摘 要：針對制約電動汽車發展的要素( 電池和充電方式)，文章提出了以交流充電樁為主的電動汽車充電方案，設計了一套電動汽車充電樁的控制系統，闡述了該控制系統的硬件設計，包括主充電電路單元、主控制電路單元、計費單元、人機交互單元、IC卡單元，以及軟件系統及主要程序。
關鍵詞：電動汽車；充電樁；控制系統；
1引言
隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯渴以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，各國高層及汽車企業普遍認識到節能和減排是未來汽車技術發展方向，發展電動汽車將是解決這兩個難題的良好途徑。電動汽車具有環保特性，代表著汽車產業未來的發展方向。目前動力電池作為電動汽車的動力源為汽車提供動力，使電動汽車一次充電行駛里程為200km，但當動力電池電力耗盡時需要補充電量。目前國內就充電模式提出了多種方式，例如: 電池組快速更換、快速充電以及常規充電等。根據現實情況，動力電池體積大、重量重，不便于隨意更換，同時大功率直流充電柜作為應急充電裝置能為電動汽車提供快速續航電力，但對電池傷害很大。因此，交流充電樁解決了電動汽車隨時隨地電量補給問題，無須裝卸電池，整車通過充電電纜直接與充電樁連接即可實現充電，同時以交流電的形式供給電能，對電池無傷害，既提高了電動汽車動力電池壽命，也是電動汽車良好的日常充電方式。交流充電樁體積小、重量輕，與電網供電系統連接方便，可布置于小區、辦公樓宇、停車場以及電動汽車專用充電站內，并同時能為兩輛電動汽車充電。
2控制系統電路的設計
2.1控制系統的組成電動汽車充電樁控制系統硬件設計包括:主充電電路單元、主控制電路單元、計費單元、人機交互單元、IC卡單元;控制系統的組成結構圖見圖1。
2.2控制系統硬件電路核心元件的選擇
為實現智能充電功能，保證計量準確，采用ARM9處理器作為核心控制單元。其主要功能特點是: 具有5個串口，兩個從USB接口，一個主USB接口，一個以太網接口，動態SDRAM，NAND，以及多路IO口，工業級的溫度范圍，符合本系統設計的要求。充電電量的計量直接采用多功能單相表計量，采用 RS485對電表進行數據傳輸，其組成電路圖如圖2所示。
3控制系統軟件的設計
電動汽車充電樁控制系統的主要功能包括用戶信息交互、電能計量計費控制，控制系統軟件功能模塊圖如圖3所示。
整個控制系統主程序流程圖如圖4所示。
4安科瑞充電樁收費運營云平臺系統結構
系統分為四層：
即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。
數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。
網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。
數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。
應客戶端層：系統管理者可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過IC卡掃碼的方式啟動充電。
小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。
5安科瑞充電樁云平臺系統功能
5.1智能化大屏
智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。
5.2實時監控
實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。
5.3交易管理
平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。
5.4故障管理
設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。
5.5統計分析
通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。
5.6基礎數據管理
在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、金額策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、 凍結和解綁。
5.7運維APP
面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送
5.8充電小程序
面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。
6系統硬件配置
類型 | 型號 | 功能 |
安科瑞充電樁收費運營云平臺 | AcrelCloud-9000 | 安科瑞響應國家節能環保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業快速、經濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務。實現對動力電池快速、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。 |
互聯網版智能交流樁 | AEV-AC007D | 額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、遠程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持IC卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏 |
互聯網版智能直流樁 | AEV-DC030D | 額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持IC卡，掃碼、免費充電 |
互聯網版智能直流樁 | AEV-DC060S | 額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持IC卡，掃碼、免費充電 |
互聯網版智能直流樁 | AEV-DC120S | 額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持IC卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持IC卡，掃碼、免費充電 |
10路電瓶車智能充電樁 | ACX10A系列 | 10路承載電流25安培，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、IC卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、IC卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持IC卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持IC卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持IC卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電 |
2路智能插座 | ACX2A系列 | 2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持IC卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持IC卡充電 |
20路電瓶車智能充電樁 | ACX20A系列 | 20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持IC卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持IC卡，免費充電 |
落地式電瓶車智能充電樁 | ACX10B系列 | 10路承載電流25安培，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持IC卡、掃碼充電,不帶屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持IC卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及錄像 |
智能邊緣計算智能通信管理機 | ANet-2E4sM | 4路RS485 串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC 12 V ～36 V 。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。 |
擴展模塊ANet-485 | M485模塊：4路光耦隔離RS485 |
擴展模塊ANet-M4G | M4G模塊：支持4G |
導軌式單相電表 | ADL200 | 單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協議 證書：MID /CE認證 |
導軌式電能計量表 | ADL400 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID /CE認證 |
無線計量儀表 | ADW300 | 三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能 、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目） 證書：CPA/CE認證 |
導軌式直流電表 | djsf1352-RN | 直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證 |
面板直流電表 | PZ72L-DE | 直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證 |
電氣防火限流式保護器 | ASCP200-63D | 導軌式安裝，可實現短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監測、線纜溫度監測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。 |
結束語
文中設計的電動汽車充電樁控制系統具有實現簡單、集成化程度高、用戶操作界面友好等優點，將對電動汽車的發展起到大的推動作用。該系統所設計的功能充分考慮到用戶使用的感受、對環境的保護以及能源的充分利用，從而具有高的經濟效益和社會影響力。今后隨著電動汽車業的發展，該系統的研究也將隨之更加深入和完善。
【參考文獻】
[1]電動汽車充電樁的控制系統研究與設計.王濤(1973－)，男，湖北漢川人，工程師
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11月版
作者介紹：
虞佳豪，男 現任職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要研究方向為電能計量管理與保護。產品推薦
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更新時間：2024-03-01 
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