V，50Hz。

拟创建WEB页面来显示模拟充电桩和系统状态的信息。显示变电站数据;充电桩信息。

（1）变电站显示信息为：标称功率（kW）;充电状态，以存储单元最大容量的百分比表示;充电桩耗电量（百分比）;总充电水平，即消耗品吸收的功率与充电桩吸收的功率之和。

（2）充电桩显示的信息为：装机功率，即各充电桩所能提供的最大功率，单位为kW；注入功率，表示向车辆电池输送了多少功率，充电期间可用的信息，以千瓦表示；电压和充电电流，以伏特和安培表示；电池充电水平，以百分比表示的值；显示站点运行状态的两个变量：变量“状态”传输有关站点模式的信息，“就绪”—站点准备好提供能量，“充电”—站点为车辆电池充电， “逆变”站从电池中提取能量并将其传输给外部消耗品，“服务” — 已断开连接，正在维修或需要维修。“状态”变量显示：“就绪”，在运行期间没有负面事件，“故障”表示在运行期间发生故障。

4 充电桩管理系统模型调试结果

电动汽车充电桩管理系统的操作中，SMEVCS模型的操作将涉及微控制器的编程，其中拟使用c++编程，以及WEB页面的实现，其中还会用到HTML、JavaScript和CSS编程。在研制过程中，将进行多次测试，以核实所传送信息的准确性。所开发的模型计划在以下两种状态下运行：（1）充电（模拟多辆汽车同时充电的状态）和（2）逆变（模拟连接到充电桩的电动汽车电池的使用状态）。逆变器会通过他们建立连接，进一步为变电站提供电压缺口或断电的能量。 此外，还将设置和介绍（3）“故障”状态的模拟给学生进行实时的展示。

“充电”模式下SMEVCS模型的操作，SMEVCS 模型在“充电”模式下的运行通过设置变电站的装机功率开始。 计划给出实验展示示例中，功率被认为是 5kW，五个充电桩中的每一个都具有 1kW 的最大功率。 在电位器的帮助下，模拟充电水平（连接到系统的日常消耗品持续使用的能量）；在示例中，将以 60% 的阈值开始进行，模拟电动汽车连接到 4 号充电站插座，进行一系列的实验尝试。（表１）

如果在可用功率不再覆盖两辆车最大功率的情况下，可以接近变电站支持的最大负载。 那么在可用功率减少且未实施 SMEVCS 的情况下，变压器以过载模式运行，存在断开长期保护的风险，消耗品受到电源损失的影响。 SMEVCS 的使用将限制并适应已经连接到变压器可用电源的车辆的充电，结果是同时为两辆电动汽车充电，变压器将正常运行，缺点是充电时间在所述情况下会加倍。（表2、表3）

SMECVS 模型在“逆变”模式下的操作中，如果在“逆变”模式下模拟 SMEVCS 模型的操作是通过断开充电桩与网络的连接并使用一个灯泡作为消费者来执行的，该灯泡的消耗量已相乘（在编程代码中）以获得所消耗的所需功率。如果保持灯泡的最大功率，则在汽车充电正常电压下会产生非常低的电流。（表4）

SMEVCS模型的操作的“故障”状态下，可能由于安装和电气设备故障频繁，该型号将会展示出SMEVCS“故障报告”。例如在操作不当的情况下，WEB页面会生成错误消息。为了之后模拟生成“故障”消息的 SMEVCS 模型的故障，电动汽车和车桩之间的电源线已断开，仅留下通信部分。（表5）

5 结语

建立以SMEVCS 模型实训平台，可在线上环境中使用生动形象的实验方式让车辆工程领域的学生熟悉电动汽车充电相关优化和管理的具体内容。而且重点介绍了电动汽车动力传动系统和充电桩的技术指标，提出的解决方案，这些技术的优缺点以及未来在电动汽车智能充电和电力系统干扰减缓的最新解决方案方面的研究工作的前景。这次研究展示部分电动汽车和全电动汽车的技术现状和主要特点，综述了基于电池的电动汽车充电方法（类型、基础设施和标准）以及电力电子体系结构的最新研究进展。

基金项目：安徽省高校自然科学重点项目（2022AH052767）；安徽省高校自然科学重点项目（2022AH052769）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2022zmgj042）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2023sdxx261）。

参考文献：

[1]Khalid，M.R.;Khan，I.A.; Hameed，S.; Asghar，MJ.;Ro，J.S.A comprehensive review on structural topologies，power levels，energy storage systems， and standards for electric vehicle charging stations and their impacts on grid.IEEE Access 2021， 9， 128069–128094.

[2]Elbouchikhi，E.;Zia， M.F.; Benbouzid， M.; El Hani， S. Overview of Signal Processing and Machine Learning for Smart Grid Condition Monitoring. Electronics 2021，10， 2725.

[3]Ronanki，D.;Kelkar，A.;Williamson，S.S.Extreme fast charging technology-Prospects to enhance sustainable electric transportation.Energies 2019，12，3721.

[4]Shin，M.; Kim，H.;Kim，H.;Jang，H.Building an interoperability test system for electric vehicle chargers based on ISO/IEC 15118 and IEC 61850 standards.Appl.Sci. 2016，6，165.

[5]Savio Abraham，D.; Verma， R.; Kanagaraj， L.; Giri Thulasi Raman， S.R.; Rajamanickam， N.; Chokkalingam， B.; Marimuthu Sekar， K.; Mihet-Popa， L. Electric vehicles charging stations architectures， criteria， power converters， and control strategies in microgrids.Electronics 2021，10，1895.

[6]Kumar K，J.;Kumar，S.;VS，N.Standards for electric vehicle charging stations in India：A review.Energy Storage 2022，4，e261.

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[8]武筱菲，申荣卫.基于虚拟现实技术的汽车发电机实训平台设计[J].汽车工程师，2016（11）：17-19.