技术文章

电动汽车充电桩的防触电保护的分析研究

2021-06-24 20:18:05 来源：安科瑞王蒙蒙

王蒙蒙
安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801

摘要：进入21世纪以来，能源枯竭问题和传统能源造成的环境污染问题被社会公众日益重视。于是，许多节约资源和保护环境的可替代能源被提上研究日程。这种情况下，原本以汽油、柴油为主要燃料的汽车需进行相应的转型升级，推动电动汽车市场不断扩大。因此，将较重阐述电动汽车充电桩的防触电保护，以期提供借鉴。
关键词：电动汽车；充电桩；防触电保
引言
随着居民生活水平的提升，我国汽车得到了大面积普及。但是，使用汽油、柴油等传统燃料的汽车，尾气排放对环境污染严重。在此情况下，电动汽车应运而生，随之的一系列配套设备成为人们关注的热点。
一、电动汽车及配套设备
传统的汽车以汽油和柴油为燃料，在行驶过程中要排放大量的尾气。电动汽车的动能从燃料改为电池驱动，不仅能够缓解我国的能源危机，还实现了污染零排放，有利于保护环境 [1]。当电动汽车的驱动电池电能消耗过多时，会出现不能便捷找到充电点等现实问题，导致电动汽车在我国的实际利用率不高。
为了解决电动汽车面临的没有充电点的问题，研究学者为电动汽车设计了相配套的充电设备，其中充电桩就是这一系列充电设备中便捷、可靠、快速的设施之一，得到了大面积使用。然而，由于充电桩和居民用电、电动自行车充电不同，对汽车的充电必然是一个大功率、大电流的设施，价格昂贵，一般位于公共场所。因此，摆放在公共场所的电动汽车充电桩能否安稳使用，成为消费者、企业和政府三方关心的问题。
二、充电桩的安稳标准
在充电桩的生产与使用过程中，国家有关部门制定了一系列政策要求。对于充电桩的安稳标准，以 IEC 为主的通用标准成为企业生产合格达标充电桩的主要依据。现行的 IEC61851-1 充电桩安稳标准，是我国政府相关部门在 2010 年针对电动汽车行业以及其附属产业充电桩的发展制定的一套通用标准 [2]，具体涵盖了充电桩的设计标准、生产标准以及电流标准等。在整个 IEC 充电桩安稳生产标准中，相关部门针对充电桩耗电量大、电压高、电流大等特点制定了许多要求，包括防止充电桩过热、防止大能量电弧、防止充电桩发生机械危险、防止充电桩不符合操作流程等。这些要求虽然种类繁多，但仍以防触电保护要求为较重、较根本的要求。
三、电动汽车充电桩对防触电保护的要求
由于充电桩是为电动汽车的投入使用而生，因此对于充电桩的防触电保护应当注意电动汽车在进行充电时的安稳问题，一旦充电桩或者电动汽车的任何接触部位发生绝缘破坏无法进行正常的防触电保护，应当立即切断二者之间的联系，并通过警示的方式告知消费者。因此，充电桩的生产厂家不仅要考虑到充电桩平时的防护触电保护，更要考虑到充电桩在电动汽车进行充电时与电动汽车进行连接时的防触电保护。目前，按照我国充电桩的分类，相关学者有着不同的防触电研究。
1、对于交流充电桩的防触电保护要求
对于交流充电桩，相关研究学者将控制导引电路安置在充电桩与电动汽车的连接中。这种电路装置一方面在电动汽车的整个充电过程确认电动汽车和充电桩是否完成了所有线路的连接，确保危险带电体被绝缘层覆盖，另一方面也要持续监控电动汽车充电的全过程。当电动汽车和充电桩之间的接地线断开时，该电路应当做到在 100 ms 内切断二者之间的联系和充电桩的电源。一旦该电路故障、电动汽车和充电桩之间的接地线连接不严，电动汽车将无法和充电桩保持等电位联结，电动汽车被内部的绝缘将会失效，危险电压将通过金属车身直接与消费者接触，消费者很有可能发生触电危险。
2、对直流充电桩的防触电保护要求
除了交流充电桩以外，研究者对于直流充电桩也进行了相应的防触电保护。直流充电桩的电机分为隔离式和非隔离式。前者是指直流充电桩在输出电路和电源的交流侧基本上是绝缘状态，是我国目前在 IEC 和《安稳标准》设计中主要针对的一种充电桩。在有关直流充电桩的安稳标准部分，主要规定了直流充电桩需要要安装相应的自动切断电源装置，以及直流充电桩应当能够在正常使用时与交流电源侧中的 A 型漏电保护器相兼容。
四、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）

序号	名称	型号、规格	单位	数量	备注
1	数据服务器	DellR730CPU:E5-2620内存:32G硬盘容量:4*1.2T(SAS1万转2.5英寸小盘)RAID5	台	1	甲供，供参考
2	WEB服务器	DellR730CPU:E5-2603内存:16G硬盘容量:3*300G(SAS1万转2.5英寸小盘)RAID5	台	1	甲供，供参考
3	操作系统	WindowsServer2012R2	套	2	甲供，供参考
4	数据库	MySQL	套	1	甲供，供参考
5	网络交换机	华为（HUAWEI）S1728GWR-4P-AC，24口千兆交换机	台	1	甲供，供参考

序号	点数	数量	名称	CPU资源	硬盘	带宽	操作系统版本
1	<1000点	1台		4核16G	数据盘150GSSD	5M	WindowsServer2012数据平台版64位
2	<5000点	2台	应用服务器	4核16G	数据盘150GSSD	6M	WindowsServer2012数据平台版64位
2	<5000点	2台	数据服务器	4核16G	数据盘200GSSD	1M	WindowsServer2012数据平台版64位
3	<10000点	2台	应用服务器	8核32G	数据盘50GSSD	10M	WindowsServer2012数据平台版64位
3	<10000点	2台	数据服务器	4核16G	数据盘400GSSD	1M	安科瑞电子商务