淺談電動(dòng)汽車(chē)充電樁系統設計

安科瑞電氣股份有限公司 

上海嘉定201801

摘要：在節能減排環(huán)境下，為減少環(huán)境污染問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)應時(shí)而生。充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分以及重要能量來(lái)源，加強其研究能促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的長(cháng)久發(fā)展。文章分析研究了充電樁的發(fā)展時(shí)期和現狀，對我國目前已有的充電方式以及可行性進(jìn)行了分析，探究了電動(dòng)汽車(chē)充電樁設計，具體為硬件、軟件、功能設計等方面，希望能助力我國的電動(dòng)汽車(chē)飛速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電樁；設計

引言

在保護生態(tài)環(huán)境背景下，為保護人類(lèi)生存環(huán)境、保障經(jīng)濟社會(huì )可持續發(fā)展，我國汽車(chē)工業(yè)逐漸向節能環(huán)保、綠色產(chǎn)業(yè)轉變，電動(dòng)汽車(chē)作為重要組成部分也勢必朝著(zhù)節能減排趨勢發(fā)展。充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)的加油機，對其系統設計進(jìn)行研究具有非常重要的現實(shí)意義。

一、電動(dòng)汽車(chē)充電樁概述

1、電動(dòng)汽車(chē)充電樁發(fā)展歷程及近況

新經(jīng)濟時(shí)代，我國工業(yè)發(fā)展飛速，但給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很多壓力和傷害。隨著(zhù)我國經(jīng)濟文化的發(fā)展，加強環(huán)境保護意識、提倡節能低碳是我國社會(huì )發(fā)展必然趨勢。因此電動(dòng)汽車(chē)出現并逐漸推廣，目前，電動(dòng)汽車(chē)在我國整個(gè)汽車(chē)市場(chǎng)有著(zhù)舉足輕重的地位，在電動(dòng)汽車(chē)推廣應用初期，因部分配套設施沒(méi)有得到完善，所以在很大程度上阻礙、制約了電動(dòng)汽車(chē)的普及發(fā)展，隨著(zhù)環(huán)境保護、可持續發(fā)展戰略的建立，該問(wèn)題受到了相關(guān)部門(mén)的關(guān)注和重視，投入了大量的資金對電動(dòng)汽車(chē)的配套設施進(jìn)行豐富、完善，并且已經(jīng)取得了一定的成果和經(jīng)驗，其中包含充電站、充電樁等。

2、電動(dòng)汽車(chē)充電的方法

電動(dòng)汽車(chē)充電的方法主要有交流充電、直流充電。直流充電不只是大型的公共汽車(chē)，在很多停車(chē)場(chǎng)地都會(huì )使用，同時(shí)具備交流、直流兩種充電樁，直流充電樁相對于交流更適用于大型車(chē)的快速充電。

（1）交流充電。使用220 V，380 V交流式充電電源，推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)多功能車(chē)載濾波電路、三相整流橋等充電設施的發(fā)展，能夠對電動(dòng)汽車(chē)的二次電池進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效充電，耗費時(shí)間較短，功率較高，被廣泛應用在小型電動(dòng)汽車(chē)上。

（2）直流充電。借助地皮表面的電源，對電動(dòng)汽車(chē)的二次電池（蓄電池）實(shí)施充電行為。與交流充電方式不同，直流充電并不需要二次電池進(jìn)行作用，充電時(shí)間較快，被廣泛應用于大型的電動(dòng)汽車(chē)以及電動(dòng)汽車(chē)快充。

二、充電樁建設的兩種可行模式

1、連接方式

為便利汽車(chē)充電，可以在電動(dòng)汽車(chē)的停放場(chǎng)地建造相應數量的交流充電樁，所用的220 V，380 V交流電壓是當今汽車(chē)工業(yè)中普遍存在的，相對容易獲取，所以可以使用兩種交流電壓形式。家用電動(dòng)車(chē)或者小型電動(dòng)車(chē)都可以，較大特點(diǎn)是電動(dòng)汽車(chē)可以隨時(shí)利用閑暇時(shí)間進(jìn)行充電，使用便捷。

2、建設直流充電樁

與交流充電樁不同，直流充電樁更適合大型的電動(dòng)汽車(chē)充電，在大型電動(dòng)汽車(chē)停放場(chǎng)地建立直流充電樁，能夠使大型的電動(dòng)汽車(chē)迅速充電。因為直流充電樁的功率偏大，很容易對電動(dòng)汽車(chē)的電網(wǎng)造成損害，因此需要定期對電網(wǎng)進(jìn)行維護保養。

三、安科瑞充電樁運營(yíng)管理平臺

1、系統架構

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控，同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警；用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統發(fā)起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。

充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數據交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶(hù)檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。

交易結算：充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶(hù)管理：用戶(hù)注冊，用戶(hù)登錄，用戶(hù)帳戶(hù)管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線(xiàn)自助支付充電，充電結算，導航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數據服務(wù)：數據采集，****提醒，數據存儲和解析

變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表，超負荷時(shí)系統自動(dòng)對充電樁的進(jìn)行調度管理，即當負荷超過(guò)百分之五十時(shí)，系統會(huì )限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過(guò)百分之八十時(shí)，系統將不允許新增充電樁開(kāi)始充電，直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開(kāi)云平臺鏈接、輸入賬戶(hù)名和權限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁(yè)

平臺首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng)，以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實(shí)時(shí)監控

l 充電站監控

充電站監控頁(yè)面監視用戶(hù)充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶(hù)擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時(shí)長(cháng)，進(jìn)行負荷限制、故障查詢(xún)。

l 充電槍監控

充電樁監控頁(yè)面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時(shí)長(cháng)和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時(shí)長(cháng)等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

l 搜索與使用

微信小程序可以通過(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l 授權登錄界面

用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí)，會(huì )進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要用戶(hù)授權登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面，如圖所示：

l 主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要授權定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導航等。

l 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面，可以查看到當前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng)，以及當前的賬戶(hù)余額，電價(jià)和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進(jìn)進(jìn)行評價(jià)。

l 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱(chēng)和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方推薦配置購買(mǎi)，或者客戶(hù)自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶(hù)自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據充電槍點(diǎn)數的不同，分別如下：

3.2現場(chǎng)推薦硬件配置清單：

四、安科瑞限流式保護器的介紹與選型

1、限流式保護器的設計

電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開(kāi)關(guān)和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(cháng)、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當弊端，發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現滅弧保護，從而能顯著(zhù)減少電氣火災事故，保障使用場(chǎng)所人員和財產(chǎn)的安全。

安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態(tài)開(kāi)關(guān)，不同于傳統家用的空氣開(kāi)關(guān)（微斷）。我們知道，傳統空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機械運動(dòng)過(guò)程，分斷時(shí)間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導體內部的載流子運動(dòng)實(shí)現，分斷時(shí)間微秒級，速度快，無(wú)電弧產(chǎn)生。

如圖1所示，當發(fā)生短路故障時(shí)，傳統空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作，且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流，而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖

從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時(shí)，就可以避免電弧的產(chǎn)生，從而有效降低了電氣火災。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：

A）短路保護功能，線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，能在150微秒內實(shí)現快速限流保護；

B）過(guò)載保護功能，線(xiàn)路持續過(guò)載時(shí)，保護器限流保護；

C）表內超溫保護功能，保護器內部器件工作溫度過(guò)高時(shí)，保護器限流保護；

D）過(guò)/欠壓保護功能，線(xiàn)路欠壓或過(guò)壓時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

E）電纜溫度監測功能，被測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

F）漏電流監測功能，線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí)，保護器告警或限流保護（可設）；

G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無(wú)線(xiàn)通訊，可以將數據發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監控軟件或平臺，從而實(shí)現遠程監控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數

4、應用方案圖示

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶(hù)開(kāi)關(guān)下端，額定電流值根據入戶(hù)開(kāi)關(guān)的具體規格進(jìn)行設置，典型應用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項

在選用限流式保護器時(shí)，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時(shí)，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線(xiàn)路中。

ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以?huà)靿Π惭b，也可以安裝在箱體內，應確保安裝場(chǎng)所無(wú)滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì)，并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。

為確?？煽窟B接，接線(xiàn)時(shí)應按接線(xiàn)圖進(jìn)行，同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導致局部過(guò)熱，也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常，線(xiàn)頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實(shí)。

保護器內部帶有交流電，嚴禁非專(zhuān)業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護時(shí)，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線(xiàn)路的金屬部分。待檢查線(xiàn)路，并排除故障后，長(cháng)按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時(shí)。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時(shí)，則可能是因為負載電流過(guò)大，環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因導致，可通過(guò)加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來(lái)后，再長(cháng)按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

五、結束語(yǔ)

綜上所述，可以看出來(lái)，在電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計中，要考慮的因素較多，設計要求也更加高，對智能充電樁的要求也比較嚴格，因此在設計智能充電樁的時(shí)候，需要對智能充電樁的連接方式、接口設計、問(wèn)題處理等都要進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，讓智能充電樁的設計可以更好的服務(wù)于客戶(hù)。

參考文獻

[1] 柏靜.電動(dòng)汽車(chē)充電樁系統設計分析.

[2] 魯莽,周小兵,張維.國內外電動(dòng)汽車(chē)充電設施發(fā)展狀況研究[J].華中電力.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版

作者簡(jiǎn)介：陳怡錦，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車(chē)充電樁的研發(fā)和應用，Email:1060024320@qq.com，手機：13774413253（微信同號）