摘要：針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車電池壽命嚴(yán)重不足、無法及時(shí)充電的問題，將電動(dòng)電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無線射頻技術(shù)和CAN總線技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)和研究。對(duì)無人值守的智能電動(dòng)汽車充電樁進(jìn)行了現(xiàn)實(shí)依據(jù)和理論可行性分析，提出了電動(dòng)汽車智能充電樁的軟件設(shè)計(jì)方法和硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成方案，兼具CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信功能和無人值守功能，將每個(gè)電動(dòng)汽車智能充電樁視為一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，并建立了上下位置監(jiān)控，結(jié)果表明，電動(dòng)汽車智能充電樁能夠快速為電動(dòng)汽車充電，并具有完善的遠(yuǎn)程通信和監(jiān)控功能，保證了電動(dòng)汽車的耐久性。

關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車；充電樁；REIP無線射頻；智能監(jiān)控；CAN總線；

0引言

作為一種不可再生能源，常規(guī)石化燃料的使用不僅對(duì)大氣造成了極大的污染，而且儲(chǔ)量也越來越少。目前，許多國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)正在積極致力于電動(dòng)汽車的研發(fā)和生產(chǎn)。中國(guó)在電動(dòng)汽車行業(yè)起步早，發(fā)展迅速。電動(dòng)汽車的發(fā)展已成為節(jié)能減排和改善地球環(huán)境的必然趨勢(shì)。電動(dòng)汽車以其零污染、零噪音、駕駛簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)一度成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，但電動(dòng)汽車電池壽命弱、充電不便等缺點(diǎn)也成為限制廣泛使用的障礙。當(dāng)前，電動(dòng)汽車采用蓄能電池作為動(dòng)力來源，當(dāng)電壓較低時(shí)，必須進(jìn)行電能供應(yīng)，否則性能會(huì)受到很大影響。目前，中國(guó)有許多充電模式，如電池組快速更換、快速充電和常規(guī)充電，但動(dòng)力電池體積大、重量大，更換舊J不方便。電動(dòng)汽車智能充電樁不僅可以解決電動(dòng)汽車隨時(shí)隨地充電的問題，還可以維護(hù)動(dòng)力電池。它具有人性化的人機(jī)交互界面和完善的通信能力，確保用戶操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)智能化。本研究將電力電子變流技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)、REIP無線射頻技術(shù)等應(yīng)用于電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究。

1電動(dòng)汽車(EV)充電方式及充電樁監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的必要性

現(xiàn)在，電動(dòng)汽車(EV)充電方式主要包括：

（1）交流充電。電網(wǎng)提供220V或380V交流電源，通過濾波、整流和車載充電裝置的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池的充電過程。這種充電方式充電時(shí)間長(zhǎng)，充電功率小。適用于小型純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車。

（2）DC充電。這種充電方式是在地面上提供DC電源，直接為汽車上的電池充電，省去了車載充電裝置，有利于減輕車身重量。地面充電器通常功率大，可以實(shí)現(xiàn)快速充電。適用于電動(dòng)公交車等大型電動(dòng)汽車。

（3）更換電池組。這種充電方法為每輛電動(dòng)汽車準(zhǔn)備了兩組電池。一組為電動(dòng)汽車提供電源，另一組處于地面充電狀態(tài)。當(dāng)車載電池組電量不足時(shí)，可及時(shí)拆卸和更換充足電量的電池組。這種方法可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電過程。然而，需要建造大量的電池更換站，需要大量的人員進(jìn)行維護(hù)。投資成本高，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道路上嵌入電氣元件，并且可以隨時(shí)與車輛接觸，這樣在車輛行駛過程中可以在不受充電位置限制的情況下隨時(shí)充電。目前，這種充電方式還沒有引起足夠的關(guān)注和興趣，因此不會(huì)被采用。

充電樁監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的必要性分析如下：

隨著社會(huì)科技力量的不斷增強(qiáng)，電動(dòng)汽車將逐漸得到人們的認(rèn)可，因?yàn)樗鼈兙哂辛闩欧藕偷驮胍舻膬?yōu)點(diǎn)。建設(shè)一個(gè)龐大的充電系統(tǒng)也是不可或缺的一部分，就像現(xiàn)在的汽車加油站一樣，隨處可見。同時(shí)，目前大多數(shù)電動(dòng)汽車電池使用能效高、體積小的鋰離子電池作為能源電池。鋰離子電池對(duì)充放電有很高的要求。如果沒有相應(yīng)的監(jiān)控方法，會(huì)對(duì)電池造成不可修復(fù)的損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及人身安全。

2電動(dòng)汽車(EV)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

2．1.兩種可行的充電樁建設(shè)模式

建造交流充電樁。在社區(qū)停車場(chǎng)建造交流充電樁時(shí)，使用220V或390V交流電壓，這兩種電壓水平很容易獲得。通過地面充電樁，您可以為家用電動(dòng)汽車或環(huán)衛(wèi)清潔車等小型電動(dòng)汽車充電。這種交流充電樁的優(yōu)點(diǎn)是可以利用車輛在夜間的閑置時(shí)間進(jìn)行充電。

（2）建造DC充電樁。在電動(dòng)公交車站或大型電動(dòng)汽車場(chǎng)建造DC充電樁可以快速完成車輛充電過程。這種充電樁功率大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，因此在施工過程中需要考慮電網(wǎng)的保護(hù)措施。本研究只需考慮交流220V、設(shè)計(jì)380V充電樁監(jiān)控系統(tǒng)。

2．2.監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：

(1)具有IC卡識(shí)別功能，通過手持IC卡激活和計(jì)費(fèi)充電樁。

(2)具有檢測(cè)和保護(hù)充電樁交流電源電壓和電流的功能。

(3)具有監(jiān)控電池充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段的功能。

(4)具有通信功能，能與上級(jí)管理層進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。

(5)具有電池智能維護(hù)功能，可在充電過程中對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)電池進(jìn)行適度維護(hù)。

3智能充電樁監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1.由硬件框架組成

充電池監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在圖1中，AC交流電源輸入為380V電網(wǎng)電源，直接連接人。經(jīng)過濾波、整流、穩(wěn)壓等一系列操作，成為電動(dòng)汽車充電的可用DC電源。IC卡識(shí)別模塊用于用戶激活充電樁。余額和個(gè)人信息可以通過讀卡器顯示。狀態(tài)顯示用于顯示當(dāng)前的充電模式和充電電流／電壓、電池充電狀態(tài)等信息。

硬件系統(tǒng)主要包括主控板、IC讀卡器、檢測(cè)芯片、顯示電表、顯示屏、鍵盤、通信模塊等設(shè)備。

主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分。它可以完成充電過程的啟動(dòng)、運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控和關(guān)閉，并通過各種通信方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)。主控板的主要功能特點(diǎn)包括：通過通用串行總線和上位機(jī)CPU模塊進(jìn)行通信，對(duì)下位機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，上位機(jī)需要具有顯示功能。它有以太網(wǎng)口、動(dòng)態(tài)SDRAM控制器、NAND控制器和多個(gè)交叉口，以及工業(yè)級(jí)溫度范圍。5J。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，確保充電過程的安全／實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、充電接口連接狀態(tài)、車載電池管理系統(tǒng)狀態(tài)、車載電池狀態(tài)等。如有異常，可及時(shí)切斷電源輸出，保護(hù)電動(dòng)汽車電池和充電樁本身的安全。

在電動(dòng)汽車充電樁建設(shè)過程中，充電樁的外部材料應(yīng)選用鍍鋅鋼板，并具有一定的防潮防水性能，以確保在陰濕天氣下正常運(yùn)行。在選擇部件時(shí)，應(yīng)選擇具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的電力電子設(shè)備，以確保充電樁在惡劣環(huán)境下能夠正常運(yùn)行。此外，為了防止電磁干擾，應(yīng)選擇具有屏蔽功能的通信線，并將接地線連接到外部，以抑制共模。

3．2充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。當(dāng)用戶需要充電時(shí)，將電動(dòng)汽車的充電插座與充電樁的充電手柄連接，然后通過IC卡讀卡器激活充電樁；如果充電手柄與充電插座之間的連接不正常，則會(huì)發(fā)出警報(bào)。用戶身份識(shí)別完成后，用戶可以選擇充電模式和充電時(shí)間。同時(shí)，充電樁檢測(cè)電池狀態(tài)。如果用戶不允許在當(dāng)前狀態(tài)下選擇當(dāng)前充電模式，則會(huì)發(fā)出警報(bào)，并建議充電樁選擇合理的充電模式。當(dāng)充電模式選擇正確時(shí)，可以在充電過程中研究正常充電過程

主程序在編寫時(shí)，采用了模塊化的原則，這樣能夠保證充電樁高效的運(yùn)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(shí)別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機(jī)模塊、檢測(cè)模塊等6大模塊。8 J。當(dāng)充電樁被激活時(shí)，主程序能夠有效地協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作從而完成從身份識(shí)別到充電結(jié)束的一整套流程，多線程處理可以保證各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，互不影響。

4智能充電樁的性能測(cè)試

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電動(dòng)汽車智能充電樁完全能夠滿足快速充電的要求，并且具備電池的維護(hù)和保養(yǎng)功能，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r(shí)顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內(nèi)余額等各項(xiàng)信息，用戶可以很方便地進(jìn)行充電操作，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，電動(dòng)汽車智能充電樁運(yùn)行狀況良好。系統(tǒng)整體測(cè)試截圖如圖3所示。

5 安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.3.1系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中心層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)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(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

5.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)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。

5.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。

5.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、 凍結(jié)和解綁。

5.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送。

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)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

通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模擬充電實(shí)驗(yàn)，筆者得出以下結(jié)論，電動(dòng)汽車智能充電樁的運(yùn)行狀況良好，充電模式可以根據(jù)需要進(jìn)行修改，充電時(shí)間可根據(jù)充電模式的選擇自動(dòng)調(diào)整，*快充電時(shí)間在60 rain左右，用戶信息可以顯示當(dāng)前卡內(nèi)余額、歷史充電記錄，方便用戶查詢。當(dāng)電池電壓達(dá)到額定電壓的90％的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低充電電流，對(duì)電池做出維護(hù)。凸顯的一個(gè)問題就是，系統(tǒng)發(fā)熱量較高，需配備散熱設(shè)備進(jìn)行散熱，以保證電子器件的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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審核編輯 黃宇