浅析智能电动汽车充电桩的设计与应用分析

一、浅析智能充电桩的使用意义

        智能化的电动汽车之所以能够在这个时代受到普遍化的欢迎，一方面是因为人们对于汽车环保性能的重视程度的逐步提高，另一方面，也是因为这种类型的汽车本身在使用过程当中所制造出来的噪音较小，同时其相比于传统的汽车，几乎不会产生任何的尾气。

二、浅析智能电动汽车充电桩的整体设计

1、浅析充电桩的设计原则
（1）安全性的原则
        智能充电桩的设计，有一个不容忽视的原则——安全性原则。汽车的使用包含了许多潜在的不安全因素，尤其是对于配置了充电桩的智能电动汽车而言，不管是充电过程的安全性还是用电过程的安全性，都是需要进行把控的、不容小觑的重要内容。因此，充电桩的设计人员需要首先将汽车使用人员的安全置于其设计该充电桩时参考要素当中的重要位置。
（2）便捷性原则
        智能充电桩顾名思义，其智能化是重要的使用优势。相应的，在智能化的操控下，其使用过程的便利性程度也会获得相应的提高。如此一来，就能为其使用者提供许多操作上的便利，使其倾向于使用智能电动汽车。
（3）效率高的原则
        智能充电桩需要在其充电效率方面形成优于传统汽车的优势，如此一来才能够吸引更多的消费者选择这一类型的汽车作为代步工具。
2、硬件系统设计分析
 
        在我国进行设计以及投入使用的智能电动汽车，需要立足于我国的气候条件和环境基础，才能够设计出较能够满足我国消费者使用需求的汽车[2]。因此，设计员在对其硬件系统进行设计的时候，就需要考虑我国南北不同地区的使用者所在的环境之间存在的较大的温度差异。除此之外，还需要考虑这一充电桩的工作环境，往往是在电磁强度较高的背景下。因此，其硬件条件需要能够适应于周围宏观环境及微观环境的需求。以下将详细阐述其硬件系统的设计方法。

图1智能充电桩的硬件组成图
        智能充电桩的硬件系统结构如图1所呈现的，其中较为重要的部分，分别是“三大单元”——其一是总控单元，其二是显示单元，其三是监控单元。总控单元作为整个系统得以运行的核心技术支持，其所负责的内容可以分为四大部分，按照充电过程的顺序，可以分为启动控制、运行控制、关闭控制以及在其过程当中的穿插的监控部分。除了以上功能之外，这一总控单元还需要负责随时随地地向其后台传输相应的数据。而其显示单元这一部位，同样由四个部分构成，显示部分一般来说，采用的都是ＬＣＤ型号的显示器，其拥有较为清晰的显示功能，在和触摸屏相互结合之后，可以将其中的具体操作途径直观地呈现在用户的面前，以供其进行选择。其次是指示灯，其存在的主要作用，是为了提示用户，充电桩处于何种状态当中。当指示灯转变为绿色的时候，说明其已完成自身的充电过程。较后，监控单元所承担的较主要责任，是保障这一充电过程的安全性。其工作流程如下：当模拟量数据得到采集之后，这一单元就会以较快的速度，将其传输给接下来的开关量单元，这一单元在对用户的充电量需求的大小进行判断之后，就会为用户提供充电服务。由于以上单元的运行始终处于智能环境当中，因此其异常情况往往可以在出现的时候就得到处理，这就在很大程度上保障了其自身的安全度。
3、软件系统的设计目标
        软件系统设计的科学度，同样是会对整个智能电动汽车的运行产生影响的重要方面。而根据经验与理论的启示，我们认为充电桩的软件系统设计，需要满足以下的目标。首先，为了体现其智能化的优势，需要将其操作页面设计得更为简洁清晰，让车主一眼就能够了解其操作原理，从而杜绝由于车主的不当操作所引起的安全事故的发生。其次，其对于充电过程的管理能力需要获得不断的提升，使其安全度得以获得有力的保障[3]。再者，在其中引入能够较大地便利于车主的计时服务、计电服务等等，帮助其明确自身的用电量。除此之外，这一软件系统，还需要能够为车主提供相应的消费凭证打印服务，借助这一标准化的服务，车主能够在更高的程度上，对这一类型的汽车产生由衷的认可。
        除了以上的总体设计方式之外，在正式将这一充电桩投入使用之前，还需要对其进行相应的应用测试[2]。测试内容一般包括如下几个部分，其一是性能测试，也就是在其投入使用之前，为其充电状况进行测试，包括余额的显示情况和充电速度等等。其二是承压性测试，其主要内容是测试这一智能充电桩充满电之后，在压力较大的情况下，是否能够具备相应的安全水平。

三、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。

• 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

• 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：

• 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。

• 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。

• 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：

四、安科瑞限流式保护器的介绍与选型

1、限流式保护器的设计
        电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等当弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，保障使用场所人员和财产的安全。
        安科瑞ASCP200-1电气防火限流式保护器的主要元件是固态开关，不同于传统家用的空气开关（微断）。我们知道，传统空气开关的断开是一种机械运动过程，分断时间需要几十毫秒(一般30～50ms)，带负载断开时通常伴随有电弧的产生。而固态开关的断开则是依靠半导体内部的载流子运动实现，分断时间微秒级，速度快，无电弧产生。
        如图1所示，当发生短路故障时，传统空气开关在电流升至C点时才能动作，且无法瞬时切断电流，而固态开关则可以在电流升至B点时即瞬间切断短路电流。

图1短路故障前后电流与时间关系图

从流过电阻的电流热量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，传统空气开关与固态开关在短路时所释放的能量差别可以达到数千倍之多。因此当装配限流式保护器的回路发生短路故障时，就可以避免电弧的产生，从而有效降低了电气火灾。
2、ASCP200-1功能特点

        ASCP200-1型电气防火限流式保护器是单相限流式保护器，较大额定电流为63A。主要功能如下：
A）短路保护功能，线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护；
B）过载保护功能，线路持续过载时，保护器限流保护；
C）表内超温保护功能，保护器内部器件工作温度过高时，保护器限流保护；
D）过/欠压保护功能，线路欠压或过压时，保护器告警或限流保护（可设）；
E）电缆温度监测功能，被测线缆温度超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；
F）漏电流监测功能，线路漏电超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；
G）通讯功能，保护器配置1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到安科瑞Acrel-6000安全云平台，或第三方监控软件或平台，从而实现远程监控。
3、ASCP200-1技术参数

4、应用方案图示
        ASCP200-1型电气防火限流式保护器建议安装在入户开关下端，额定电流值根据入户开关的具体规格进行设置，典型应用示意图如图2所示：

图2ASCP200-1家用防火解决方案安装示意图
5、使用注意事项
        在选用限流式保护器时，限流式保护器的设定的额定电流应该与其前上级的断路器的额定电流保持一致。例如，当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时，应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为保障限流式保护器的正常使用，严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。
        ASCP200系列采用限流式保护器采用壁挂式安装，可以挂墙安装，也可以安装在箱体内，应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质，并注意环境温度和通风散热。
        为确保可靠连接，接线时应按接线图进行，同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热，也避免因接触不良而导致保护器工作不正常，线头应采用合适大小的U形冷压头压接后，再插入保护器相应端子上并将螺钉拧紧压实。
        保护器内部带有交流电，严禁非*人士擅自打开产品外壳。保护器在使用期间，若被保护线路发生短路或过载故障而被限流保护时，保护器仍处于带电状态，不允许随意碰触用电线路的金属部分。待检查线路，并排除故障后，长按保护器的复位按键约2秒钟，使保护器恢复正常运行时。
        当保护器因超温而发生限流保护时，则可能是因为负载电流过大，环境温度过高或通风散热不良等原因导致，可通过加强通风等措施，等保护器温度降下来后，再长按复位键，使保护器复位，恢复正常运行。

五、结束语

 
经过本文详尽的探讨，我们可以得知，在这一智能充电汽车普及的过程当中，其充电桩作为支撑其发展的重要部位，其设计的有效性将会直接对其应用水平产生不容小觑的影响，并间接影响消费者的使用体验，影响这一类型汽车的市场销量。因此，需要参考上述设计思路，从其设计原则出发，考虑其硬软件设计过程所需要面对的难题和达到的设计目标，以此来设计出更符合市场需求的智能充电桩产品。
 

参考文献

[1]王旭,齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].机电工程,2014(3)
[2]任桂平.智能电动汽车充电桩的设计与应用分析
 
[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。