新能源充電樁建設及優(yōu)化路徑

熊峻丞

國網陜西省電力有限公司商洛供電公司 陜西 商洛 726000

引言

隨著電動汽車發(fā)展規(guī)模的逐步擴大，對電力供應和能耗的需求越來越大。電動汽車的銷量不斷提高，在很大程度上緩解了能源危機與環(huán)境污染問題，但因電動汽車續(xù)航受限，電動汽車的普及率與充電樁的建設與運營情況有密切關系。充電樁作為電動汽車使用環(huán)節(jié)的能量補給裝置，充電樁使用性能與設計水準，直接影響到電動汽車使用壽命，其重要性不言而喻。因此，新時期加強新能源充電樁建設優(yōu)化具有重要意義。

1 電動汽車充電樁系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)結構設計

充電樁系統(tǒng)由若干部分組成，以使用功能為依據，可以將系統(tǒng)結構拆分為核心控制模塊、充電模塊、通信與顯示操作模塊、保護模塊、采樣變送模塊五部分，系統(tǒng)結構如圖1所示[1]。

圖1 電動汽車充電樁

其中，核心控制模塊由控制板、控制芯片加以組成，負責控制各功能模塊的協調配合狀態(tài)，實現人機交互信息傳遞、輸入信息整理、運算分析、向終端充電樁設備反饋控制指令、HMI與充電樁數據溝通等使用功能，以及在無人工干預條件下完成一些簡單性操作任務。充電模塊由高頻變壓器、整流濾波等部分組成，在接收核心模塊下達控制指令后，按指令調整用戶輸入數據信號，控制充電樁為所連接電動汽車充電，根據指令內容來控制充電方式及充電時間。通信與顯示操作模塊由CAN總線接口、顯示屏和按鈕等部分組成，在界面向用戶顯示賬戶余額、本次充電金額、預計充電時間、電流值等信息，用戶在界面功能欄輸入信息，通過本模塊將信息發(fā)送至核心控制模塊，再將核心模塊所反饋信息顯示在屏幕上。保護模塊由過壓保護、短路保護、過溫保護及過流保護等多項安全防護措施及裝置組成，有著故障自診斷及控制的使用功能，在充電樁使用期間出現異常運行情況時，自動執(zhí)行對應保護動作。而采樣變送模塊由多種傳感器組成，在充電樁使用期間，持續(xù)采集溫度、電流值、電壓等要素的現場監(jiān)測信號，再將信號進行匯總整理后發(fā)送至核心控制模塊，用于判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)[2]。

1.2 硬件設計

充電樁系統(tǒng)的硬件結構由核心控制模塊、通信模塊、保護模塊、充電模塊、采樣變送模塊五部分組成，設計方法如下：

第一，核心控制模塊?？紤]到此模塊是系統(tǒng)的核心組成部分，負責完成現場監(jiān)測信號轉換、目標值與設定值比較分析、邏輯運算、決策制定等復雜任務，要求模塊具備強大的數據處理與邏輯運算能力，可選擇STM32F103ZTE6型號芯片與ARM32位Cortex-M3CPU，這類芯片內核有著體積小、具備多種功耗模式、調試能力強、編程簡單、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢。同時，對芯片與傳感器設計對應電壓等級的電源電路，如使用3.3V電源電路向芯片供電，使用5V電源電路向傳感器供電[3]。

第二，通信模塊。選用RS232串口，通過串口保持上位機和ARM控制器的穩(wěn)定通訊狀態(tài)，在系統(tǒng)運行期間提供遠程調控參數等服務，并通過串口連接打印機、刷卡機等配套設備。同時，設計CAN通信電路，安裝氧化硅材質的CAN轉換器，或是在主控芯片自帶bxCAN控制模塊的情況下安裝一臺CAN通信信號收發(fā)器來替代CAN通信電路。

第三，保護模塊。對安全保護裝置的選型設計，需要視充電樁系統(tǒng)保護功能而定，如在具備短路保護及輸出端過流保護功能時配置熔斷器設備，在系統(tǒng)具備交流輸入端浪涌保護功能時配置AM40C等型號的防雷器設備，在系統(tǒng)具備過電壓與欠電壓保護功能時配置雙門限比較器設備，在系統(tǒng)具備過溫保護功能時配置溫度繼電器設備[4]。

第四，充電模塊。設計整流濾波電路、IGBT裝置與高頻變壓器，整流濾波電路負責將輸入交流電轉為直流電供給至IGBT，IGBT裝置基于驅動電路產生作用來將直流電轉為交流電，高頻變壓器在電路中把交流電最終轉為直流電充入蓄電池。

第五，采樣變送模塊。由電壓、電流與溫度檢測電路組成。在電壓檢測電路中安裝LV25-P等型號的電壓傳感器來持續(xù)檢測輸出電壓，在電壓值超限與到達充電時間后自動斷電。電流檢測電路中安裝智能電能表，持續(xù)檢測充電模塊組成的總輸出電流與實時電路電流值，將檢測結果發(fā)送至中央控制器和充電監(jiān)控計費單元。在溫度檢測電路中安裝主控板及高頻電壓器等設備器件，持續(xù)監(jiān)測充電樁工作溫度，在實時溫度超過限定值時自動執(zhí)行開啟散熱系統(tǒng)、切斷電源等保護動作。

1.3 軟件程序設計

1.3.1 主控程序設計。一般情況下，可選用KeiluVision5系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，此類系統(tǒng)有著操作簡單、易于學習、兼容C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)的優(yōu)勢。隨后，為改善系統(tǒng)的擴展性能、兼容性能，使系統(tǒng)結構具備組態(tài)靈活的優(yōu)勢，應采取模塊化設計方法，將主控程序分解為若干模塊，對各模塊制定專項設計方案，再將全部子模塊進行串接處理來形成軟件主控程序。

在主控程序運行期間，預先由待機狀態(tài)切換至開啟狀態(tài)，啟動初始化程序，進行一次自我檢查，如果存在故障問題則發(fā)送報警信號，根據自檢信號開展故障自診斷操作，確定無誤后登錄賬號，接收用戶下達指令來插入充電槍，在系統(tǒng)上選擇充電模式、按順序完成模式設定操作。隨后，用戶點擊“開始充電”按鈕，控制充電樁切換為工作狀態(tài)，向汽車蓄電池充電，在界面上實時顯示充電過程信息，在監(jiān)測到蓄電池電量充滿后結束充電，進入結算步驟，拔出充電槍，直接從用戶賬戶余額扣款，或是由用戶自主選擇付款方式，結束本次充電，控制充電樁切換至待機模式。

1.3.2 子程序設計。充電樁操作系統(tǒng)由啟動程序、電壓檢測程序、電流檢測程序、A/D轉換電壓檢測程序、溫度檢測程序與故障檢測程序六項子程序組成，這也是軟件主控程序的主要組成部分。其中，在啟動程序設計環(huán)節(jié)，設計故障自檢與修復功能，系統(tǒng)在初始化運行完畢后進行自我檢查，如果發(fā)現故障問題則進行修復，返回開始狀態(tài)，重復執(zhí)行初始化、系統(tǒng)自檢步驟，待故障修復后完成啟動，反饋至主程序開展工作，而在故障未得到修復時，則進入關閉狀態(tài)。在電壓檢測程序設計環(huán)節(jié)，由核心控制模塊向電路發(fā)送電壓檢測信號，設定時間間隔，依次檢查母線電壓正負性與每次運行時的電壓，以三次檢測結果的電壓平均值為最終檢測值，如果出現電壓異常波動與超限情況，則向主控模塊反饋問題。在電流檢測程序設計環(huán)節(jié)，由核心控制模塊下達電流檢測信號，電流檢測模塊與時鐘模塊開展初始化作業(yè)，初始化完畢后啟動電流檢測程序，使用霍爾傳感器對電路實時電流值進行檢測，以多次電流檢測結果的平均值作為檢測值，將檢測結果以信號形式發(fā)送至存儲器，系統(tǒng)根據電流檢測值與設定值的偏差情況來采取對應反應。

3 電動汽車充電樁布局建議

3.1 優(yōu)化充電樁建設區(qū)域布局

近年來，充電樁行業(yè)發(fā)展迅速，政府也大力鼓勵因地制宜建設電動汽車充電基礎設施，合理發(fā)展和優(yōu)化充電樁布局具有重要意義。為了盈利，充電樁建設商通常選擇土地成本和電費成本較低的地方，而在土地成本和電費較高的地方充電樁建設較少，進而導致充電樁供需的區(qū)域不平衡。要解決這個問題，可以在土地成本高的地區(qū)，利用現有停車場建設充電樁，優(yōu)化充電樁建設的區(qū)域布局。比如，鼓勵醫(yī)院、銀行、國企、學校等單位在原有停車場擴建電動汽車充電樁建設；簡化公共停車場建設充電樁審批流程，方便公共停車場建設充電樁。

3.2 均衡公共場所快慢充建樁比例

慢速充電樁一般是使用5-10kW功率量級的充電器轉換成直流，或者直接使用交流慢充樁，對汽車內電池進行充電，充電時間較長，需要花費7-8小時，對新能源車電池的使用壽命影響較小，對電網的沖擊壓力也不大。直流快充樁半小時能充電池80%的容量，一般為大功率直流充電，但是直流快充樁需要配套如轉換交流直流電的電源裝置，安裝成本高，維修復雜，電流大對電網沖擊大；而基于電動汽車快慢充電樁的上述特點，在“新基建”之一的公共充電樁建設中，適當增加快充樁數量，均衡公共充電樁的快慢充建樁比例，如使其大致接近為一比一。

3.3 建立充電樁信息管理平臺

隨著智能電網建設的逐步深入，電力通信需要實現更大范圍、更靈活的接入。通過通信信息采集和信息監(jiān)管平臺定期檢查充電樁是否出現故障，如有樁無槍線、充電設備顯示不清等問題，及時做好設備維護。利用大數據技術和人工智能技術，將不同廠家的充電樁信息如位置、分布、充放電信息、故障情況等納入充電樁信息管理平臺進行統(tǒng)一監(jiān)控，進行充電樁的布局分析、用戶行為分析、充放電數據統(tǒng)計、故障維護等。

4 結束語

綜上所述，我國新能源汽車目前處于可持續(xù)發(fā)展階段，在實際發(fā)展過程中存在諸多問題。但是，要有效解決發(fā)展過程中出現的各種障礙，與政府的支持、技術人力的創(chuàng)新研究、經濟市場的發(fā)展有著千絲萬縷的聯系。可以通過合理化建議以提高充電樁質量水平及利用率，加快車網融合布局，保障新能源汽車的發(fā)展和發(fā)展，需要多角度加以完善和解決。