新能源汽車數(shù)字化監(jiān)管中充電樁電路研究*

王籃儀

(三亞學(xué)院，海南 三亞 52022)

0 引言

2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和，是中國(guó)對(duì)世界的莊嚴(yán)承諾，大力推廣應(yīng)用新能源無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳路徑，而充電樁則是重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

充電樁建設(shè)受到國(guó)家的高度重視，國(guó)家還因此出臺(tái)了一系列重要的政策文件。2020年在國(guó)務(wù)院政府的工作報(bào)告中提出，新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)要進(jìn)一步加強(qiáng)，進(jìn)行新一代信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對(duì)5G應(yīng)用繼續(xù)拓展，建設(shè)充電樁，加大新能源汽車的推廣。這是政府工作報(bào)告首次寫入關(guān)于充電樁建設(shè)的內(nèi)容，已經(jīng)上升到新基建國(guó)家戰(zhàn)略層面。與新一代信息網(wǎng)絡(luò)、5G等一起被選為重要的新基建板塊，充分體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)充電樁產(chǎn)業(yè)的支持[2]。在國(guó)家政策與市場(chǎng)需求的雙輪驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)電動(dòng)汽車充電樁建設(shè)迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)[3-4]。

而在當(dāng)下提出的新能源汽車數(shù)字化監(jiān)管中，充電樁數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)其核心是充電樁APP的設(shè)計(jì)與統(tǒng)一、充電樁的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及充電樁的電路設(shè)計(jì)，接下來(lái)重點(diǎn)研究新能源汽車充電樁的電路設(shè)計(jì)。

1 充電樁充電原理

電動(dòng)汽車充電設(shè)施包含的內(nèi)容較為廣泛，包括充電電池、充電電纜、充電接口以及充電站建設(shè)中與電動(dòng)汽車充電相關(guān)的相應(yīng)設(shè)施等。

新能源充電樁電機(jī)有交流和直流之分。通過(guò)交流充電模式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池總成的充電，這種充電方式為交流充電機(jī)充電方式。交流充電模式給電動(dòng)汽車提供充電電源的方式是通過(guò)三相或單相交流電源實(shí)現(xiàn)，其特征是充電機(jī)為車載系統(tǒng)。交流充電樁的充電方式基本都是常規(guī)充電模式，通過(guò)使用大屏幕LCD彩色觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，充電模塊設(shè)置定電量、定時(shí)間、定金額、自動(dòng)(充滿為止)四種模式。充電樁的交流工作電壓220 V±15%，額度輸出功率3.5 kW、7 kW，普通純電動(dòng)轎車用充電樁充滿電需要4～5個(gè)小時(shí)，由于充電樁造價(jià)低廉、主要安裝在停車場(chǎng)，適用于慢充動(dòng)力電池。

交流充電樁的工作原理是在確認(rèn)與電動(dòng)汽車的連接狀態(tài)以及可以提供的最大工作電流參數(shù)后，對(duì)車載充電機(jī)進(jìn)行交流電的提供，在確認(rèn)充滿電后，斷開(kāi)電源，實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量和安全監(jiān)測(cè)等，充電結(jié)束后，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)結(jié)算和數(shù)據(jù)記錄等，原理如圖1所示。

圖1 交流充電樁工作原理

直流充電機(jī)是采用直流充電方式為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池總成充電的充電機(jī)。直流充電模式是以充電機(jī)輸出的可控直流電源直接對(duì)動(dòng)力蓄電池總成進(jìn)行充電的模式。其充電原理是通過(guò)三相電網(wǎng)輸入交流電，通過(guò)三相橋式不可控整流電路整流變成直流電，經(jīng)濾波后供給高頻DC-DC功率變換器，功率變換器則經(jīng)過(guò)直直變換輸出需要的直流，再次濾波后為電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池充電。

2 充電樁硬件結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車充電樁硬件系統(tǒng)主要由主控板、監(jiān)控板、IC卡讀寫器、數(shù)字電表、移動(dòng)通信模塊、觸摸屏、指示燈、按鍵等組成，其中主控單元、顯示單元和監(jiān)控單元是充電樁硬件系統(tǒng)的主要模塊，充電樁硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 充電樁硬件系統(tǒng)

1)主控單元：硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，與其他硬件單元雙向或單向交互，是啟動(dòng)、運(yùn)行、監(jiān)控和關(guān)閉充電樁向汽車充電的決策核心，可將充電過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)。

2)監(jiān)控單元：主要包括模擬量、開(kāi)關(guān)量采集和輸出控制。模擬采集單元在與顯示單元交互的同時(shí)，可以獲取用戶輸入的數(shù)據(jù)；開(kāi)關(guān)量采集可以根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)，提供與用戶充電需求對(duì)應(yīng)的充電量；在用戶完成充電后，輸出控制會(huì)引導(dǎo)用戶結(jié)束充電行為。監(jiān)控單元的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控充電樁的輸入輸出電壓和電流、充電接口的連接狀態(tài)和車載電池的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)充電和車輛電池的異常狀態(tài)，確保充電過(guò)程的安全可靠。

3)顯示單元：由LCD顯示器、觸控屏、指示燈、按鍵構(gòu)成，是用戶與充電樁的直接交互對(duì)象。顯示單元的主要作用為向用戶提供充電費(fèi)用信息和了解用戶充電需求。

充電樁具體硬件設(shè)施包括充電槍、充電柜、配線柜等充電樁外部硬件和逆變器、變壓器、整流器、濾波器、繼電器等內(nèi)部硬件。硬件設(shè)施通常采用耐候、耐溫、阻燃性能好、絕緣性能優(yōu)秀、抗電痕指數(shù)高的材料，如ABS、PET、尼龍等塑料。

3 充電樁軟件設(shè)計(jì)

3.1 充電樁整體軟件設(shè)計(jì)

交流充電站的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為主電路和二次電路兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。在主回路中，設(shè)計(jì)了對(duì)輸入端保護(hù)的斷路器、交流智能電能表、交流控制開(kāi)關(guān)以及和充電接口部分的連接器；二次電路由控制繼電器、急停按鈕、運(yùn)行狀態(tài)指示燈、充電樁智能控制器和人機(jī)交互設(shè)備(顯示、輸入與刷卡)組成。

在主回路的輸入斷路器中，設(shè)計(jì)了針對(duì)過(guò)載、短路以及漏電的保護(hù)措施；并且在主回路中還設(shè)置了交流接觸器控制電源的通斷；連接器部分包含了負(fù)責(zé)與電動(dòng)汽車連接的充電接口，并且這個(gè)部分設(shè)計(jì)了鎖緊和防錯(cuò)誤操作的保護(hù)功能。

在二次回路中，主要設(shè)計(jì)“啟?！焙汀凹蓖！眱身?xiàng)操作；“充電”、“充滿”“待機(jī)”功能通過(guò)信號(hào)燈進(jìn)行狀態(tài)指示；交流充電電量由交流智能電能表實(shí)現(xiàn)；刷卡、充電方式設(shè)置以及啟停控制操作則由人機(jī)交互設(shè)備執(zhí)行。

3.2 充電樁刷卡流程設(shè)計(jì)

充電樁主要分為充電設(shè)備控制單元和計(jì)費(fèi)控制單元兩大模塊：1)電壓電流轉(zhuǎn)換和各類保護(hù)措施由充電設(shè)備控制單元負(fù)責(zé)，為電動(dòng)汽車提供電力能源，是充電樁的核心部分；2)計(jì)費(fèi)收費(fèi)、LCD液晶顯示、負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)卡讀取的RS232和實(shí)現(xiàn)電表交互的RS485等則由計(jì)費(fèi)控制單元負(fù)責(zé)。計(jì)費(fèi)控制單元也是充電樁中極其重要的部分。

當(dāng)用戶進(jìn)行刷卡或插卡時(shí)，讀卡器識(shí)別到后則通過(guò)RS232接口和控制板進(jìn)行通信。刷卡過(guò)程中控制板會(huì)將通過(guò)讀卡器中的ESAM密鑰模塊加密后與CPU卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，CPU卡通過(guò)卡內(nèi)密鑰解密后核對(duì)信息，而后進(jìn)行充電。具體充電流程如下：

1)用戶確認(rèn)。當(dāng)用戶刷IC卡時(shí)，系統(tǒng)會(huì)識(shí)別用戶身份是否正確，正確則進(jìn)行下一步，錯(cuò)誤則返回。當(dāng)身份確認(rèn)無(wú)誤后，緊接著系統(tǒng)會(huì)掃描卡中是否有“未結(jié)賬記錄”，若有則需用戶結(jié)清電費(fèi)方可進(jìn)入到下一步的充電環(huán)節(jié)。

2)充電確認(rèn)。當(dāng)用戶進(jìn)入充電環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行插頭連接與否確認(rèn)，插頭確認(rèn)連接無(wú)誤后，進(jìn)入到充電模式的確認(rèn)，后發(fā)出加電指令進(jìn)行充電。

3)電費(fèi)結(jié)算。電量充滿或者充電時(shí)間結(jié)束后，系統(tǒng)停止充電，并發(fā)出電費(fèi)結(jié)算指令，等待用戶進(jìn)行此次電費(fèi)結(jié)算。

4 充電樁產(chǎn)業(yè)鏈

我國(guó)新能源汽車充電樁行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分為三個(gè)環(huán)節(jié)：1)產(chǎn)業(yè)鏈上游，為元器件和設(shè)備生產(chǎn)商，主要負(fù)責(zé)提供各種充電樁元器件和充電設(shè)備，這個(gè)環(huán)節(jié)主要包含充電模塊、監(jiān)控計(jì)費(fèi)、連接器風(fēng)機(jī)等元器件的生產(chǎn)；2)產(chǎn)業(yè)鏈中游，是充電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)商，負(fù)責(zé)充電站的搭建和運(yùn)營(yíng)，提供充電服務(wù)，主要包含交流充電、直流充電等充電設(shè)備；3)產(chǎn)業(yè)鏈下游，是新能源電動(dòng)車用戶，在充電樁上進(jìn)行消費(fèi)。其中設(shè)備生產(chǎn)商和運(yùn)營(yíng)商是充電樁產(chǎn)業(yè)鏈最主要的環(huán)節(jié)。

充電樁運(yùn)營(yíng)平臺(tái)是利用樁聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為電動(dòng)汽車用戶提供安全便捷的充電服務(wù)，為充電樁生產(chǎn)廠商、充電設(shè)施運(yùn)營(yíng)商提供便捷可靠的運(yùn)營(yíng)管理，為不同類型充電樁所有者搭建生態(tài)共享的充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+充電設(shè)施”服務(wù)，有效支撐智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，迎合了當(dāng)前“綠色發(fā)展”的環(huán)境需求，新能源充電樁從上游到下游的進(jìn)一步突破性發(fā)展也亟待解決。充電樁前期建設(shè)投入成本大、商業(yè)模式模糊、盈利困難使得很多企業(yè)舉步維艱，特別是充電樁的商業(yè)模式，尚沒(méi)有一個(gè)明確雙贏的答案。

“新基建”下，充電樁的發(fā)展再不能是簡(jiǎn)單的規(guī)模擴(kuò)張。當(dāng)前階段，充電樁的發(fā)展不僅要提高充電速度、保障充電安全以及提升用戶滿意度，還要在充電樁建設(shè)中采用新一代的充電、人工智能、新能源等新興技術(shù)，并將其融入到智能交通、智慧城市、智慧能源等相關(guān)領(lǐng)域的建設(shè)中。