智能充電樁的設(shè)計(jì)要求與方案分析

汽車事業(yè)的發(fā)展體現(xiàn)了現(xiàn)代化社會發(fā)展的趨勢，隨著汽車數(shù)量的快速增長和石化材料的大量應(yīng)用，我國能源事業(yè)和環(huán)境發(fā)展面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。新型電動汽車的出現(xiàn)正好解決了這一問題，在一定意義上實(shí)現(xiàn)了零排放。我國電動汽車起步較晚，但是其發(fā)展速度較快。尤其在研發(fā)方面，一些小型電動車已取得了較好的成果，發(fā)展前景較好。在電動汽車的充電樁設(shè)計(jì)上，還要對其進(jìn)行更加深入的研究，提高電動汽車智能充電樁的環(huán)境適應(yīng)性，保證其供電穩(wěn)定性。

一、電動汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)要求

我國土地遼闊，各個區(qū)域的自然環(huán)境也存在著較大差異，并且電動汽車智能充電樁經(jīng)常工作在電磁較高的環(huán)境下，這些也都對電動汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)提出了更高要求。要求電動汽車智能充電樁不但要經(jīng)受較端天氣的考驗(yàn)，還要具備較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

1、合天氣變化的考驗(yàn)

隨著全球氣候不斷的變暖，我國自然環(huán)境受到了較大的威脅，惡劣天氣事件出現(xiàn)的頻率越來越高。不但影響了工業(yè)行業(yè)的發(fā)展，而且對地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了一定影響。對于電動汽車智能充電樁來說，外部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和封閉性對電動汽車使用的安全性均具有非常重要的作用。例如，電動汽車智能充電樁的封閉性不佳，會導(dǎo)致水珠、雨雪等進(jìn)入到充電樁內(nèi)，造成電動汽車智能充電樁內(nèi)部電路出現(xiàn)短路、系統(tǒng)故障等。因此，設(shè)計(jì)電動汽車智能充電樁時(shí)，要充分保證其外部結(jié)構(gòu)的封閉性和穩(wěn)定性。另外，為了使電動汽車智能充電樁結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，還要保證其內(nèi)部空氣的流動性。

2、具備抗電磁干擾能力

電動汽車智能充電樁所處的電磁環(huán)境，是由外界一些電磁感應(yīng)信號對自身充電樁信號接收和輸出情況造成干擾的環(huán)境。隨著通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，電磁干擾的情況也越來越頻繁。對于一些電磁干擾較強(qiáng)的環(huán)境中，為了保證電動汽車智能充電樁的正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)上要考慮到電氣線路的布局，將外界電磁信號對自身的干擾降到較低，進(jìn)而將電磁干擾所造成的不良影響降到較低。

二、電動汽車智能充電樁 APP 客戶端設(shè)計(jì)

近年來，隨著智能手機(jī)的普及，APP 客戶端軟件在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛應(yīng)用。在對電動汽車智能充電樁 APP 客戶端的設(shè)計(jì)中，根據(jù)用戶手機(jī)操作系統(tǒng)的不同分別設(shè)計(jì)了 iOSV7.0.0 版本和 Android V2.3.3版本的 APP 客戶端軟件，均為 C/S 體系結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展能力和靈活性。

1、視圖層

視圖層是 APP 客戶端與用戶交互的界面，在了解用戶需求的情況下，可通過調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的接口對用戶需求進(jìn)行邏輯處理，并將處理結(jié)果展現(xiàn)給客戶。包括地圖顯示、支付結(jié)算、車輛狀態(tài)顯示、電池電量狀態(tài)顯示、控制界面以及查詢界面等。

2、業(yè)務(wù)邏輯層

需要及時(shí)完成用戶在業(yè)務(wù)上的邏輯需求，包括對服務(wù)器數(shù)據(jù)的請求、對本地?cái)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀取等。

3、業(yè)務(wù)實(shí)體層

業(yè)務(wù)實(shí)體層包括各個不同的業(yè)物實(shí)體、對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請求、對本地?cái)?shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)解析、對網(wǎng)絡(luò)平臺服務(wù)器數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)解析以及對網(wǎng)絡(luò)平臺數(shù)據(jù)庫的維護(hù)等。APP 客戶端軟件在設(shè)計(jì)思維上，是根

據(jù)用戶選擇的功能對相應(yīng)業(yè)務(wù)邏輯層對應(yīng)的模塊進(jìn)行調(diào)用。而在此過程中，業(yè)務(wù)流程的組織工作全部由業(yè)務(wù)邏輯層完成，還調(diào)用了業(yè)務(wù)實(shí)體層模塊。通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的接口，可完成與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器之間的信息交換。

目前環(huán)境問題日益嚴(yán)重，資源也嚴(yán)重短缺，節(jié)能減排的實(shí)行至關(guān)重要。電動汽車的使用在很大程度上減少了廢氣的排放，節(jié)約了能源。電動汽車發(fā)動機(jī)的動力來源是電力，所以，電動汽車的充電問題是非常重要的。本文以運(yùn)營型32KW交流充電樁項(xiàng)目為例，對充電樁的連接方式、接口設(shè)計(jì)、通信延遲丟包等問題進(jìn)行分析，探索電動汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)，更好的為電動汽車提供電力，對環(huán)境起到更好的保護(hù)作用。

安全在任何時(shí)候都是排在前面，在設(shè)計(jì)電動汽車智能充電樁的時(shí)候，一定要考慮到安全問題。在智能充電樁給電動汽車充電的過程中，一定要保證安全，包括充電樁本身的安全、蓄電池的安全、工作人員的安全等。

智能充電樁一定具備的一個性能就是智能，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，一定要盡可能的減少人工的操作，讓用戶在使用的過程中更加便捷。同時(shí)，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候一定要考慮到效率高性，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候一定要注意充電樁的充電速度，保證充電的效率高，讓充電樁的工作效率提高。

對于智能充電樁來說，它的工作環(huán)境比較惡劣，我國的南北溫差比較大，自然環(huán)境也比較復(fù)雜，再加上智能充電樁的工作環(huán)境中還有強(qiáng)電磁，這些都讓智能充電樁的設(shè)計(jì)有很大的難度。在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，要考慮到以下兩點(diǎn)：(1)要綜合考慮內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)，適應(yīng)各種天氣，在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候，要注意充電樁的外部結(jié)構(gòu)是否封閉，以防雨水、血水等進(jìn)入到樁內(nèi)，造成智能充電樁出現(xiàn)系統(tǒng)故障等，內(nèi)部的空氣流動也要良好，有效的散熱，避免智能充電樁在運(yùn)行過程中因?yàn)樯岵缓枚霈F(xiàn)故障，智能充電樁的硬件系統(tǒng)還需要適應(yīng)各類的氣候環(huán)境，保證智能充電樁在不同的環(huán)境中都可以正常運(yùn)行。(2)提高智能充電樁的抗電磁干擾能力，在智能充電樁工作的環(huán)境中有很多的電磁干擾，對于電磁干擾主要就是各種電磁感應(yīng)對信號傳輸造成擾亂的情況。

根據(jù)市場與公司運(yùn)營需要，我司需設(shè)計(jì)一款能夠在滿足電動汽車交流充電樁標(biāo)準(zhǔn)的前提下，具備聯(lián)網(wǎng)控制、在線計(jì)費(fèi)、在線監(jiān)控的產(chǎn)品。筆者作為項(xiàng)目的研發(fā)經(jīng)理，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的硬件電氣部分設(shè)計(jì)、嵌入硬件部分設(shè)計(jì)、嵌入式軟件部分設(shè)計(jì)。

1、連接方式

在智能充電樁設(shè)計(jì)中，其連接方式主要是充電樁標(biāo)配充電槍和充電樁標(biāo)配充電槍座。對于充電樁標(biāo)配充電槍來說，用戶使用的時(shí)候更加方便，但是充電樁標(biāo)配充電槍中配有電線纜，電線纜容易損壞而且還容易被一些不法分子破壞或者偷盜。對于充電樁標(biāo)配充電槍座來說，需要設(shè)計(jì)防雨部分，而且還要犧牲一部分的用戶體驗(yàn)。綜合考慮，在本項(xiàng)目中所使用的連接方式是充電樁標(biāo)配充電槍座。

2、接口設(shè)計(jì)

在智能充電樁設(shè)計(jì)中，因?yàn)槭浅醮问褂没ヂ?lián)網(wǎng)通信，所以在選擇接口的時(shí)候有很大的問題。智能充電樁通過有線方式“以太網(wǎng)”集中，然后通過寬帶接入 GPRS 通信或者互聯(lián)網(wǎng)，在選擇接口的時(shí)候要綜合考慮。有線方式“以太網(wǎng)”集中寬帶高、穩(wěn)定性好、延遲低，但是所涉及的路由器、寬帶貓、交換機(jī)中的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會讓整個集中區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)都癱瘓。對于 GPRS 通信來說，它的寬帶較低、穩(wěn)定性較低、延遲比較高，但是它的每一臺都是獨(dú)立的，即便其中的某一臺出現(xiàn)故障的時(shí)候，對其他的設(shè)備不會造成影響。對此，本項(xiàng)目選用的接口是標(biāo)配 GPRS 通信。GPRS 通信雖然在寬帶、穩(wěn)定性、延遲方面略有不足，但是 GPRS 通信可以讓每一臺智能充電樁都獨(dú)立起來，其中某一臺智能充電樁出現(xiàn)問題的時(shí)候?qū)ζ渌闹悄艹潆姌恫粫杏绊懀梢越o用戶帶來更好的服務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量。

3、通信延遲丟包問題處理

在智能充電樁的設(shè)計(jì)中，要考慮到通信延遲、丟包等問題，這些問題會導(dǎo)致智能充電樁中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整的情況，關(guān)鍵數(shù)據(jù)主要是指在智能充電樁中用戶的結(jié)算信息。在本項(xiàng)目中，初次測試的時(shí)候結(jié)算方式采用的是單獨(dú)推送的形式，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，一旦出現(xiàn)斷網(wǎng)的情況或者數(shù)據(jù)在傳輸過程中有不完整的情況，就會遺失所傳輸?shù)挠涗?，出現(xiàn)無法扣費(fèi)的現(xiàn)象。后期在測試的時(shí)候采用了多次傳輸同時(shí)增加充電前的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證，在測試中采用多次傳輸?shù)耐瑫r(shí)增加充電前的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證可以有效的避免通信延遲、丟包的問題，讓傳輸記錄保持完整，給用戶帶來更好的服務(wù)，讓智能充電樁的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

系統(tǒng)架構(gòu)

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算：充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。

電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當(dāng)弊端，發(fā)生短路故障時(shí)，能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

規(guī)汽車一般使用化石燃料作為動力能源.而這種燃料的使用不僅會造成環(huán)境污染.而且由于化石能源是不可再生資源.資源儲備量越來越少。因此越來越多的國家開始致力于電動汽車的研究和生產(chǎn)。在電動汽車行業(yè)方面我國屬于起步較早而且發(fā)展十分迅速的，為了進(jìn)一步節(jié)能減排，改善地球的現(xiàn)有環(huán)境，電動汽車的發(fā)展已經(jīng)成為了必然趨勢。但是電動汽車較弱的續(xù)航能力、不便于充電等方面也是一直被人詬病，大大限制了電動汽車的大范圍使用目前的電動汽車的動力來源一般是蓄電池.如果電壓比較低，就需要進(jìn)行充電，否則在速度、汽車性能等方面都會受到很大影響。充電模式多種多樣.其中用的比較多的是常規(guī)充電、電池組快速更換以及快速充電等，作為電動汽車的動力電池重量較大、體積也較，因此會面臨更換時(shí)不方便的問題。而電動汽車智能充電樁得使用將能夠解決電動汽車充電問題。智能充電樁能夠根據(jù)動力電池的電量進(jìn)行電池維護(hù).汽車用戶進(jìn)行操作時(shí)也十分簡便。不僅能夠解決電動汽車隨時(shí)隨地充電的問題，還能夠?qū)恿﹄姵剡M(jìn)行維護(hù)。

2電動汽車的充電方法和建設(shè)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

目前，電動汽車充電方式主要有以下幾種：

(1)交流充電。交流充電時(shí)一般采用的是220V或380V的交流電源，進(jìn)行充電時(shí)車載充電裝置會對電流進(jìn)行整流和濾波。從而保護(hù)電動汽車電源，并且實(shí)現(xiàn)對電動汽車的充電。但是這種充電方式需要較久的充電時(shí)間，因此比較適 合小型的電動汽車和混合式電力汽車。

(2)直流充電。該種充電方式通過直流電源對電動汽車的蓄電池進(jìn)行充電。不需要經(jīng)過車栽裝置進(jìn)行電流調(diào)節(jié).因此可以大大減輕汽車自重。因此進(jìn)行直流充電時(shí)充電功率較大.充電效率較高，可以達(dá)到快速充電的目的。因此可以用于大型的電動汽車充電。

(3)更換電池組。使用這種方式充電時(shí)需要為電動汽車準(zhǔn)備兩組電池，當(dāng)一組電池給電動汽車提供動力。另外一組就進(jìn)行地面直流充電。如果正在使用的蓄電池電力不足時(shí)，將該組蓄電池拆下替換成另外一組電池。這種方式充電大大縮短了充電時(shí)間。但是充電時(shí)間的縮短代價(jià)是建造較多數(shù)量的電池更換站并且需要很多工作人員對電池更換站進(jìn)行維護(hù)。需要投入大量的成本.降低了電動汽車充電智能化，因此一般不使用這種方式進(jìn)行充電。

(4)非接觸式充電。這種方式在電動汽車充電當(dāng)中并不常見，因?yàn)樾枰度胩囟ǖ碾姎庠?而且還需要保證與汽車隨時(shí)都能夠進(jìn)行接觸。只有做到了這樣才能夠保證電動汽車在行駛時(shí)也能夠隨時(shí)隨地充電。同樣由于技術(shù)和投入 資金的原因.這種充電方式并沒有得到大量推廣使用。

充電方式主要有直流和交流充電兩種。不管是這兩種方式的那種，都需要建設(shè)充電樁，為了保證充電智能化，充電樁監(jiān)控系統(tǒng)也是必不可少的。盡管現(xiàn)在電動汽車還存在不少的缺點(diǎn)，但是隨著社會、科技等的發(fā)展.電動汽車由于其噪音小、無污染等優(yōu)點(diǎn)就會逐漸被人們接受和認(rèn)可。因此需要進(jìn)行充電系統(tǒng)的建設(shè).盡管這項(xiàng)工程十分龐大。但是必要性仍然是存在的。隨著電動汽車的發(fā)展，現(xiàn)在的蓄電池一般采用鋰電子電池。此種電池在充放電方面的要求很高，如果不建設(shè)智能充電樁管理。將會對鋰電池造成大的傷害.更有甚者會危及到人們的生命安全。

3電動汽車充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

充電樁建設(shè)的兩種可行模式：

(1)交流充電樁的建設(shè)。在停車場進(jìn)行交流充電樁的建設(shè)，交流電壓可以采用220V或者380V。這兩種電壓適用于大 多數(shù)的電動汽車蓄電池通過這些交流充電樁可以能夠給小型的家用電動車或是環(huán)衛(wèi)的清潔車進(jìn)行充電。這種充電樁的建設(shè)方式有的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在夜 間進(jìn)行電池充電。

(2)直流充電樁的建設(shè)。這種充電樁一般適合建設(shè)在大型電動汽車或公交車聚集較多的場合，直流充電樁能夠?yàn)榇笮碗妱悠囘M(jìn)行快速充電。因此這種充電樁擁有較大的功率.對電網(wǎng)運(yùn)行可能會造成一定程度的影響因此在直流充電樁的建設(shè)時(shí)需要考慮對電網(wǎng)的保護(hù)。

3.2監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下功能：

(1)IC卡識別功能.需要通過識別IC卡來完成激活充電樁以及計(jì)費(fèi)方面的功能。

(2)蓄電池在充電樁進(jìn)行充電時(shí)需要能夠?qū)π铍姵氐碾妷汉碗娏鬟M(jìn)行保護(hù)和檢測功能。

(3)電動汽車電池充電時(shí)對其充電狀態(tài)、電壓、電流等方面進(jìn)行電池情況的監(jiān)控。

(4)電池進(jìn)行充電時(shí)需要對電池進(jìn)行智能維護(hù)，以延長電池的使用時(shí)間。

4充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1硬件框架組成

充電樁的電源為380V交流電網(wǎng)電源經(jīng)過對交流電進(jìn)行整流、濾波和穩(wěn)壓等措施就變成直流電源。能夠供給電動汽車進(jìn)行充電。想要完成充電樁的充電還需要IC卡識別模塊.這個模塊的設(shè)計(jì)能夠讓用戶激活充電樁。讀卡器將會識別出IC卡上的用戶信息，識別完成后能夠顯示個人信息、余額等。而狀態(tài)顯示模塊則用來將充電過程中的狀態(tài) 信息充分顯示出來。硬件系統(tǒng)包括了主控板、檢測芯片、IC讀卡器以及顯示屏、鍵盤等設(shè)備。建設(shè)充電樁過程中。其樁體材料的選擇應(yīng)該以鍍鋅銅板優(yōu)先，考慮到防潮防水性能，還應(yīng)該保證材料的防水性能，以保證充電樁在潮濕天氣下也能夠正常使用。

4.2充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

當(dāng)需要給電動汽車充電時(shí).只需要將電動汽車上的充電插1：1連接到充電樁上的充電手柄.通過讀卡器識別戶的IC卡以將充電樁激活：如果充電插口和充電手柄沒有進(jìn)行正常連接將會進(jìn)行提示和報(bào)警。完成身份識別后，用戶可以進(jìn)行充電時(shí)間、充電模式的選擇，同時(shí)在充電過程中充電樁將會檢測電池的充電狀態(tài)，如果充電模式被檢測到不對的話，同樣會提示和報(bào)警。充電樁也會通過顯示屏給用戶一些選擇充電模式方面的建議。如果充電模式的選擇被檢測到是正確的，充電樁將會進(jìn)行正常充電過程，充電樁給電動汽車充電過程中。充電樁的顯示屏將會顯示出用戶信息、用戶卡上余額、已經(jīng)充電得時(shí)間以及充電完成剩余時(shí)間等信息。電動汽車充電結(jié)束后，充電樁將會發(fā)出提示，用戶IC卡停止計(jì)費(fèi)，將票據(jù)通過打印機(jī)打印出來，等到用戶與電動汽車一同離開后，充電樁就會進(jìn)入到自動鎖定的狀態(tài)，直到下一個用戶激活為止。以上步驟是智能充電樁的正常使用程序。