電動汽車充電樁充電管理系統設計

謝嘉城

（上海電力大學，上海 200090）

如今，隨著環境污染情況加劇，自然資源匱乏嚴重，傳統燃油汽車燃料緊缺以及排放污染等問題，不利于環境改善和節能減排，為減輕環境負擔并符合未來社會發展的需要，電動汽車悄然問世。電動汽車的出現，有效減輕了環境污染的緊張態勢，同時電動汽車相較于傳統汽車不需依靠消耗有限的不可再生資源，而是利用清潔環保且更為經濟實惠的電能運行。目前，絕大部分電動汽車是依靠電池完成工作，因電池自身原因，導致電動汽車續航能力有限，為保證全面推行電動汽車，保證電池可以方便快速且高效地完成充電工作成為亟待解決的重要問題，有需求就有市場，為方便廣大電動汽車用戶，電動汽車充電柱應運而生。為提高充電樁的使用效率，在加大充電樁投入的同時要更加注重其設計的規范性以及合理性，使充電樁高效率的用于電動汽車充電。

1 電動汽車智能充電樁設計意義

電動汽車的運行是以電能為支持，具有零排放、噪音小等特點，相比燃油汽車更符合綠色環保的發展理念，逐漸被越來越多的人所認可。但是想要推動電動汽車的持續發展，前提必須要解決充電難的問題，這是消除電動汽車續航能力差的關鍵要素。對電動汽車目前所應用的充電方式進行分析，可發現整體效率比較低，現在所應用的鋰離子蓄電池能效高、體積小，對充放電有著十分嚴格的要求，必須要對以往的充電方式進行優化設計，避免充電不當對電池以及人員帶來安全隱患。并且，在高新技術支持下，電動汽車的種類不斷增加，功能也更加完善，加強對智能充電樁的設計與研究，是整個產業發展的必然需求。當下，傳統充電樁普遍存在充電能力、效率低下等情況，已無法滿足大量的電動汽車充電需求，因此智能充電樁的優勢顯而易見。分析傳統充電樁存在的諸多弊病，在智能充電樁的研發設計過程中要合理規避已知的問題，不斷完善升級智能充電樁的軟硬件系統配置，實現電動汽車智能化充電。

2 電動汽車智能充電樁設計要求

2.1 設計原則

智能化電動汽車充電樁的設計過程應嚴格執行國家電網公司標準，合理制定規劃，設計具有特點的智能充電樁外觀、軟硬件系統、監控系統等，確保可以滿足電動汽車充電的實際需求。要求智能充電樁各項功能完善且精準，例如應用RFID系統設計身份識別模塊，不僅可以縮小體積量，而且還可以保持較高的掃描速度，同時在抗干擾、持久性、安全性以及穿透性等方面也有著顯著優勢。另外，基于CAN總線技術，使得智能充電樁與后臺及其電池管理系統之間可以保持高效且穩定的數據通信能力。

2.2 系統結構要求

智能充電樁各項功能要更加完善，且要具有較高的交互性，滿足智能化以及自動化操作要求，為高效高質量充電提供支持。結構模塊包括觸控操作設備、信息讀取模塊、控制單元模塊、計費模塊、身份信息識別模塊、遠程信息交互模塊、憑證打印模塊、供電充電模塊以及警示提醒模塊等多個功能部分。應用智能充電樁為電動汽車充電時，首先要對用戶的身份信息進行識別，確認無異常后便可通過觸控屏幕進行操作，選擇自己需要的充電模式開始充電，充電過程中客戶可以通過顯示屏直觀地看到當前充電的電壓、電流以及充電所需時長等詳細信息。給車輛提供充電服務的同時智能充電系統與電池組管理系統建立通信，并實時發送指令精準控制充電的電壓、電流和溫度等數據。在汽車充電的整個過程中，智能充電樁監測預警模塊要做到對各項數據信息的實時監控，確保能夠第一時間檢測到異常并發出預警信息，避免充電安全事故的發生。遠程信息交互模塊的功能是建立與后臺運營系統的實時通信，待完成充電后，計量計費模塊會準確計算本次充電的電量、時間以及費用，最后通過打印模塊來將所有信息打印出來。

2.3 應用功能要求

智能充電樁設計時需要保證各項基礎功能完善，足以滿足電動汽車充電要求。主要包括以下幾個方面：①用戶可以根據個人需求提前辦理IC卡，在需要充電時直接使用IC卡刷卡操作即可激活充電樁，然后將充電槍與電動汽車進行有效連接，設備開始計量計費。②設置的監測預警模塊，主要功能是對充電樁的電流和電壓參數進行實時監測，確保充電過程的安全性，同時為充電樁以及操作人員的安全提供保障。③智能充電樁配套設計的通信模塊，為內部各模塊之間有效通信提供支持，滿足實時通信的基本要求。④設置的充電模塊，確保了在智能充電樁進入到充電模式后，與蓄電池之間搭建通信連接，以及實現對蓄電池的全面檢測，分析蓄電池的狀態，判斷其是否出現故障，以此來對電池功能進行維護，延長蓄電池的使用壽命。

3 電動汽車充電樁主要分類

3.1 交流電充電方式

交流電充電方式是電動汽車最基本的充電方式。其主要是合理利用220 V或者是380 V的交流電源直接引入充電樁之中，然后借助汽車自身的濾波裝置以及整流裝置，對汽車電池進行直沖，以此為電動汽車提供日常所需的電量能源。但是交流電充電方式花費的時間比較長，并且充電量比較少，主要適用于一些小型的電動汽車。

3.2 直流電充電方式

一般情況下，直流電充電方式主要是合理利用地面充電站，從而獲取直流電，并且建立充電樁，然后對電動汽車工作電池組進行直接充電，從而有效提升汽車的設計，將汽車運行中的自重進行有效降低，以此減輕電動汽車本身的負擔。由于這種充電方式是將電能直接進行輸送，所以其蓄電能力相對比較強，從而可以進行快速充電，主要適用于一些耗電量相對比較大的電動汽車。

3.3 直接更換電池方式

更換電池的充電方式，其安全性相對比較高。一般情況下，這種充電方式主要適用于兩組蓄電池的電動汽車，其一組蓄電池可以為汽車提供所需的能源，保證汽車正常運行使用，而另一組蓄電池則可以取下來進行充電，合理將兩組電池進行更換，從而保證汽車運行過程中，電池具有充足的電量能源。但是，電池進行更換必須是建立在大量電池更換站的基礎上，需要投入大量的人力資源，目前無法滿足于這種智能化需求。

3.4 非接觸式充電方式

非接觸式充電方式主要是借助相應的感應器件，將其安裝在汽車充電的位置上，從而實現汽車與充電設備彼此之間并未發生接觸，滿足汽車在行駛的過程中隨時進行充電的需求，不再受制于充電樁的數量問題。但是這種充電方式對技術要求相對比較高，并且其充電的速度以及質量無法得到保證，致使其在實際使用的過程中，并未進行全方面地推廣。

4 電動汽車充電樁充電管理系統的設計

4.1 硬件設計

4.1.1 帶有光耦的輸出電路設計

在電動汽車充電樁充電管理系統設計的整個過程中，首先要對光耦輸出電路設計以及充電樁管理系統進行全方面了解，并且對其加強管理。在對光耦輸出電路實際設計的過程中，其主要是對PWM光波電路進行了解，并且將其合理運用到充電樁管理系統之中，以此對STM32為一體的輸出光波電壓進行有效控制，促使其持續保持在正常范圍之內，并且通過光耦轉換作用，將電壓的波動值控制在有效的范圍內，然后進行光耦輸出。除此之外，在實際系統設計過程中，為了有效避免其他光波影響PWM光波，必須對隔離干擾光耦電路輸出加強管理設計。

4.1.2 帶有光耦的通信電路設計

電動汽車充電樁充電管理系統在設計的整個過程中，必須依據充電管理系統發展的實際需求，從而對充電管理系統進行全面設計，同時建立一個相對比較獨立的通信功能系統。而在通信功能系統實際設計的過程中，主要是合理借助光耦模塊，以此對通信系統進行設計。而在通信系統實際設計的整個過程中，其主要設計工作是對系統內部的RS485收發器芯片進行設計，以此對通信系統的安全性以及高效性提供保障。同時將電源管理模塊和電源獨立接地線模塊二者有機地結合為一體，只有這樣，才能保證在實際系統設計過程中快速有效地找到通信功能設計的接入點。另外，為了滿足芯片傳輸和發送功能的實際發展需求，必須對光耦通信電路系統內部的ISL3152E芯片進行針對性的設計，與此同時，還要對通信系統的傳輸以及訊源的穩定性進行合理的設計。

4.1.3 交流充電樁控制導引電路的設計分析

首先，要在充電之前做好相應的檢測準備工作，觀察其各個接口之間的連接程度，必須要保證其接口連接的完整性；其次，要對供電功率以及充電連接裝置進行登記的處理，詳盡記錄下其設備以及功率等的各類數值信息，確保其數據信息記錄的正確性；最后，要實時的開展精準的監測管理工作。采用充電電纜的形式來處理電動汽車和充電樁之間的連接工作，在充電工作開展之前，記錄下其充電樁控制裝置的變化信息，觀察其電壓數值是否達到其工作的標準要求，同時還應當確認出充電樁所涉及到的各個接口的連接程度，利用PWM信號占空比的數值來衡定其充電樁電流的最大安培量，精細化的管理充電的整個過程，讓充電工作可以更為順暢地進行，提升安全性，使其可以始終保持一個穩定的運行狀態。

4.2 軟件設計

此次對于儲能式電動汽車充電樁綜合系統設計，選定DSP的控制芯片負責控制整個系統。該控制系統軟件主要負責實時監測電池電壓、荷電狀態(SOC)、充放電溫度及電流等。功率調度，則可確保電池恒流或恒壓充放電系統功能得以實現。實際工作期間，DSP采樣所獲取電壓反饋相應信號和所設電壓實施對比分析，結合誤差信號實施PI合理調節操作。PI調節裝置所輸出信號經DSP內部相應脈沖所生成單元和三角載波實施對比分析，促使PWM的驅動產生，經對Buck變換裝置內部開關管實際占空比有效調節，促進穩壓功能得以實現。以同等方式，對恒流輸出過程PI控制裝置予以科學優化及調節。儲能式電動汽車充電樁綜合系統控制核心部分，選定T公司所推出的浮點型全新數字信號的處理裝置TMS320F28335，其工作頻率為150 MHz，且內包PWM18路輸出端口、高分辨率6路脈寬調制系統模塊(HRPWM)、16路的12位數模高精度轉換裝置(ADC)，實際轉換時間為80 ns。

在設計電動汽車充電樁充電管理系統過程中，加強對充電系統的具體流程進行合理的管理規劃。一般情況下，在電動汽車充電樁充電系統實際設計的過程中，首先要對充電管理系統的充電流程加強管理，從而保證整個系統在實際系統運行中的穩定性，為電動汽車提供方便快捷的充電作業服務。在充電管理系統軟件方面設計的過程中，主要是將充電管理系統設計的相關數據進行整理備案，然后將其記錄在FM31256存儲器內部之中，當存儲器進行檢驗維修時，就可以從中獲得相關的檢驗信息。通常情況下，電動汽車充電樁充電管理系統進行軟件設計，側重于對程序框圖進行合理的設計，以系統運行中的相關數據為基礎，從而把握整個系統的實際運轉情況。

5 結束語

為緩解環境污染問題，電動汽車適時而生，但是隨著電動汽車的全面普及，與之配套的充電樁的問題也逐漸浮出水面，為解決這一問題，需加大對智能充電樁的研究開發力度，結合現有實際情況，通過對充電樁外觀以及硬件電路的設計，將充電全過程直觀地呈現在用戶面前，進一步提高用戶的體驗感，為推動電動汽車發展作出貢獻。但是，再完美的產品也會或多或少存在缺陷，在實際使用過程中逐步發現其問題，進而不斷完善產品，提高產品質量及實用性，不斷推陳出新，刺激行業健康穩定發展。