黃春艷，楊晨雨，江浩俠

（廣州市奔流電力科技有限責(zé)任公司，廣州 510700）

引言

隨著可再生能源和低碳交通的技術(shù)水平不斷提高，電動汽車的發(fā)展同樣處于高速發(fā)展的狀態(tài)，截至2022年11月底，我國汽車保有量達(dá)到3.18億輛，充電樁投運(yùn)量達(dá)到494.9萬臺。充電樁作為其能源補(bǔ)給設(shè)備，越來越受到人們的關(guān)注[1-4]。充電樁在為電動汽車提供電能的同時(shí)，其運(yùn)行狀態(tài)和性能也對電動汽車的續(xù)航里程、充電速度和使用壽命產(chǎn)生重要影響[5,6]。而充電樁通常要求運(yùn)行在（-20～+50）℃，相對濕度≤90 %（25 ℃），且表面無凝露問題的環(huán)境下，因此在惡劣環(huán)境下，易導(dǎo)致充電樁電子元件或電能傳輸組件的過快老化或損壞，降低可靠性的同時(shí)，增加了安全性風(fēng)險(xiǎn)。綜上，對充電樁設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制顯得尤為重要。本文提出了一種充電樁設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)方案，旨在提高充電樁的可靠性、安全性和能效。

1 外部環(huán)境對充電樁可靠性的影響

1.1 溫度對充電樁可靠性的影響分析

充電樁內(nèi)部的電子元件在高溫下可能會加速老化，從而影響其性能和可靠性，還可能導(dǎo)致充電樁內(nèi)部的線路和連接部位出現(xiàn)熱脹冷縮，造成接觸不良或短路等問題。而在低溫下，部分電子元件可能因?yàn)橛椭潭兊貌混`敏，也會影響充電樁的性能[7]。

受熱脹冷縮影響，可能會導(dǎo)致接觸不良和電阻增大，導(dǎo)致元件的性能下降或失效，從而影響充電速度和電池壽命[8]。

當(dāng)溫度過高時(shí)，使得電子元件的物理性質(zhì)發(fā)生變化，電子器件中的電流漏失增加，電阻增加，電容減小等電子元件可能會出現(xiàn)性能下降的情況，進(jìn)而導(dǎo)致電阻值增大、電容值減小等現(xiàn)象的發(fā)生；其次高溫環(huán)境還會加速充電樁內(nèi)部的電子元件老化，從而增加故障率。這可能會導(dǎo)致電子元件的壽命縮短，甚至出現(xiàn)提前損壞的情況；同時(shí)高溫還會導(dǎo)致電路板上的焊點(diǎn)出現(xiàn)脫落、芯片出現(xiàn)裂紋、外殼變形、線路過熱等安全隱患，使得電子元件之間的接觸不良，從而增加了故障率。

當(dāng)溫度過低時(shí)，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致電池的充電速度變慢；且在低溫下，由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度不均勻且速率降低，使得電池的可用容量減少，使得充電樁能夠提供的有效充電量會減少，導(dǎo)致充電頻次增加；而頻繁在低溫環(huán)境下充電，將加速鋰離子電池的老化過程，縮短電池的使用壽命。因此，長期在寒冷地區(qū)使用充電樁可能會導(dǎo)致電池更快地?fù)p耗，需要更頻繁地更換電池。

1.2 濕度對充電樁可靠性的影響分析

充電樁中涉及到大量的接觸器和連接器，用于實(shí)現(xiàn)電能傳輸和通信功能，高濕度環(huán)境下，容易引起接觸器和連接器的腐蝕，導(dǎo)致接觸不良、電阻增加以及可靠性下降。

在濕度較高的環(huán)境下，會增加電子元器件的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，特別是金屬部件容易受到氧化、銹蝕等損壞或形成霉變等不良現(xiàn)象；同時(shí)絕緣材料存在受潮風(fēng)險(xiǎn)，降低絕緣效果，增加了電器短路的風(fēng)險(xiǎn)。

濕度過高可能會導(dǎo)致充電樁內(nèi)部形成凝露，這種凝露可能會滴到內(nèi)部金屬件上，引起零件銹蝕；或者滴到電氣元件上，引起元件短路、爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 震動對充電樁可靠性的影響分析

震動可能造成充電樁的搖晃和震動，影響其充電效率和穩(wěn)定性。此外，長期的震動還可能導(dǎo)致充電樁內(nèi)部零件的松動和損壞。

在震動環(huán)境下，充電樁的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，可能導(dǎo)致零部件松動、脫落或損壞，加速磨損和老化，造成電子元件接觸不良，導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作；同時(shí)長期的震動可能會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致充電樁內(nèi)部的電路板出現(xiàn)裂痕，引起控制芯片或其他元器件故障。

2 充電樁可靠運(yùn)行的必要性分析

充電樁作為電動汽車的能量補(bǔ)給設(shè)備，其運(yùn)行可靠性對于電動汽車的正常運(yùn)行至關(guān)重要。若充電樁出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致電動汽車無法正常使用，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)安全事故[9-11]。

隨著電動車數(shù)量的增加，用戶對于充電樁的需求也越來越高?？煽窟\(yùn)行的充電樁網(wǎng)絡(luò)可以提供更多的安全穩(wěn)定的充電網(wǎng)點(diǎn)，減少用戶尋找充電樁的時(shí)間和成本。同時(shí)可靠運(yùn)行的充電樁網(wǎng)絡(luò)可以提高用戶對電動汽車的信任度，進(jìn)而促進(jìn)電動汽車市場的長效穩(wěn)定發(fā)展；且當(dāng)充電樁故障率較高甚至無法正常使用時(shí)，將導(dǎo)致大量充電樁資源被浪費(fèi)。

同時(shí)，充電樁作為一種電器設(shè)備，必須保證充電樁的設(shè)計(jì)和制造過程中嚴(yán)格符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，進(jìn)而在使用過程中能夠有效預(yù)防和避免安全事故的發(fā)生。

考慮到用戶對于充電時(shí)間及空間的要求，充電樁應(yīng)能夠高效、穩(wěn)定地將電能傳輸至電動汽車，因此需保證充電樁內(nèi)部的電路和控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)避免過熱、過流等可能導(dǎo)致設(shè)備損壞的情況發(fā)生[12,13]。

為滿足上述關(guān)于充電樁可靠運(yùn)行的需求，充電樁需配備有遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，能夠在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)診斷并通知管理人員，以便及時(shí)進(jìn)行維修和處理。

3 充電樁可靠性監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保障充電樁的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，該系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：全面、實(shí)時(shí)地監(jiān)測充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，并提供預(yù)警，最大程度降低安全風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備故障率，同時(shí)提高充電樁的可用性和用戶滿意度[14]。

3.1 系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容設(shè)計(jì)

由上文分析可知，外部環(huán)境因素對充電樁的影響較大，同時(shí)考慮到非環(huán)境因素的影響，因此，本檢測系統(tǒng)在對環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測分析的同時(shí)，需對充電樁的電能數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析[15,16]。

溫度監(jiān)測方面：通過部署溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測充電樁表面的溫度，以及內(nèi)部關(guān)鍵部位的溫度。一旦發(fā)現(xiàn)溫度異常，立即報(bào)警并采取相應(yīng)的降溫措施。

濕度監(jiān)測方面：在充電樁內(nèi)部部署濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境濕度。如濕度過高，應(yīng)啟動防潮設(shè)施降低濕度，防止電路板受潮。

震動監(jiān)測方面：通過部署震動傳感器和風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測充電樁所受的震動和風(fēng)力。當(dāng)監(jiān)測到異常震動或風(fēng)力時(shí)，應(yīng)報(bào)警并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如加固充電樁，避免其受到進(jìn)一步損害。

電流、電壓等電能質(zhì)量監(jiān)測方面：實(shí)時(shí)監(jiān)測充電樁的電流、電壓等電能質(zhì)量參數(shù)，以確保其符合電動汽車的充電需求。

3.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)分設(shè)計(jì)

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

通過各種傳感器和檢測設(shè)備，實(shí)時(shí)采集充電樁的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，例如電壓、電流、溫度、濕度、震動等。

2）數(shù)據(jù)分析和處理

對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，提取出有關(guān)充電樁運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵信息，例如異常波動、趨勢變化等。

3）故障預(yù)警和診斷

一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或故障，系統(tǒng)會立即發(fā)出預(yù)警，同時(shí)提供故障診斷和定位信息，幫助管理人員迅速確定問題所在。

4）遠(yuǎn)程監(jiān)控和集中管理

圖1 電動汽車監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)中心應(yīng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠?qū)κ占降臄?shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，滿足故障預(yù)警和性能優(yōu)化的需求；同時(shí)允許管理人員在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對充電樁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，了解其運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。

5）使用報(bào)告和數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可以定期生成使用報(bào)告和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，幫助管理人員了解充電樁的運(yùn)行狀況和性能表現(xiàn)，為改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)[17]。

3.3 系統(tǒng)模塊組成設(shè)計(jì)

1）數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集充電樁的運(yùn)行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括但不限于電壓、電流、電池狀態(tài)、環(huán)境溫濕度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。數(shù)據(jù)采集模塊應(yīng)具備高精度、高可靠性，并能夠?qū)崟r(shí)傳輸數(shù)據(jù)到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元。

2）數(shù)據(jù)處理與分析模塊

該模塊接收到數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，將對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析?？梢宰R別出數(shù)據(jù)的異常波動、趨勢變化等，并判斷這些變化可能對充電樁的運(yùn)行產(chǎn)生的影響。同時(shí)，該模塊還能通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測未來可能出現(xiàn)的故障，從而提前進(jìn)行干預(yù)。

3）故障預(yù)警與診斷模塊

一旦數(shù)據(jù)處理與分析模塊發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或預(yù)測到可能的故障，它會立即向故障預(yù)警與診斷模塊發(fā)出警告。該模塊將根據(jù)預(yù)警信息，結(jié)合充電樁的特性和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，快速確定問題所在，為維修人員提供準(zhǔn)確的故障診斷信息。

4）遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

該模塊使得管理員可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)對充電樁進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。管理員可以通過手機(jī)APP或網(wǎng)頁端查看充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息等。

5）數(shù)據(jù)存儲與報(bào)告生成模塊

該模塊負(fù)責(zé)將收集到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并定期生成報(bào)告。報(bào)告可以包括充電樁的運(yùn)行狀態(tài)、故障情況、維修記錄等。這不僅可以讓管理員全面了解充電樁的運(yùn)行狀況，還可以為未來的設(shè)備更新和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)模塊說明

4 結(jié)語

綜上可知，目前在充電樁可靠運(yùn)行方面仍存在充電環(huán)境較差、維護(hù)水平較低、利用率不高等諸多問題。

本文通過外部環(huán)境對充電樁可靠性運(yùn)行的影響分析，及充電樁可靠運(yùn)行的必要性分析，提出了一套全面的監(jiān)測系統(tǒng)說明。該系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測受環(huán)境因素影響，引發(fā)的充電樁性能問題，基于對充電樁的實(shí)時(shí)監(jiān)測分析，為運(yùn)維人員提供相應(yīng)的運(yùn)行分析報(bào)告及優(yōu)化改善建議；在降低充電樁故障的同時(shí)，大幅降低運(yùn)維成本，提高工作效率，為電動汽車用戶提供更優(yōu)質(zhì)的充電服務(wù)。

結(jié)合當(dāng)前充電樁可靠性相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，充電樁快充技術(shù)、智能化充電技術(shù)以及充換電一體化技術(shù)等保證安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)將得到進(jìn)一步的提升；同時(shí)將大大提升充電樁對環(huán)境的適應(yīng)能力，不斷擴(kuò)展充電樁的使用場景，滿足用戶對于安全、高效、可靠充電的需求。