浅析基于智能控制的电动汽车充电桩系统研究
2021-08-19 09:06:23 来源：安科瑞王蒙蒙
摘要：近几年来，在全球可持续发展环境下，电动汽车以新型绿色成为汽车工业研究热点。凭借操作方便，以及较高的实用性，智能充电桩作为电动汽车的配置基础设施也随之被大力推广。智能充电桩技术的关键点之一是通过设计更有效、可靠的智能充电桩进而保障电动汽车有效的的使用过程。本文通过基于智能控制，分析了电动汽车智能充电桩的系统。
关键词：电动汽车、智能、充电桩
引言
随着不能再生能源，如石油的不断使用，能源危机和环境要求迫使各国更加重视新能源的开发[1]。与传统的燃油汽车相比，电动汽车不仅在便利性、续航性能和制造成本上有许多优点，而且不需要浪费额外的时间来进行燃油补充。电动是一种绿色新能源，其通过电能作为动力来源进行驱动，完全摆脱对石油的依赖。再者，由于电机运行声音远低于传统燃油汽车发动机的运行声音，使得低噪音也成为研究电动汽车的一个重要原因。
目前，很多科研机构及国家在电动汽车的研发和市场投入上已经有所成就，但我国在电动汽车上的研究起步晚，发展慢。因而，智能电动汽车的研究必然是发展趋势。
一、充电系统的功能要求
在智能充电汽车系统中，电能通过电网传递到智能电动汽车“中转站”。电动汽车智能充电桩再此过程中发挥巨大作用。除基本的安稳性、便携性和效率高要求外，智能充电桩还应具备以下几种功能：指示功能；记录功能；智能计费功能；监控功能；报警及故障保护功能。
二、充电系统的充电和智能充电桩的建设方式
1、充电系统的充电方式
电动汽车智能充电的方式主要有以下4种。
（1）交流充电：与交流电网相接，一般来说会用220V或者380V的交流电来实现电动汽车的充电过程。交流电源连接到汽车充电电动机，充电电池。交流充电安稳性较高，但因时间较长，故一般用于小型电动汽车或外接式的混合动力汽车。
（2）直流通电：直流通电一般通过地面来提供电源，并且直接为电动汽车充电。相对交流充电的方式，其减少了车载充电桩，从而降低了汽车自身的重量。其使用的充电桩的功率一般较大，会对电网产生巨大的影响。因此在布置时，需要进一步考虑电网的保护措施。
（3）更换电池组：简单而言，就是在汽车上额外备用一个蓄电池，当一个蓄电池电力不足时用另外一个蓄电池进行更换。这是一种更快、更方便的方式，简单地移除电动汽车的所有电池模组，并以已经充满电的同类型电池取代。由于需要对电池模块的充电、存储、维护和更换，因此充电站有很高的建设标准。投资成本相对较大，智力程度较低。一般而言，不予采纳。
（4）非接触式充电：非接触式充电分为电磁感应、磁共振和微波三种。非接触式电动汽车的智能充电桩可以通过反复充电，为车辆提过持续运转的能量。另一方面，非接触式充电不需要电缆将汽车连接到供电系统，可以直接充。
2、充电桩的建设方式
从技术和使用层面上看，电动汽车智能充电桩的定位在几个主要场景：居民区、公司和学校等特殊场景；安稳商场、连锁超市、运动和停车场等公共场景；高速公路服务区等。
综合来看，交流充电相对更换电池组和非接触式成本较低，风险较小。而且，220V和380V的交流充电方式其电压易于获得，且对电网无大的负面影响。因此，220V和380V交流充电应该是我们需要研究的主流方式。
三、建设智能充电桩监控系统
智能充电桩的监控系统作为智能充电桩系统的核心之一，是智能充电桩电气系统、供电监控系统和安稳监控系统的总称[5]。重要性主要体现在以下2个方面。
1、保证充电安稳的需要
对于智能充电桩而言，如果充电过程不理想会加速甚至造成智能充电桩的永远损坏，更有甚者还会引起爆炸。智能充电桩监控系统的充电监控功能不仅可以监控智能充电桩的实时状态，还能作为保护措施从而高度保证充电过程的安稳。
2、提高智能充电桩运行和管理水平的需要
电动汽车智能充电桩是电动汽车能源基础设施，其保障了电动汽车的正常运行。组成智能充电桩的子系统数目较多，百分之一百人工管理不合实际。因此，采用先进的智能化技术来完成智能充电桩的运行和管理，提高其水平是十分有必要的。
四、充电桩智能的设计
电动汽车智能充电桩的系统设计主要包括硬件、软件和环境和电磁3个部分，除满足标准外，还可以添加其他附加功能。
1、硬件设计
电动汽车系统十分复杂，其智能充电桩的硬件系统部分主要包括：主控板、读卡器、通讯模块、触摸屏等。主控板是智能充电桩的核心主体。主控板进行充电过程全部控制。主控板通过通信信道渠道完成服务器的智能化[7]。为保证电动汽车智能充电桩的运行过程正常，相关部门也要对智能充电桩进行实时监控。
2、软件设计
电动汽车智能充电桩的软件设计部分，其具体可以拆分为：系统工作流程和功能模块设计两个部分。在电动汽车智能充电桩中，系统程度的工作流程是：当电动汽车因为电力匮乏急需充电，则可以刷IC卡或者通过其他智能支付方式进入充电状态。充电过程通过电动汽车智能充电桩的主控制系统进行保障。如果充电系统发生故障，那么充电操作将被禁止，并且还将警告服务器。
功能模块化设计目的是使智能充电桩运行效率高，并且有可观的延展性。其主要包括主控模块、人机交互模块、读卡器模块、费用计量模块、通信模块等。主程序是在软件系统开始时，通过系统配置的文件配置相关程序，并且加载完成各通信模块。人机交互模块主要完成用户操作，并进行与用户的信息交互。安稳模块主要完成对用户信息和智能充电桩数据传递过程的线路加密，保证用户信息安稳，不被外界窃取。
3、环境和电磁设计
电动汽车智能充电桩一般布置在户外，因此需要有能抵抗恶劣的自然环境的能力。另外，电动汽车智能充电桩应该拥有抗电磁干扰的性能，至少可以抵御正常电子通设备产生的弱电磁干扰。不能仅仅因为一个微弱的电磁信号就影响整个充电过程的实现。
五、安科瑞充电桩运营管理平台
1、系统架构
安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表
用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
微信小程序：扫码充电，账单支付等功能
数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
2、平台功能
2.1平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
2.2平台首页
平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
2.3实时监控
l 充电站监控
充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。
l 充电枪监控
充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。
2.4微信小程序
l 搜索与使用
微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示
l 授权登录界面
用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：
l 主功能页
初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。
l 充电
扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。
l 个人信息
个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能
3、硬件配置
3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）
若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
3.2现场推荐硬件配置清单：
六、结语
电动汽车充电桩系统的智能化是一个复杂的工程，涉及多个方面的技术要求。在互联网环境下，应结合智能控制研发满足系统综合监控需要，人机操作界面友善、易扩展的系统，来推动电动汽车智能控制的进一步发展。
参考文献
[1] 刘朝晖.电动汽车智能充电桩的设计与应用[J].电子技术与软件工程
[2] 吴显富.基于智能控制的电动汽车充电桩系统研究
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：王蒙蒙，女，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电瓶车充电桩的研发和应用
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