許先明

【摘要】本文結合電動汽車交流充電樁原理、系統(tǒng)設計以及充放電優(yōu)勢進行分析，供參考。

【關鍵詞】電動汽車；交流充電樁；系統(tǒng)設計

中圖分類號：U469.72文獻標識碼： A

一、前言

2012年11月1日，國家標準GB/T28569-2012《電動汽車交流充電樁電能計量》正式實施，對于推進汽車產業(yè)低碳循環(huán)發(fā)展具有重要意義。

二、充放電模式優(yōu)勢分析

1、充電模式優(yōu)勢

（1)綜合成本相對較低。用戶可以利用晚間時間自行充電，對用戶來說節(jié)約了使用成本，對充電本身來說節(jié)約了大建充換電站的土地、人力成本，而且利用夜間用電低峰時間充電，不會對電網安全增加新的壓力。此外，直充是常規(guī)充電模式，所用的功率和電流的額定值不是關鍵因素，因此充電器和安裝成本低，對于高成本的純電動車來說從各個環(huán)節(jié)和各個角度降低成本是目前電動車發(fā)展的關鍵問題。

（2）充電簡單便捷。方便高效是用戶對車輛的使用基本要求，也是電動汽車和其它任何車輛發(fā)展的基礎。充電模式可以在用戶的公司和家庭安裝充電樁，用戶上班時可以選擇在公司充電，或者下班之后，開車回家，然后隨手在停車庫里面插上插頭就可以充電了，早上起床，拔下插頭就可開車上班。這種模式比較理想，簡單而不失高效性，不需要增加額外的負擔。

2、換電模式優(yōu)勢

（1)用戶購車成本低，電能補給時間快。在國家電網的換電模式下，用戶只要購買“裸車”而不再承擔電池的購買、維護和折舊成本，使得電動汽車購車支出費用低于傳統(tǒng)車型。同時一輛電動汽車駛進換電站，取下耗盡電量的電池，再更換已充滿電的電池，所需時間僅為3～5min，與傳統(tǒng)汽油車加油時間相差無幾。另外還有移動式換電車，可以為緊急用戶隨時隨地更換電池，為用戶解決燃眉之急。在成本和使用的雙重便利下，用戶更容易接受，從而有利推動電動汽車的進一步推廣普及。

（2)有利于電動汽車電池標準統(tǒng)一及壽命延長。在國家電網的換電模式下，由運營商對電動車的電池充放電過程進行集中處理和應用，因此更容易實現(xiàn)電池標準統(tǒng)一，同時運營商專業(yè)規(guī)范的維護大大的延長了電池使用壽命。

（3)解決了電動汽車大規(guī)模發(fā)展的電能供給問題，是實現(xiàn)社會效益最大化的有效途徑。在變電站附近建充換電站可避免對配電網造成大的沖擊，同時在土地資源緊張或電網難以擴建改造的城市中心區(qū)，可依托近郊區(qū)的變電站建設電池集中充電站。智能充換電服務網絡運營模式充分利用城市及就近110kV及以上變電站資源，開展電網梯次利用，有序充電；通過物流網絡統(tǒng)一配送電池到充換電服務網點；便于集中治理諧波污染，減少治理費用；實現(xiàn)削峰填谷，提高設備利用效率和電網負荷率。

三、交流充電樁的控制原理

電動汽車交流充電樁是一種輔助設備，與交流電網鏈接在一起，專門為電動汽充電機提供電源的供電裝置，并具備相應測控保護功能的專用裝置，功率一般不大于7kW。充電樁應具備以下功能：提供友好的人機操作界面，進行相應的控制操作、計量計費、和通信管理的電動汽車專用交流供電裝置。在本次設計過程中嚴格考慮了交流充電樁的實用性、安全性、智能化和可靠性。

本系統(tǒng)的設計流程圖如圖1所示，它呈現(xiàn)了一些參與者和一些用例，以及它們之間的關系，主要用于對系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的功能行為進行建模。用流程圖展示了系統(tǒng)工作的原理以及同用例參與者之間是怎樣相互聯(lián)系的。

圖1交流充電樁工作設計流程

充電樁的正常運行如本圖1的運行流程圖。設備上電后，通過系統(tǒng)自適應調整，進入工作狀態(tài)，用戶使用時，若操作不合法或校驗不通過，則重新刷卡。若操作合法，則顯示器上顯示用戶信息，保護查詢余額。賬號明細等；用戶正確連接后，選擇充電模式既按電量充電，按時間充電，按金額充電和自動充電進行充電，計費表開始上傳直到用戶結束充電。同時，在充電過程中，DSP實時監(jiān)控系統(tǒng)并顯示相關信息，判定充電結束或用戶定義的任務完成后則結束充電，另外，在充電過程中，用戶可隨時結束充電過程。

四、系統(tǒng)設計

DSP控制系統(tǒng)用于實施監(jiān)控交流充電樁的運行，并通過人際交互界面向用戶提供人工接口。整個系統(tǒng)按不同的功能科劃分為人機交互單元，控制單元，計量單元，安全防護單元組成。其中，人機交互單元其中：樁體、LCD觸摸屏、讀卡模塊、充電插頭；控制單元主要包括：主監(jiān)控與輔助模塊；計量單元為電能表；安全防護單元包括；漏電保護開關、防倒開關以及急停開關、過壓保護功能、欠壓保護。人機交互單元主要用于充電樁的工作信息顯示和控制參數(shù)的輸入，控制單元式系統(tǒng)的核心，控制充電樁的運行，計量單元用于計、量所用電能，安全防護單元主要用于系統(tǒng)的安全保護。

圖2系統(tǒng)結構圖

五、硬件構成

本產品主要采用微電子技術，采用TI公司的高速數(shù)據(jù)處理器DSP（TMS320F2812）作為主控芯片，結合強大的外設功能（包括威倫通的人機界面、微型打印機、非接觸式IC卡讀卡裝置、多功能智能電能表等）完成計量收費、安全保護、系統(tǒng)通訊等功能。為此，需要一些基礎的電氣試驗和測量器材和設備，以及相應的軟件開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的相關構成如圖3所示。

圖3系統(tǒng)構成示意圖

在上述研究的基礎上我們對硬件電路進行了設計研究，硬件設計完成后應具備以下功能：

1、計量功能

充電樁應為計量表計預留電氣接口和安裝空間，計量表計應采用電子式有功電能表。電能表的通訊規(guī)約應符合DL/T645-1997或DL/T645-2007，電能表有功計量精度不低于1級。充電樁應能通過RS485/RS232總線讀取在充電前后電能表的電量止度，結合用戶選用的充電模式計算出相關數(shù)據(jù)（包括電能使用量、消費金額、充電時間等等），并將該數(shù)據(jù)上傳給后臺系統(tǒng)存儲顯示。

2、人機交互界面功能

(1)具有液晶屏顯示，顯示面積應大于3.2寸；

(2)具有運行狀態(tài)指示燈，能對應顯示交流充電樁各狀態(tài)下的相關信息；

(3)具有查詢功能，可通過人機操作界面進行相關信息查詢；

(4)查詢余額：使用普通卡能夠在充電樁上查詢用戶賬戶內的剩余金額；

(5)查詢里程：使用里程卡能夠在充電樁上查詢用戶賬戶內的剩余里程；

(6)消費明細查詢：充電樁應采用LCD顯示屏，能夠顯示用戶最近一次充電的時間、金額（普通卡）、里程（里程卡）、電量等信息；

(7)具有不同充電服務選擇，交流充電樁能顯示各種充電模式，并進行充電服務，充電樁應具有以下多種充電模式：

模式1：定電量充電，即在人機界面上輸入所需電量，充電樁開始充電直到達到電量設定值。

模式2：定時間充電，即在人機界面上輸入設定時間，充電樁開始充電直到達到時間設定值。

模式3：自動（充滿為止）充電，即在人機界面上選擇自動充電，充電樁會開始充電直到用戶手動結束充電為止。顯示的字符應清晰、完整，沒有缺損現(xiàn)象，不依靠環(huán)境光源即可辨認。鍵盤能正常輸入，并拌有按鍵聲。

在充電過程中，充電樁顯示時間(已充電時間、剩余時間等)、電量（已充電電量、待充電電量）等信息。充電結束后，充電樁顯示用戶的用戶號、剩余金額、剩余里程、本次充電金額等信息。

3、非接觸式IC卡功能

交流汽車充電樁配備非接觸式IC卡讀卡裝置，能夠識別符合ISO14443標準的非接觸IC卡。用戶能夠在交流充電樁完成充電等各項功能。

4、通訊功能

交流充電樁能利用CAN總線技術完成與BMS和集中器的通訊，以及和人機界面、智能電能表、IC卡模塊、微型打印機的實時在線通訊。

5、安全防護功能

充電樁應具備急停開關。按下急停開關后，應能立刻切斷充電樁內整個供電回路的電源。充電樁應具備平衡開關。充電樁在受外力（如被汽車撞斷）破壞時，應能立刻切斷充電樁內整個供電回路的電源。安全防護系統(tǒng)設計，包括充電電纜的控制導引單元、緊急停止單元、電氣防護及靜電防護單元，傾斜保護單元。

電氣防護單元能夠通過斷路器、漏電保護裝置、電涌保護裝置等相關裝置實現(xiàn)過流保護、漏電保護、防雷擊功能。靜電防護功能主要從接地和電路抗靜電放電(ESD)設計兩方面著手。

6、故障及報警功能

充電樁在工作過程中，出現(xiàn)故障，充電樁應能及時作出故障報警動作。充電樁控制器應具有自檢功能，自檢程序應能實時檢測內部和外部電路或通訊通道，確保充電樁可靠工作，當自檢程序發(fā)現(xiàn)錯誤或故障時，應能立刻做出故障報警動作。

六、結束語

《電動汽車交流充電樁電能計量》是對電動汽車行業(yè)的規(guī)范準則，促進了電動汽車行業(yè)的發(fā)展。該標準的實施將為充電設施商業(yè)化運營提供標準支撐，促進電動汽車和充電設施產業(yè)的發(fā)展和應用。

參考文獻

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[2]程博,葉敏.電動汽車電池管理CAN總線通訊系統(tǒng)設計[J].電源技術,2012(8):10