電動(dòng)汽車智能充電樁的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)分析

曹傳喜

摘 要：電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛，由于電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境的影響明顯小于傳統(tǒng)汽車，因此，電動(dòng)汽車在我國(guó)具有優(yōu)良發(fā)展空間和寬廣發(fā)展平臺(tái)。本文探討了電動(dòng)汽車智能充電樁功能需求和設(shè)計(jì)要求，研究分析了電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)技術(shù)，旨在推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車生產(chǎn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;智能充電樁;硬件系統(tǒng);智慧網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：U491.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0153-02

0 引言

我國(guó)是能源持有大國(guó)，同時(shí)也是能源應(yīng)用大國(guó)，面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，國(guó)家正致力于推進(jìn)新型能源體系建設(shè)，電動(dòng)汽車屬于新能源汽車，相比傳統(tǒng)汽車在能源耗費(fèi)量上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而智能充電樁是支持汽車制造企業(yè)擴(kuò)大電動(dòng)汽車生產(chǎn)規(guī)模，有效更新我國(guó)交通體系的基礎(chǔ)，積極開(kāi)展智能充電樁設(shè)計(jì)可有效完善現(xiàn)有的電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)行系統(tǒng)，優(yōu)化充電樁的基礎(chǔ)功能。

1 電動(dòng)汽車智能充電樁功能需求

公開(kāi)資料顯示，2019年7月至12月全球插電式混合動(dòng)力車銷量分別為38112.0輛、37257.0輛、41633.0輛、48084.0輛、46474.0輛、52612.0輛，全球純電動(dòng)汽車銷量分別為96914.0輛、111034.0輛、124741.0輛、98024.0輛、118115.0輛、188822.0輛，純電動(dòng)車銷量同比增長(zhǎng)30%。由此可知，電動(dòng)汽車仍然具有較大的生產(chǎn)空間，為促進(jìn)電動(dòng)汽車生產(chǎn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計(jì)時(shí)充分分析智能充電樁的功能需求。基于目前我國(guó)的科學(xué)技術(shù)水平和電動(dòng)汽車功能發(fā)展方向可知智能充電樁需要能夠適配多種充電電池，包括鋰離子蓄電池、鎳氫蓄電池、鉛酸蓄電池等，另外，智能充電樁還需要具備智能監(jiān)控功能、通信功能和智能人機(jī)交互功能。其中，智能監(jiān)控功能可支持智能充電樁生產(chǎn)企業(yè)和智能充電樁管理機(jī)構(gòu)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，分析智能充電樁內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行信息，有效識(shí)別智能充電樁的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，繼而合理開(kāi)展維護(hù)和更新。通信功能可支持電動(dòng)汽車駕駛?cè)藛T有效定位附近的智能充電樁，并以此為基礎(chǔ)，合理規(guī)劃充電路線，同時(shí)，智能充電樁的通信功能還可支持充電樁內(nèi)部信息系統(tǒng)與蓄電池管理系統(tǒng)進(jìn)行信息聯(lián)通，有效判斷充電樁的充電狀態(tài)，使智能充電樁能夠滿足智能汽車的充電需求。智能人機(jī)交互功能的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)理念，能夠有效支持操作者快速完成充電方案選擇[1]。

2 電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)要求

公開(kāi)資料顯示，2019年12月，美國(guó)、荷蘭、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、挪威、瑞士的電動(dòng)汽車銷量分別為35814.0輛、22904.0輛、9478.0輛、9160.0輛、8447.0輛、6731.0輛、5969.0輛和2262.0輛，我國(guó)12月電動(dòng)汽車銷量為125018.0輛，由此可知，我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁的應(yīng)用需求比其他國(guó)家更為迫切，以下對(duì)電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)要求進(jìn)行介紹：

（1）安全性要求。電動(dòng)汽車作為新能源汽車是汽車制造企業(yè)的主要制造方向，在智能充電樁設(shè)計(jì)中應(yīng)切實(shí)考慮到充電設(shè)備運(yùn)行安全和使用人員人身安全的問(wèn)題，應(yīng)利用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試分析，有效明確智能充電樁的安全系數(shù)[2]。（2）兼容性要求。目前，我國(guó)電動(dòng)汽車的能源供應(yīng)具有較大差異，智能充電樁需要對(duì)電動(dòng)汽車不同類型的電池進(jìn)行充電，另外，由于現(xiàn)有電動(dòng)汽車缺乏統(tǒng)一的充電接口，因此在電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分滿足不同充電接口的電動(dòng)汽車的充電需求。（3）維護(hù)性要求。電動(dòng)汽車具有較大的運(yùn)行范圍，為滿足電動(dòng)汽車的持續(xù)性運(yùn)行要求，需要在不同地理位置根據(jù)距離進(jìn)行智能充電樁布設(shè)，大范圍的智能充電樁分布環(huán)境導(dǎo)致智能充電樁維護(hù)難度較高，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)形成全新的維護(hù)機(jī)制，避免投資浪費(fèi)[3]。

3 電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)技術(shù)分析

3.1 智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

公開(kāi)資料顯示，2013年至2019年，歐洲純電動(dòng)汽車銷量分別為2.28萬(wàn)輛、3.94萬(wàn)輛、5.80萬(wàn)輛、9.52萬(wàn)輛、13.74萬(wàn)輛、20.63萬(wàn)輛、35.78萬(wàn)輛，純電動(dòng)車在不同類型電動(dòng)汽車中的占比分別為82%、88%、88%、48%、51%、57%、66%，電動(dòng)汽車銷量同比增長(zhǎng)73%。要想進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車制造行業(yè)發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計(jì)中積極開(kāi)展智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的主要技術(shù)為二維碼技術(shù)、通信協(xié)議選擇技術(shù)、服務(wù)器端開(kāi)發(fā)技術(shù)和客戶端開(kāi)發(fā)技術(shù)，在設(shè)計(jì)前需要進(jìn)行系統(tǒng)功能性需求分析和系統(tǒng)非功能性需求分析，繼而完成系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)、軟件框架設(shè)計(jì)和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。為使智慧網(wǎng)絡(luò)能夠有效支持電動(dòng)汽車駕駛?cè)藛T明確智能充電樁的分布位置以及智能充電樁管理人員獲知智能充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，在智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中需要有效建設(shè)電動(dòng)汽車充電裝模型以及電動(dòng)汽車充電模型，形成系統(tǒng)智能化調(diào)度管理策略，繼而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中科學(xué)構(gòu)建系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成登錄功能模塊設(shè)計(jì)、人員管理模塊設(shè)計(jì)、設(shè)備監(jiān)控管理模塊設(shè)計(jì)、調(diào)度管理模塊設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)分析管理模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)主動(dòng)上報(bào)模塊設(shè)計(jì)、充電狀態(tài)控制模塊設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)計(jì)費(fèi)模塊設(shè)計(jì)。在智能化服務(wù)器端模塊的支持下，電動(dòng)汽車智能充電樁的智慧網(wǎng)絡(luò)得以構(gòu)建，能夠有效聯(lián)動(dòng)電動(dòng)汽車駕駛網(wǎng)絡(luò)和智能充電樁信息管理網(wǎng)絡(luò)。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

面對(duì)嚴(yán)峻的能源形勢(shì)，德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、荷蘭、挪威分別制定了汽車電動(dòng)化戰(zhàn)略目標(biāo)，充分表明汽車電動(dòng)化發(fā)展的重要性、我國(guó)電動(dòng)汽車充電樁在廣東、江蘇、北京、上海、山東、浙江、安徽、河北和其他地區(qū)的分布比例分別為12%、12%、11%、11%、6%、6%、5%、4%和33%，在廣州、江蘇、北京和上海等發(fā)達(dá)地區(qū)分布較為廣泛，為擴(kuò)大智能充電樁分布范圍，應(yīng)根據(jù)電動(dòng)汽車的智能充電樁應(yīng)用需求，開(kāi)展硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)可與電動(dòng)汽車硬件相連接，主要包括電氣控制系統(tǒng)、主控系統(tǒng)和主控板，具有交流電輸入控制、安全防護(hù)電源轉(zhuǎn)換、交流電輸出控制等功能，其外設(shè)模塊包括觸摸屏、RFID讀卡器模塊、電能計(jì)量模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊。主控板主要由CPU模塊、最小系統(tǒng)電路、電源轉(zhuǎn)換電路、外設(shè)接口電路、控制導(dǎo)引及其檢測(cè)電路、繼電器控制電路和語(yǔ)音電路構(gòu)成。值得一提的是，在硬件控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行的GBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、直流輸出電壓采集電路設(shè)計(jì)、直流輸出電流采集電路設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)溫度采集電路設(shè)計(jì)能夠使智能充電樁具有較為穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，滿足不同條件下的電流輸送需求。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車智能充電樁軟件系統(tǒng)為μcos-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高速信息傳輸渠道，能夠完成充電樁信息實(shí)時(shí)獲取，支持智能充電樁管理人員有效監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)汽車充電樁軟件系統(tǒng)包括充電樁串口通信功能模塊和充電樁檢測(cè)模塊，其中，充電樁串口通訊功能模塊依托于串口通訊程序框架，具有觸摸屏通訊、RFID通訊、電能表通信、GPRS通信能力，可與電動(dòng)汽車充電樁硬件系統(tǒng)相連接，通過(guò)外設(shè)模塊的觸摸屏、RFID讀卡器模塊、電能計(jì)量模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊，有效整合智能充電樁的相關(guān)運(yùn)行信息。而電動(dòng)汽車充電樁軟件系統(tǒng)的充電樁檢測(cè)模塊可完成控制導(dǎo)引、電路檢測(cè)和其他設(shè)備檢測(cè)，有助于維護(hù)充電樁正常運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)控制和隱患排除。面對(duì)日益提升的智能充電樁應(yīng)用需求，在充電樁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI控制器、數(shù)字PWM，科學(xué)開(kāi)展系統(tǒng)故障邏輯保護(hù)，搭建人機(jī)交互平臺(tái)，形成簡(jiǎn)明、便捷的人機(jī)交互環(huán)境，為電動(dòng)汽車駕駛員提供優(yōu)良的使用體驗(yàn)。

3.4 有序充電設(shè)計(jì)

《2020年—2026年中國(guó)充電樁行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)分析及投資方向研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2019年1至12月份公關(guān)充電基礎(chǔ)設(shè)施充電電量分別為4.77億kW·h、4.20億kW·h、4.42億kW·h、4.79億kW·h、4.84億kW·h、5.48億kW·h、5.97億kW·h、16.62億kW·h、16.68億kW·h、6.61億kW·h、17.21億kW·h和8.04億kW·h，相比2018年公關(guān)充電基礎(chǔ)設(shè)施充電電量呈現(xiàn)了大幅上升趨勢(shì)，這代表著我國(guó)電動(dòng)汽車銷量的提升和充電樁分布范圍的逐步拓展。要想進(jìn)一步推動(dòng)電動(dòng)汽車制造行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計(jì)中完成有序充電設(shè)計(jì)。可根據(jù)電動(dòng)汽車智能充電樁的應(yīng)用需求，合理構(gòu)建電動(dòng)汽車充電負(fù)荷模型，分析電動(dòng)汽車充電負(fù)荷影響因素，利用蒙特卡洛方法模擬電動(dòng)汽車充電負(fù)荷，進(jìn)行無(wú)序充電仿真，繼而有序構(gòu)建充電目標(biāo)函數(shù)模型，制定基于改進(jìn)遺傳算法的有序充電控制策略，實(shí)現(xiàn)有序充電算力仿真。在有序智能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)電動(dòng)汽車的類型、電動(dòng)汽車的充電特性及用戶的用車習(xí)慣合理規(guī)劃充電程序，滿足電動(dòng)汽車的實(shí)際充電需求。值得一提的是，科學(xué)的有序充電系統(tǒng)可切實(shí)降低電動(dòng)汽車用戶的充電成本，消除充電樁對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的不良影響，有助于推動(dòng)電動(dòng)汽車銷售經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。

3.5 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

公開(kāi)資料顯示，2010年至2019年，歐洲快充公共充電樁數(shù)量分別為2310個(gè)、5440個(gè)、8080個(gè)、13871、17178個(gè)和26584個(gè);歐洲快速公共充電樁數(shù)量增速分別為135.0%、48.5%、71.7%和28.4%，充電樁數(shù)量與電動(dòng)汽車銷售額具有正向關(guān)系。為推動(dòng)我國(guó)電動(dòng)汽車銷售行業(yè)、生產(chǎn)行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展，應(yīng)在智能充電樁設(shè)計(jì)過(guò)程中完成測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)智能充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行隱患進(jìn)行充分分析，切實(shí)保證智能充電樁的安全系數(shù)處于允許范圍內(nèi)，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)為故障診斷技術(shù)，以該技術(shù)為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)充電設(shè)備故障診斷功能軟件開(kāi)發(fā)和狀態(tài)監(jiān)控模塊構(gòu)建，利用硬件測(cè)試工具和軟件測(cè)試工具完成直流充電設(shè)備電路板測(cè)試、交流充電設(shè)備控制板測(cè)試、充電控制功能測(cè)試、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能測(cè)試、充電過(guò)壓故障試驗(yàn)、充電槍頭檢測(cè)點(diǎn)故障試驗(yàn)、絕緣故障試驗(yàn)、通信故障試驗(yàn)、急停故障試驗(yàn)，充分分析不同環(huán)境下智能充電樁的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行隱患，有效調(diào)整智能充電樁的設(shè)計(jì)規(guī)劃，使智能充電樁能夠滿足電動(dòng)汽車的實(shí)際充電需求。

4 結(jié)語(yǔ)

基于電動(dòng)汽車在能源耗費(fèi)量上的明顯優(yōu)勢(shì)，應(yīng)積極開(kāi)展智能充電樁的設(shè)計(jì)和研究，支持電動(dòng)汽車生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)能源環(huán)境保護(hù)。在電動(dòng)汽車智能充電樁設(shè)計(jì)中應(yīng)充分分析智能汽車對(duì)智能充電樁的功能需求，合理完成智慧網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、有序充電設(shè)計(jì)和測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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