劉濤

摘 要：在全球能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)嚴(yán)重的大背景下，電動(dòng)汽車(chē)作為新型綠色交通工具具有廣闊的發(fā)展前景。目前，國(guó)內(nèi)外都在積極建設(shè)和完善各自的電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施，其中最為重要的配套基礎(chǔ)設(shè)施就是充電樁。隨著電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)步，智能充電技術(shù)越來(lái)越重要，如何設(shè)計(jì)出高效、可靠的充電系統(tǒng)則成為保障電動(dòng)汽車(chē)安全高效行駛的關(guān)鍵。該文就電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 智能充電樁 軟硬件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM910.6；U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（a）-0089-02

汽車(chē)是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的體現(xiàn)，但是由于其高速增長(zhǎng)量和使用石化材料給我國(guó)能源和環(huán)境帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)[1]。石油是一種不可再生的資源，加上大氣破壞導(dǎo)致石油資源嚴(yán)重匱乏，然而新型電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題，它能真正意義上實(shí)現(xiàn)零排放。相對(duì)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，一些中小型電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)取得了有效的研發(fā)成果，有著很好的發(fā)展與運(yùn)用前景。2015年1月15日建成的京滬高速快充網(wǎng)絡(luò)解決了沿途六省市電動(dòng)汽車(chē)綠色出行的續(xù)航問(wèn)題，目前我國(guó)正在積極建設(shè)和擴(kuò)展城際快充網(wǎng)絡(luò)。

1 充電系統(tǒng)的功能要求

電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的工作方式就是把供電電源的能量轉(zhuǎn)給蓄電池，這個(gè)過(guò)程則是把電源的功率降低傳給蓄電池。一般而言，充電系統(tǒng)主要是由電動(dòng)汽車(chē)充電樁、集中器、電池管理系統(tǒng)和充電管理服務(wù)平臺(tái)4個(gè)部分組成，基本要求有以下幾點(diǎn)。

（1）安全性：在為電動(dòng)汽車(chē)充電的時(shí)候，要確保工作人員和車(chē)主以及蓄電池組合的安全。

（2）便捷性：充電系統(tǒng)有完善的智能工作方式，不需要工作人員過(guò)多地操作。

（3）效益高：充電系統(tǒng)在給蓄電池充電時(shí)，是以降低成本的方式給蓄電池充電，能有效降低電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行所消耗的成本，給雙方都帶來(lái)效益。

（4）效率高：充電系統(tǒng)的高效率能提升電動(dòng)汽車(chē)工作效率，從而降低電動(dòng)汽車(chē)能源消耗。

（5）污染?。弘妱?dòng)汽車(chē)充電樁屬于配電網(wǎng)側(cè)，在充電過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)和蓄電池影響要小，避免對(duì)環(huán)境以及其他設(shè)備帶來(lái)傷害。

2 充電系統(tǒng)的充電和充電樁建設(shè)方式

2.1 充電系統(tǒng)的充電方式

目前，電動(dòng)汽車(chē)充電主要有交流充電、直流充電、更換電池組、非接觸式充電四種方式，具體要求及適用范圍如下。

（1）交流充電：來(lái)自配電網(wǎng)提供的220V或380V交流電源，充電裝置有濾波、整流、逆變等功能，實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷高峰時(shí)通過(guò)逆變?cè)O(shè)備對(duì)電網(wǎng)送電，低谷時(shí)通過(guò)整流設(shè)備對(duì)蓄電池充電，這種方式充電時(shí)間長(zhǎng)（一般在3～6 h）、功率大，適合小型電動(dòng)汽車(chē)充電。

（2）直流充電：來(lái)自地面充電樁電源220V/32A，給蓄電池充電時(shí)，不會(huì)像交流充電那樣需要借助蓄電池的作用，這種方式充電速度快，不到1 h能充電4/5，但對(duì)蓄電池?fù)p害很大，適合大型電動(dòng)汽車(chē)充電。

（3）更換電池組：這種充電方式的電動(dòng)汽車(chē)必須擁有兩個(gè)蓄電池，在一個(gè)蓄電池電力不足時(shí)可以更換另一個(gè)蓄電池，而這個(gè)蓄電池又可以進(jìn)行直流充電，這種電動(dòng)汽車(chē)在很大程度上節(jié)約了充電時(shí)間。這種充電方式需要兩組蓄電池進(jìn)行供電，以致需要很多電池更換站點(diǎn)，對(duì)人員要求也多、成本高，而且太過(guò)機(jī)械化，目前這種方式在國(guó)外運(yùn)用較多。

（4）非接觸式充電：這種充電方式需要地面有一個(gè)電器元件，汽車(chē)也要有一個(gè)能接觸地面的充電接受位置，這種情況下，汽車(chē)在行駛的情況下也能充電，就不存在其他充電方式需要停下來(lái)為蓄電池充電。但這種充電方式所花費(fèi)的成本以及各種路段等的限制，不太適用。

以上四種充電方式都有其利弊，采用哪一種充電方式給電動(dòng)汽車(chē)充電需要經(jīng)過(guò)市場(chǎng)來(lái)決定。

2.2 充電樁建設(shè)方式

從技術(shù)層次考慮，交流電充電樁可以建設(shè)在停車(chē)場(chǎng)等地，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以在汽車(chē)空閑時(shí)間充電、方便使用，而且220 V或380 V電壓很好獲得；直流充電樁也能在停車(chē)場(chǎng)等地建設(shè)，適合大型電動(dòng)汽車(chē)充電，但由于其功率大，對(duì)電網(wǎng)影響較大。而更換電池組和非接觸式充電方式所花費(fèi)的前期成本太高，風(fēng)險(xiǎn)太大，暫不適合大面積推廣使用[2]。

綜上所述，220 V/380 V交流電充電應(yīng)該是主流方式，因此該文研究電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)以交流充電方式進(jìn)行。

3 建設(shè)智能充電樁監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的作用

（1）能自動(dòng)識(shí)別IC卡，用戶(hù)可以通過(guò)IC卡進(jìn)行充電、余額查詢(xún)和計(jì)費(fèi)等，用戶(hù)還可以選擇充電模式，如計(jì)費(fèi)充電、里程充滿(mǎn)或自我選擇充電電量。

（2）能自動(dòng)檢測(cè)并保護(hù)充電樁交流電源的電壓和電流，也能在充電過(guò)程中檢測(cè)保護(hù)電池。

（3）能有效監(jiān)控對(duì)蓄電池充電的全過(guò)程，包括檢測(cè)充電狀態(tài)、充電時(shí)電壓和電流的高低。

（4）能及時(shí)與上級(jí)管理在數(shù)據(jù)和通信商進(jìn)行溝通，以便上級(jí)管理實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2 充電樁智能監(jiān)控的設(shè)計(jì)

3.2.1 硬件設(shè)計(jì)

充電樁智能監(jiān)控硬件系統(tǒng)有主控臺(tái)、IC讀卡器、顯示屏、通信、鍵盤(pán)等等，充電樁監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖1。交流電是接入的220 V/380 V電網(wǎng)電源，通過(guò)充電模塊的過(guò)濾和整流等，直接對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電；IC卡識(shí)別模塊是給用戶(hù)開(kāi)啟充電樁的功能，IC卡識(shí)別模塊可以顯示用戶(hù)余額以及個(gè)人信息，人機(jī)交互模塊可以選擇充電模式、里程充滿(mǎn)，或自我選擇充電電量等；計(jì)費(fèi)模塊顯示當(dāng)前計(jì)費(fèi)等。

主控模塊是硬件系統(tǒng)的核心部分，有很多串口、網(wǎng)口和控制器等，它是控制一切模塊的樞紐，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行情況和充電情況，以便及時(shí)傳送到后臺(tái)。為了有效對(duì)充電樁進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，還需要建設(shè)一個(gè)保護(hù)程序，見(jiàn)圖2。通過(guò)監(jiān)控保護(hù)單元對(duì)充電模塊電壓和電流進(jìn)行控制以及對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，如出現(xiàn)異常或不穩(wěn)定時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)電源，保護(hù)電樁電池的安全，確保電動(dòng)汽車(chē)電池不受到損害。endprint

3.2.2 軟件設(shè)計(jì)

充電樁智能監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)需能有效實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的溝通。用戶(hù)給電動(dòng)汽車(chē)充電的流程是這樣：用戶(hù)先將電動(dòng)汽車(chē)充電接口和充電樁充電輸入手柄連接，再插入IC卡，開(kāi)啟充電樁，如果用戶(hù)充電接口與充電輸出口沒(méi)有連接好，系統(tǒng)提示報(bào)警；用戶(hù)在身份識(shí)別完成后，就可以選擇自己想要的充電模式，如果所選擇的充電模式不匹配當(dāng)前電池狀態(tài)，系統(tǒng)提示報(bào)警；在充電過(guò)程中，屏幕會(huì)顯示余額、充電時(shí)間、充電時(shí)長(zhǎng)等，充電結(jié)束后，自動(dòng)停止計(jì)費(fèi)并打印發(fā)票，然后系統(tǒng)自行鎖定。所有系統(tǒng)程序可以分為中央控制程序、IC卡識(shí)別程序、通信程序、顯示程序、檢測(cè)程序和打印程序，每個(gè)程序都是獨(dú)立的，但又能協(xié)調(diào)處理工作。在設(shè)計(jì)上，編寫(xiě)程序人員必須嚴(yán)格按照電樁系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可行性進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

在人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)上，需要考慮多樣化功能，比如，充電種類(lèi)選擇、充電時(shí)間設(shè)置、里程充電設(shè)置、停止充電等，人機(jī)程序和主控程序的連接能更好地控制其他程序的工作。在程序設(shè)置上，安全程序是保障讀卡器程序加密的，以確保用戶(hù)信息安全以及電量計(jì)費(fèi)和金額數(shù)據(jù)加密。

3.2.3 環(huán)境和電磁設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)充電樁一般都安裝在戶(hù)外，因此受環(huán)境影響很大，尤其是陰雨潮濕等天氣，不僅會(huì)給充電設(shè)施帶來(lái)影響，也會(huì)給通訊帶來(lái)不便。在建設(shè)智能充電電樁的時(shí)候，可以選擇交叉覆蓋式結(jié)構(gòu)，這樣充電樁外殼要選擇防水防潮的材料，既防雨又通風(fēng)，能很好降低充電樁的溫度，硬件以及元件的選型都要選擇工業(yè)級(jí)的；另外也要注意通信被干擾的情況，選擇通信線時(shí)要注意抗干擾，保證這些元件能在不同環(huán)境下工作。

4 結(jié)語(yǔ)

充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)配套基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其智能化水平嚴(yán)重制約著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。經(jīng)筆者探索發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)是由硬件設(shè)施和軟件設(shè)施組成，硬件設(shè)施包括主控臺(tái)、IC讀卡器、顯示屏、通信、鍵盤(pán)等；軟件設(shè)施有中央控制程序、IC卡識(shí)別程序、通信程序、顯示程序、檢測(cè)程序和打印程序等，每個(gè)環(huán)節(jié)要相互配合才能使工作更加高效。另外還要考慮到環(huán)境因素和抗干擾能力等，以保障充電樁安全、有效運(yùn)行，注重人機(jī)交互，使用戶(hù)可以自行鑒權(quán)，實(shí)現(xiàn)充電樁智能化。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉朝輝.電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（3）：248.

[2] 王旭，齊向東.電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)電工程，2014（3）：393-396.endprint