浅谈电动汽车充电桩系统设计

时间：2022-04-04作者：安科瑞电子商务（上海）有限公司浏览：74

浅谈电动汽车充电桩系统设计

朱鹍

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：在节能减排环境下，为减少环境污染问题，电动汽车应时而生。充电桩作为电动汽车的重要组成部分以及重要能量来源，加强其研究能促进电动汽车的长久发展。文章分析研究了充电桩的发展时期和现状，对我国目前已有的充电方式以及可行性进行了分析，探究了电动汽车充电桩设计，具体为硬件、软件、功能设计等方面，希望能助力我国的电动汽车飞速发展。

关键词：电动汽车；充电桩；设计

引言

在保护生态环境背景下，为保护人类生存环境、**经济社会可持续发展，我国汽车工业逐渐向节能环保、绿色产业转变，电动汽车作为重要组成部分也势必朝着节能减排趋势发展。充电桩作为电动汽车的加油机，对其系统设计进行研究具有非常重要的现实意义。

一、电动汽车充电桩概述

1、电动汽车充电桩发展历程及近况

新经济时代，我国工业发展飞速，但给生态环境带来很多压力和伤害。随着我国经济文化的发展，加强环境保护意识、提倡节能低碳是我国社会发展必然趋势。因此电动汽车出现并逐渐推广，目前，电动汽车在我国整个汽车市场有着举足轻重的地位，在电动汽车推广应用初期，因部分配套设施没有得到完善，所以在很大程度上阻碍、制约了电动汽车的普及发展，随着环境保护、可持续发展战略的建立，该问题受到了相关部门的关注和重视，投入了大量的资金对电动汽车的配套设施进行丰富、完善，并且已经取得了一定的成果和经验，其中包含充电站、充电桩等。

2、电动汽车充电的方法

电动汽车充电的方法主要有交流充电、直流充电。直流充电不只是大型的公共汽车，在很多停车场地都会使用，同时具备交流、直流两种充电桩，直流充电桩相对于交流适用于大型车的快速充电。

（1）交流充电。使用220 V，380 V交流式充电电源，推动了电动汽车多功能车载滤波电路、三相整流桥等充电设施的发展，能够对电动汽车的二次电池进行实时、有效充电，耗费时间较短，功率较高，被广泛应用在小型电动汽车上。

（2）直流充电。借助地皮表面的电源，对电动汽车的二次电池（蓄电池）实施充电行为。与交流充电方式不同，直流充电并不需要二次电池进行作用，充电时间较快，被广泛应用于大型的电动汽车以及电动汽车快充。

二、充电桩建设的两种可行模式

1、连接方式

为便利汽车充电，可以在电动汽车的停放场地建造相应数量的交流充电桩，所用的220 V，380 V交流电压是当今汽车工业中普遍存在的，相对*获取，所以可以使用两种交流电压形式。家用电动车或者小型电动车都可以，较大特点是电动汽车可以随时利用闲暇时间进行充电，使用便捷。

2、建设直流充电桩

与交流充电桩不同，直流充电桩适合大型的电动汽车充电，在大型电动汽车停放场地建立直流充电桩，能够使大型的电动汽车*充电。因为直流充电桩的功率偏大，很*对电动汽车的电网造成损害，因此需要定期对电网进行维护保养。

三、安科瑞充电桩运营管理平台

1、系统架构

 

安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。

充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：

资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。

交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表

用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理

充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等

微信小程序：扫码充电，账单支付等功能

数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析

变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。

2、平台功能

2.1平台登录

在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

 

2.2平台首页

平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。

 

2.3实时监控

l 充电站监控

充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。

 

l 充电枪监控

充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。

 

2.4微信小程序

l 搜索与使用

微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示

 

l 授权登录界面

用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：

 

l 主功能页

初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。

 

l 充电

扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。

 

l 个人信息

个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能

 

3、硬件配置

3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。

推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）

 

若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：

3.2现场推荐硬件配置清单：

 

四、安科瑞限流式保护器的介绍与选型

1、限流式保护器的设计

电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等当弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，**使用场所人员和财产的安全。

安科瑞ASCP200-1电气防火限流式保护器的主要元件是固态开关，不同于传统家用的空气开关（微断）。我们知道，传统空气开关的断开是一种机械运动过程，分断时间需要几十毫秒(一般30～50ms)，带负载断开时通常伴随有电弧的产生。而固态开关的断开则是依靠半导体内部的载流子运动实现，分断时间微秒级，速度快，无电弧产生。

如图1所示，当发生短路故障时，传统空气开关在电流升至C点时才能动作，且无法瞬时切断电流，而固态开关则可以在电流升至B点时即瞬间切断短路电流。

 

图1短路故障前后电流与时间关系图

从流过电阻的电流热量公式Q=I2Rt，可以很*看出，传统空气开关与固态开关在短路时所释放的能量差别可以达到数千倍之多。因此当装配限流式保护器的回路发生短路故障时，就可以避免电弧的产生，从而有效降低了电气火灾。

2、ASCP200-1功能特点

 

ASCP200-1型电气防火限流式保护器是单相限流式保护器，较大额定电流为63A。主要功能如下：

A）短路保护功能，线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护；

B）过载保护功能，线路持续过载时，保护器限流保护；

C）表内温保护功能，保护器内部器件工作温度过高时，保护器限流保护；

D）过/欠压保护功能，线路欠压或过压时，保护器告警或限流保护（可设）；

E）电缆温度监测功能，被测线缆温度过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；

F）漏电流监测功能，线路漏电过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；

G）通讯功能，保护器配置1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到安科瑞Acrel-6000安全云平台，或三方监控软件或平台，从而实现远程监控。

3、ASCP200-1技术参数

 

4、应用方案图示

ASCP200-1型电气防火限流式保护器建议安装在入户开关下端，额定电流值根据入户开关的具体规格进行设置，典型应用示意图如图2所示：




图2ASCP200-1家用防火解决方案安装示意图

5、使用注意事项

在选用限流式保护器时，限流式保护器的设定的额定电流应该与其前上级的断路器的额定电流保持一致。例如，当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时，应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为**限流式保护器的正常使用，严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。

ASCP200系列采用限流式保护器采用壁挂式安装，可以挂墙安装，也可以安装在箱体内，应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质，并注意环境温度和通风散热。

为确保可靠连接，接线时应按接线图进行，同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热，也避免因接触不良而导致保护器工作不正常，线头应采用合适大小的U形冷压头压接后，再插入保护器相应端子上并将螺钉拧紧压实。

保护器内部带有交流电，严禁非人士擅自打开产品外壳。保护器在使用期间，若被保护线路发生短路或过载故障而被限流保护时，保护器仍处于带电状态，不允许随意碰触用电线路的金属部分。待检查线路，并排除故障后，长按保护器的复位按键约2秒钟，使保护器恢复正常运行时。

当保护器因温而发生限流保护时，则可能是因为负载电流过大，环境温度过高或通风散热不良等原因导致，可通过加强通风等措施，等保护器温度降下来后，再长按复位键，使保护器复位，恢复正常运行。

五、结束语

综上所述，可以看出来，在电动汽车智能充电桩的设计中，要考虑的因素较多，设计要求也加高，对智能充电桩的要求也比较严格，因此在设计智能充电桩的时候，需要对智能充电桩的连接方式、接口设计、问题处理等都要进行科学合理的选择，让智能充电桩的设计可以好的服务于客户。

参考文献

[1] 柏静.电动汽车充电桩系统设计分析.

[2] 鲁莽,周小兵,张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力.

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

 

作者简介：朱鹍，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事企业能源管控研究发展。

 


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