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摘 要：針對制約電動汽車發(fā)展的要素( 電池和充電方式)，文章提出了以交流充電樁為主的電動汽車充電方案，設計了一套電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)，闡述了該控制系統(tǒng)的硬件設計，包括主充電電路單元、主控制電路單元、計費單元、人機交互單元、IC卡單元，以及軟件系統(tǒng)及主要程序。
關鍵詞：電動汽車；充電樁；控制系統(tǒng)；
1引言
隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯渴以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國高層及汽車企業(yè)普遍認識到節(jié)能和減排是未來汽車技術發(fā)展方向，發(fā)展電動汽車將是解決這兩個難題的良好途徑。電動汽車具有環(huán)保特性，代表著汽車產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向。目前動力電池作為電動汽車的動力源為汽車提供動力，使電動汽車一次充電行駛里程為200km，但當動力電池電力耗盡時需要補充電量。目前國內(nèi)就充電模式提出了多種方式，例如: 電池組快速更換、快速充電以及常規(guī)充電等。根據(jù)現(xiàn)實情況，動力電池體積大、重量重，不便于隨意更換，同時大功率直流充電柜作為應急充電裝置能為電動汽車提供快速續(xù)航電力，但對電池傷害很大。因此，交流充電樁解決了電動汽車隨時隨地電量補給問題，無須裝卸電池，整車通過充電電纜直接與充電樁連接即可實現(xiàn)充電，同時以交流電的形式供給電能，對電池無傷害，既提高了電動汽車動力電池壽命，也是電動汽車良好的日常充電方式。交流充電樁體積小、重量輕，與電網(wǎng)供電系統(tǒng)連接方便，可布置于小區(qū)、辦公樓宇、停車場以及電動汽車專用充電站內(nèi)，并同時能為兩輛電動汽車充電。
2控制系統(tǒng)電路的設計
2.1控制系統(tǒng)的組成電動汽車充電樁控制系統(tǒng)硬件設計包括:主充電電路單元、主控制電路單元、計費單元、人機交互單元、IC卡單元;控制系統(tǒng)的組成結構圖見圖1。
2.2控制系統(tǒng)硬件電路核心元件的選擇
為實現(xiàn)智能充電功能，保證計量準確，采用ARM9處理器作為核心控制單元。其主要功能特點是: 具有5個串口，兩個從USB接口，一個主USB接口，一個以太網(wǎng)接口，動態(tài)SDRAM，NAND，以及多路IO口，工業(yè)級的溫度范圍，符合本系統(tǒng)設計的要求。充電電量的計量直接采用多功能單相表計量，采用 RS485對電表進行數(shù)據(jù)傳輸，其組成電路圖如圖2所示。
3控制系統(tǒng)軟件的設計
電動汽車充電樁控制系統(tǒng)的主要功能包括用戶信息交互、電能計量計費控制，控制系統(tǒng)軟件功能模塊圖如圖3所示。
整個控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。
4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)結構
系統(tǒng)分為四層：
即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。
數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。
網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。
數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。
應客戶端層：系統(tǒng)管理者可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過IC卡掃碼的方式啟動充電。
小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。
5安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能
5.1智能化大屏
智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。
5.2實時監(jiān)控
實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。
5.3交易管理
平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。
5.4故障管理
設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。
5.5統(tǒng)計分析
通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。
5.6基礎數(shù)據(jù)管理
在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、金額策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、 凍結和解綁。
5.7運維APP
面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送
5.8充電小程序
面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。
6系統(tǒng)硬件配置
類型 | 型號 | 功能 |
安科瑞充電樁收費運營云平臺 | AcrelCloud-9000 | 安科瑞響應國家節(jié)能環(huán)保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務。實現(xiàn)對動力電池快速、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。 |
互聯(lián)網(wǎng)版智能交流樁 | AEV-AC007D
| 額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、遠程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持IC卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏 |
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 | AEV-DC030D | 額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持IC卡，掃碼、免費充電 |
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 | AEV-DC060S | 額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持IC卡，掃碼、免費充電 |
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁 | AEV-DC120S | 額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持IC卡，掃碼、免費充電 |
10路電瓶車智能充電樁 | ACX10A系列
| 10路承載電流25安培，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、IC卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、IC卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持IC卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持IC卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持IC卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電 |
2路智能插座 | ACX2A系列
| 2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持IC卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持IC卡充電
|
20路電瓶車智能充電樁 | ACX20A系列
| 20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持IC卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持IC卡，免費充電
|
落地式電瓶車智能充電樁 | ACX10B系列
| 10路承載電流25安培，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持IC卡、掃碼充電,不帶屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持IC卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及錄像 |
智能邊緣計算智能通信管理機 | ANet-2E4sM | 4路RS485 串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC 12 V ～36 V 。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 |
擴展模塊ANet-485 | M485模塊：4路光耦隔離RS485 | |
擴展模塊ANet-M4G | M4G模塊：支持4G | |
導軌式單相電表 | ADL200 | 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協(xié)議 證書：MID /CE認證 |
導軌式電能計量表 | ADL400 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計；紅外通訊；電流規(guī)格：經(jīng)互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID /CE認證 |
無線計量儀表 |
ADW300 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能 、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目） 證書：CPA/CE認證 |
導軌式直流電表 | djsf1352-RN | 直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統(tǒng)計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證 |
面板直流電表 | PZ72L-DE | 直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證 |
電氣防火限流式保護器 | ASCP200-63D | 導軌式安裝，可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、內(nèi)部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。 |
結束語
文中設計的電動汽車充電樁控制系統(tǒng)具有實現(xiàn)簡單、集成化程度高、用戶操作界面友好等優(yōu)點，將對電動汽車的發(fā)展起到大的推動作用。該系統(tǒng)所設計的功能充分考慮到用戶使用的感受、對環(huán)境的保護以及能源的充分利用，從而具有高的經(jīng)濟效益和社會影響力。今后隨著電動汽車業(yè)的發(fā)展，該系統(tǒng)的研究也將隨之更加深入和完善。
【參考文獻】
[1]電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)研究與設計.王濤(1973－)，男，湖北漢川人，工程師
[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11月版
作者介紹：
虞佳豪，男 現(xiàn)任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為電能計量管理與保護。產(chǎn)品推薦
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