電動(dòng)汽車(chē)充電樁監控平臺系統的設計與應用

摘要：針對當前電動(dòng)汽車(chē)續航能力嚴重不足以及不能及時(shí)充電的問(wèn)題，將電力電子變流技術(shù)、智能監控技術(shù)、REIP無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)及CAN總線(xiàn)技術(shù)應用到電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計與研究中。開(kāi)展了無(wú)人值守的智能電動(dòng)車(chē)充電樁的現實(shí)依據和理論可行性分析，提出了一種兼備CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊功能和無(wú)人值守功能的電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的軟件設計方法和硬件結構組成方案，把每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁視為一個(gè)智能節點(diǎn)，建立了上位機組態(tài)監控和下位機數據采集相互結合的系統整體框架。在組態(tài)軟件MCGS上對電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的人機交互界面進(jìn)行了模擬演示試驗，并對電池充電過(guò)程中的各項參數指標進(jìn)行了采集與分析。研究結果表明：電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁能夠快速地為電動(dòng)汽車(chē)充電，并且具備完善的遠程通信和監控功能，保證了電動(dòng)汽車(chē)的續航能力。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；充電樁；REIP無(wú)線(xiàn)射頻；智能監控；CAN總線(xiàn)

0引言

常規石化燃料的使用在對大氣造成了很大程度的污染的同時(shí)，其作為一種不可再生能源，儲量也越來(lái)越少。目前，很多國家和科研機構正在積極致力于電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與生產(chǎn)，我國在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)起步早、發(fā)展快，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為節能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢。電動(dòng)汽車(chē)憑借其零污染、零噪音、駕駛簡(jiǎn)單的優(yōu)勢一度成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但是電動(dòng)汽車(chē)續航能力弱以及充電不方便等缺點(diǎn)也成為限制大范圍使用的障礙。目前，電動(dòng)汽車(chē)采用蓄能電池作為動(dòng)力來(lái)源，當電壓較低時(shí)，就要進(jìn)行電能補給，否則性能會(huì )受到很大影響。目前，國內有很多充電模式，例如：電池組快速更換、快速充電以及常規充電等，但是動(dòng)力電池體積大、重量大、更換不方便舊J。電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁不僅能夠解決電動(dòng)汽車(chē)隨時(shí)隨地充電的問(wèn)題，還能夠對動(dòng)力電池進(jìn)行維護，具有人性化的人機交互界面和完善的通訊能力，確保了用戶(hù)操作簡(jiǎn)便，實(shí)現了智能化。本研究將電力電子變流技術(shù)、智能監控技術(shù)、REIP無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)等應用到電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計與研究中。

1 電動(dòng)汽車(chē)(EV)的充電方法和建設充電樁監控系統的必要性

目前，電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電的方法主要有：

(1)交流充電。由電網(wǎng)提供220 V或者380 V交流電源，經(jīng)過(guò)車(chē)載充電裝置的濾波、整流和保護等功能，實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)蓄電池的充電過(guò)程。這種充電方法充電時(shí)間較長(cháng)，充電功率較小，適合小型純電動(dòng)車(chē)以及混合動(dòng)力運行的汽車(chē)。

(2)直流充電。這種充電方式是由地面提供直流電源，直接為車(chē)上的蓄電池進(jìn)行充電，省去了車(chē)載充電裝置，有利于車(chē)身自重的減輕。地面充電機一般功率較大，能實(shí)現快速充電。適合電動(dòng)公交車(chē)等大型電動(dòng)汽車(chē)。

(3)更換電池組。這種充電方法為每一輛電動(dòng)汽車(chē)準備了兩組蓄電池，一組為電動(dòng)汽車(chē)提供電源的同時(shí)，另一組處于地面充電狀態(tài)，當車(chē)載電池組電量不足的時(shí)候，可以及時(shí)地拆下并更換已經(jīng)充足電量的電池組。這種方式能夠實(shí)現較短時(shí)間的充電過(guò)程。但是需要建設大量的電池更換站，需要大量人員進(jìn)行維護。投資成本大，智能化程度低，不予采用。

(4)非接觸式充電。這種充電方式需要在路面上嵌入電氣元件，并且能夠和車(chē)輛進(jìn)行隨時(shí)接觸，這樣在車(chē)輛行駛的過(guò)程中才能夠實(shí)現隨時(shí)充電，不用受到充電地點(diǎn)的限制。這種充電方式目前還沒(méi)有引起人們足夠的注意和興趣，不予采用。

對建設充電樁監控系統的必要性分析如下：

隨著(zhù)社會(huì )科技力量的不斷強大，電動(dòng)車(chē)以其零排放和噪音小的優(yōu)勢會(huì )逐漸地被人們所認可。建設龐大的充電系統也是不可或缺的一部分，就如同現在的汽車(chē)加油站一樣，遍地可見(jiàn)。同時(shí)，現在的電動(dòng)車(chē)輛電池大部分采用能效比較高、體積較小的鋰離子蓄電池作為能源電池。鋰離子電池對充放電的要求較高，如果沒(méi)有相應的監控方式，就會(huì )對電池造成不可修復的損害，嚴重時(shí)還會(huì )危及到人們的人身安全。

2 電動(dòng)汽車(chē)(EV)充電樁監控系統實(shí)現的功能

2．1 充電樁建設的兩種可行模式

1. 建設交流充電樁。在小區停車(chē)場(chǎng)建設交流充電樁，采用220 V或者390 V交流電壓，這兩種電壓等級容易獲得。經(jīng)過(guò)地面充電樁，可以為家用電動(dòng)汽車(chē)或者環(huán)衛清潔車(chē)等小型電動(dòng)汽車(chē)充電，這種交流充電樁的優(yōu)勢就是可以利用車(chē)輛夜間閑置的時(shí)間進(jìn)行充電。

(2)建設直流充電樁。在電動(dòng)公交車(chē)站或者大型電動(dòng)汽車(chē)的場(chǎng)合建設直流充電樁，可以快速地完成車(chē)輛充電過(guò)程。這種充電樁的功率較大，對電網(wǎng)會(huì )進(jìn)行一定的沖擊，所以在建設的時(shí)候需要考慮對電網(wǎng)的保護措施。本研究只要考慮交流220 V、380 V充電樁的監控系統的設計。

2．2監控系統的主要功能

監控系統的主要功能包括：

(1)具備IC卡識別功能，通過(guò)手持Ic卡進(jìn)行充電樁的激活和計費功能。

(2)具備對充電樁交流電源的電壓和電流的檢測和保護功能。

(3)具備對電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段進(jìn)行監控的功能。

(4)具備通信功能，能夠和上級管理層進(jìn)行通信和數據交換。

(5)具備電池智能維護的功能，能夠在充電過(guò)程中，對電池進(jìn)行檢測，適度維護電池。

3．1硬件框架組成

充電池監控系統的結構圖如圖1所示。圖1中，AC交流電源輸入為直接接人的380 V電網(wǎng)電源，經(jīng)過(guò)處理單元的濾波、整流、穩壓等一系列操作變成可供電動(dòng)汽車(chē)充電的可用直流電源。IC卡識別模塊用來(lái)用戶(hù)激活充電樁的方式，通過(guò)讀卡器識別Ic卡上的用戶(hù)信息，可用來(lái)顯示余額，以及個(gè)人信息。狀態(tài)顯示用來(lái)顯示當前的充電模式、充電電流／電壓以及電池的充電狀態(tài)等信息。

硬件系統主要包括主控板、Ic讀卡器、檢測芯片、以及顯示電表和顯示屏、鍵盤(pán)、通信模塊等設備。

主控板是硬件系統的核心組成部分，完成充電過(guò)程的啟動(dòng)、運行、實(shí)時(shí)監控以及關(guān)閉，并可通過(guò)多種通訊方式將數據實(shí)時(shí)傳輸至后臺，主控板的主要功能特點(diǎn)包括：具備7個(gè)串口，下位機檢測以及數據采集辦卡通過(guò)通用串行總線(xiàn)和上位機CPU模塊進(jìn)行通信，同時(shí)上位機需具備顯示功能。具備一個(gè)以太網(wǎng)口，動(dòng)態(tài)的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具備工業(yè)級的溫度范圍等。5 J。為了實(shí)時(shí)監測充電樁的運行狀態(tài)，保證充電過(guò)程的安全可靠，本研究設計了監控保護單元，該單元對充電樁的進(jìn)線(xiàn)輸入電壓、充電輸出電壓／電流、充電接口連接狀態(tài)、車(chē)載電池管理系狀態(tài)、車(chē)載電池狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，一旦出現異常，能夠及時(shí)切斷電源輸出，保護電動(dòng)汽車(chē)電池及充電樁本身的安全。

在電動(dòng)車(chē)充電樁建設的過(guò)程中，充電樁外體材料應選擇鍍鋅鋼板，并具備一定的防潮防水性能，保證在陰濕天氣情況下能正常運行。在元件選型時(shí)，應該選擇具有工業(yè)級標準的電力電子器件，保證充電樁在惡劣環(huán)境下能正常運行。另外，為防止電磁干擾，應選用帶屏蔽功能的通信線(xiàn)，以及在外體上鏈接一根接地線(xiàn)，起到共模抑制的作用。

3．2充電樁智能監控系統的軟件構成

軟件系統程序流程圖如圖2所示。當用戶(hù)需要充電時(shí)，將電動(dòng)汽車(chē)的充電插口與充電樁的充電手柄相連接，然后通過(guò)IC卡讀卡器激活充電樁；如果充電手柄與充電插口連接不正常則提示報警。用戶(hù)身份識別完成后，用戶(hù)可選擇充電模式和充電時(shí)間，同時(shí)充電樁檢測電池狀態(tài)，如果電池當前狀態(tài)不允許用戶(hù)選擇當前充電模式的話(huà)，則提示報警，由充電樁給出合理的充電模式的選擇建議。當充電模式選擇正確后，則可以研究正常充電過(guò)程，在充電過(guò)程中，顯示屏會(huì )顯示當前用戶(hù)的信息、卡余額、充電時(shí)間以及估計剩余時(shí)間等等有效信息。充電結束后，充電樁給出提示，卡計費停止，打印票據，用戶(hù)離開(kāi)，充電樁自動(dòng)進(jìn)行鎖定狀態(tài)，等待下一用戶(hù)激活。

主程序在編寫(xiě)時(shí)，采用了模塊化的原則，這樣能夠保證充電樁高效的運行，筆者按照充電樁的幾大功能，將程序分為幾個(gè)大的模塊：中央控制模塊、IC卡識別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機模塊、檢測模塊等6大模塊。8 J。當充電樁被激活時(shí)，主程序能夠有效地協(xié)調各個(gè)模塊之間的工作從而完成從身份識別到充電結束的一整套流程，多線(xiàn)程處理可以保證各個(gè)模塊之間相互獨立，互不影響。

4智能充電樁的性能測試

經(jīng)過(guò)現場(chǎng)測試，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁完全能夠滿(mǎn)足快速充電的要求，并且具備電池的維護和保養功能，現場(chǎng)監控畫(huà)面能夠實(shí)時(shí)顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內余額等各項信息，用戶(hù)可以很方便地進(jìn)行充電操作，現場(chǎng)測試表明，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁運行狀況良好。系統整體測試截圖如圖3所示。

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

5.3.1系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據中心層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據中心層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監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(guò)程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)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(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

5.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、 凍結和解綁。

5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送。

5.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能

5.5系統硬件配置

6結語(yǔ)

通過(guò)在實(shí)驗室進(jìn)行的模擬充電實(shí)驗，筆者得出以下結論，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的運行狀況良好，充電模式可以根據需要進(jìn)行修改，充電時(shí)間可根據充電模式的選擇自動(dòng)調整，*快充電時(shí)間在60 rain左右，用戶(hù)信息可以顯示當前卡內余額、歷史充電記錄，方便用戶(hù)查詢(xún)。當電池電壓達到額定電壓的90％的時(shí)候，系統會(huì )自動(dòng)降低充電電流，對電池做出維護。凸顯的一個(gè)問(wèn)題就是，系統發(fā)熱量較高，需配備散熱設備進(jìn)行散熱，以保證電子器件的安全、穩定運行。

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安科瑞唐曉娟13774431042