電動汽車充電樁相關技術與應用分析

陳勇財

漳州知了信息技術服務有限公司，福建 漳州 363100

0 引言

我國各地頒布了與電動汽車相關的政策，使得電動汽車的保有量迅速增加。部分地區的基礎設施較為完善，提供了充足量的充電樁，但在充電樁運行之時，有時會發生通信、安全等方面的技術性問題，不利于對電動汽車的電能補充。因此，應當根據實際需要的技術問題，運用適宜的充電樁技術，保證充電樁的使用效果。

1 電動汽車充電樁的概述

1.1 充電樁的功能和分類

目前我國大多數電動汽車充電樁主要安裝在公共場所，還有在住宅、小區的停車場也逐漸普及。充電樁可以在墻面、地面等位置上加以固定，便于電動汽車完成充電動作，還能參照不同類型的電動汽車，選擇差異性的電壓等級，提高了充電的效率和質量。充電樁輸入端口處可以同交流電網進行連接，而在輸出端口處則通過充電口或感應區而開展充電工作，因此充電樁從技術路線可分為傳導式和無線充電樁。經過多年技術發展和實踐應用，傳導式充電在功率、效率和成本等方面對無線充電形成了巨大的優勢，因此本文主要討論傳導式充電樁所涉及的技術。根據不同地點，充電樁可分為公共、專用兩類；若按照安裝方式，可分為落地式、掛壁式兩類。如果按照充電方式分類，則主要分為交流式、直流式兩種。

1.1.1 交流式

交流充電樁在應用過程中，通常要考慮到較多類型的技術指標，如工作環境、輸入與輸出電壓、電流極值等。技術方面上，通常要顧及計量計費、安全防護、通信等內容，便于使充電樁更加可靠。在開展技術設計的過程中，要做好短路模塊的設計工作，防范漏電或過載問題的發生，計費上則要關注對充電功能的優化，如完善設計刷卡與充電模式，對電能表加以優化等，有利于達成對充電電量進行即時監控的目標。

1.1.2 直流式

直流充電樁在結構組成上較為復雜，主要包含了整流模塊、控制系統、人機交互等部分。設計時應考慮以下方面：在人機交互的過程中進行系統實時監測，以及對動力電池進行識別和監測運行狀態。針對輸出側的過流、過壓保護設計，通過設計自動報警、自動/手動急停功能保障正常充電運行，便于在異常工作狀態下，能夠立即停止輸出電流，斷開輸出接觸器，維持充電樁和電動汽車的安全。直流樁目前主要分為分體式、一體式兩類結構設計，可根據場地要求進行選擇。

1.2 優化充電樁相關技術應用的意義

為了推進我國環境保護事業發展的進程，電動汽車成為當前人們出行的重要交通工具，而此類汽車的能源補給則和充電樁密切相關。若充電樁的供給存在缺陷，則容易對人們為汽車及時充電帶來不良影響，降低了電動汽車的普及和購買率。我國部分地區中現階段仍然缺少對充電樁及其相關技術的使用，或技術運用的水平較低，造成人們無法盡快找到充電樁，從而阻礙了我國環保工作的開展，也說明了充電樁的普及和充電樁有關技術的靈活運用，是我國達成“雙碳”目標、提升環境質量的關鍵一環。

2 電動汽車充電樁相關技術與應用的分析

2.1 網絡互動運行優化技術

該技術中主要使用了站控級能量管理系統（簡稱SEMS），可完成對用電負荷的平滑處理，在較短的時間內讓充電樁的配電容量有所提高，還能采用柔性功率分配控制方法，使充電樁成為功率相對穩定的優質負荷，可在電網負荷高峰時段中，對于電動汽車的需求側產生響應，在儲能模塊向電網反向輸出電能的過程中，幫助電網調節自身負荷。整個技術中主要包括以下三個模塊[1]。

2.1.1 S2G充電模塊

S2G充電模塊中具有智能化功率分配、柔性功率控制等功能，還有輸入過壓或欠壓、電池反接、輸出短路等多重安全防護，具有轉換效果良好、電流輸出可靠性強等優勢，可以在SEMS模塊的幫助下，完成對電動汽車精準、高效的充電控制調度任務。該模塊實現了多個功率模塊協同工作的目標，可按照待充電車輛的數量，自動化調配充電功率。由于其支持的電壓范圍較為廣泛，可以對多種類型的電動汽車提供優良的充電服務，也能與SEMS模塊協同合作進行智能調配，動態調整充電樁的輸出功率，對于充電服務數據進行實時監測等。

2.1.2 SEMS模塊

SEMS模塊以互聯網、能源控制技術為基礎，運用了當前最先進的“微服務”系統架構，形成了功能互補、構架邏輯統一性較強的基礎平臺，具有快速交付、輕量化分布、高彈性伸縮、集中管理、跨平臺部署等特征，可迅速整合到S2G充電模塊中，在配電、人機交互功能的基礎上，對充電樁進行統一調控。表1為SEMS模塊的架構組成和對應功能。

表1 SEMS模塊的架構組成和對應功能

SEMS在功率分配上，通常具有四種策略模式。①當新的電動汽車充電時，SEMS可按照充電需求、充電負荷、電池容量等方面因素，對于儲能模塊放電功率、充電功率的分配形成指令，傳達到各模塊中。②當充電樁接收到電網調度容量、持續時間調度指令后，SEMS會形成與傳達關于降低充電功率和儲能模塊放電功率的計劃。③如果有電動汽車完成了充電活動時，SEMS會按照空余的充電功率，優先減少儲能模塊輸出功率。如果此時仍有空余，則會綜合考慮變壓器經濟特點、現有充電功率等因素，形成新的功率分配策略。④在充電樁接收到電網的放電指令后，SEMS可分析儲能模塊單獨放電，以及構成充電功率下降時的功率分配策略。

2.1.3 儲能模塊

該模塊主要使用了安全、可靠的倍率型鋰離子電池，其放電功率可超過電池容量的3倍，充分滿足了電網和充電側負荷的雙向要求。為了確保儲能模塊的安全性能，通常會在以下三個方面開展設計工作。①防雷和接地方面，主要會在集裝箱頂部加裝避雷針，在箱底安置泄流設備，而在箱內地面位置處鋪設絕緣膠皮，控制電池組相對地面的阻抗超過10kΩ。②消防安全方面，可配備獨立的滅火系統，集裝箱內有七氟丙烷滅火器；在電池箱內每個電池組中，還會裝有熱氣溶膠模塊，當溫度達到170℃后便會觸發保護。③電能質量方面，此模塊對于電網產生的影響，會由儲能變流器決定，該設備的設計在遵循相關技術規定的條件下，可防止儲能模塊對于電能質量帶來負面影響[2]。

2.2 嵌入式實時控制技術

在電動汽車電池充電之時，電池的溫度與內部電壓會有所增加，若選用高電流充電的方式，容易影響電池的使用壽命。通常的充電控制方法是利用時間控制模式，即電荷的持續時間，或選用溫度控制模式，主要由電池在電荷中的溫度而決定，對電池兩端電壓進行監控而確定電壓的控制方法。圖1為充電樁的工作控制流程示意圖。

圖1 充電樁的工作控制流程

嵌入式實時控制技術是一種科學、高效的電池充電控制方法。該控制技術涉及的硬件中最重要的一部分便是中央處理器，與其他類型處理器的不同之處在于，其中集成了更多的芯片，讓集成系統微型化，同時保證了可靠性和可行性。按照綜合系統有限的資源與應用的需求，嵌入式軟件代碼尺寸較小，通常存儲于微處理器系統的存儲芯片上，但伴隨系統開發難度的增加，傳統類型裸機程序會顯得較為擁擠，嵌入式操作方式則改進了安全系統操作體的切割，使系統完成了擴展、移植等任務，提升了系統開發的成效。整個技術中涉及的硬件組成主要包含以下三個方面。

2.2.1 微處理器單元電路

此單元電路和控制系統的功率控制單元，會提供輸出控制單元的切換控制。要求在此單元電路中，應帶有未屏蔽中斷輸入、外部中斷輸入的嵌入式向量中斷控制器、arm-m3系統定時器、512kb上快閃程式記憶體、64kb片上sram，以及支援嵌入式操作系統移植的8區記憶體保護單元等。能夠做出關機、深度關機、低功耗睡眠、深度睡眠動作，且在關機模式下可進行中斷、喚醒處理器等。負載樁使用了較多和其他部件聯系較少的元件，說明要科學分配集成處理器系統的外部信息，用以管控每個功能元件[3]。

2.2.2 控制系統電源

集成控制系統對于電壓提出了差異性的電源要求，會在表內顯示具體的分布狀態。電源單元負責向控制系統提供所需要的電源，而集成控制系統電源會通過220伏直流電入口同替代電源發生隔絕，此入口會被Weiduler電源模塊轉換成24伏交流電，輸出功率為48瓦。電源卡內存在2各不同的電路板，會分別將電壓下降至5伏和12伏，在LM2596電壓降低芯片的輔助下，最大電流為3安，轉換效率可達80%。經由電源卡而進入到周圍電路板的5伏電源，使電源從3.3伏添加至部分芯片中，若選用了SPX1118電壓降低芯片，則最大電流為0.9安。

2.2.3 電能輸出控制單元電路

充電樁運用的交流電源接觸器，使電荷能量輸出斷開的重要控制設備，原因在于電磁線圈的工作電壓高于控制系統。三級串行控制結構可配置為中繼器、板負載控制電路，與使用小型中繼器作為終極控制單元的交流電接觸的控制卡有關，在選用微處理器引腳信號時，控制信號會經由隔離光輸出至24伏交流電壓輸出，閉合繼電器至220直流電壓輸出，關閉雙向通信觸點。當交流電流接觸到電荷后，會輸出至返鄉電荷輸出，同時開啟雙邊通信觸電，使Kongo的能量輸出得以被切斷。

2.3 充電樁充電管理技術

該技術是一類儲能式綜合技術，系統中主要會選擇DSP控制芯片負責控制中樞，軟件可完成對于電池電壓、荷電狀態、電流、充放電溫度的監測，以及功率調度等任務，可用以保證電池以恒壓、恒流的方式進行充電與放電。在實際工作中，DSP采樣獲得的電壓反饋信號會與既定電壓值加以對比，參照誤差信號對PI進行調節操作。PI調節模塊輸出信號會通過DSP的脈沖生成單元、三角載波進行對比，由此產生PWM驅動，在Buck變換設備的作用下合理調節占空比，達到穩壓的目的。在對光耦輸出電路設計之時，需要對PWM光波電路進行了解，對STM32一體式輸出光波電壓進行控制，在正常運行范圍內輸出光耦。為了其他光波不會對PWM光波產生影響，還要對光耦電路輸出進行隔離管理。在通信系統設計上，主要會利用光耦模塊，對于系統內的RS485收發器芯片展開設計，結合電源管理、電源獨立接地線兩個模塊，迅速找到通信功能設計的切入點，使通信系統的安全性得到保證。在充電之前要開展相應的檢測準備工作，觀察各接口的連接程度，當確認接口連接完整度較高后，要登記處理充電連接裝置、供電功率情況，詳實記錄設備和功率相關的數據，盡快開展精準的監測管理工作。之后應當采用充電電纜的方式，對充電樁和電動汽車間的連接加以處理，在充電開始前需要記錄充電樁控制設備的變化信息，觀察電壓值是否滿足工作要求，根據PWM信號占空比確定充電樁電流最大值，使充電得到精細化管理，維持充電樁處于穩定、安全的運行狀態[4]。

2.4 V2G充電樁技術

V2G是一種新型充電樁技術，宗旨是“車網互動”，與我國能源使用轉型有關，在電動汽車迅猛發展的時代，該技術也得到了廣泛應用。此技術與“充電寶”設備原理類似，當電動汽車停止運行之時，可在電網中傳輸電池的基本功能，而在電動汽車恢復到充電狀態之時，則會讓電池回到電網中獲得電能，有利于維持電動汽車與電網之間的電能平衡，便于電動汽車車主向電力公司“出售”日常存儲的電力，重點運用了電動汽車的儲值效能。與其他技術相比，此技術能夠讓充電活動不局限在高峰時段，在其他時期也可進行，待到高峰時段中，便能將多余的電力返銷給電網，產生相應的利潤，也緩解了電網的負載壓力，提升了電能的使用能效，降低了對于電能的消耗。此技術現已得到了諸多電動汽車公司的歡迎和投用，也逐步開展了對于技術的優化研發工作，促使充電樁技術朝著多維度的方向發展[5]。

3 結語

綜上所述，電動汽車經濟實惠，起到了減少人類交通活動帶來環境污染的作用，而充電樁則是配套設施中最重要的一項。因此，在智能化時代中，應做好充電樁的設計和技術應用工作，通過精準把握網絡互動運行優化技術、嵌入式實時控制技術、充電樁充電管理技術、V2G充電樁技術的應用和設計要點，提升充電樁產品的實用性，帶動我國電動汽車和充電樁生產行業的可持續發展。