簡析電動汽車交流充電樁系統的設計方案

張穎姣

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：作為新能源汽車的基礎動力裝置，交流充電樁也是可以促使新能源汽車正常行駛的關鍵內容。與其他汽車不同的是，新能源汽車并不需要汽油維持其運行，只需要充電就可以保證汽車行駛的需求，可以降低汽油排放對環境的污染，近年來我國新能源汽車的增長速度出現明顯的上升趨勢，但是其充電樁的發展還比較緩慢。目前在充電樁系統設計期間仍存在一些問題，主要表現在充電設施短缺、充電難等問題，這些問題的發生均會在一定程度上限制新能源汽車的發展，這就需要加強對電動汽車交流充電樁系統的相關設計，旨在可以為新能源汽車的發展奠定基礎。

關鍵詞：電動汽車；交流充電樁；充電樁系統

0引言

在我國社會經濟不斷發展的背景下，人們對于生活環境以及生活質量的要求都有所提升，汽車作為人們出行的必要手段，目前已經呈現家家戶戶都有汽車的局面，但是隨著汽車數量的增加，對道路的影響以及對環境所帶來的污染問題也明顯加劇，為了在滿足人們出行需求的基礎上盡可能降低對環境的污染，新能源汽車應運而生。在新能源汽車數量逐漸增多的背景下，對于充電樁的需求量也越來越大，與燃油車相比，新能源汽車只需要通過充電的方式就可以運行，由此可見，充電系統的好壞對新能源汽車的實際運行帶來的影響很大。根據目前新能源汽車在充電樁設計方面所具有的市場前景中分析，就可以提出一種科學且可靠的充電樁系統設計，旨在可以將充電難與充電設施短缺的問題有效解決。

1充電樁系統總體方案設計

交流充電樁系統設計的作用是及時為新能源汽車充電，只有確保新能源汽車可以具有足夠的電量，才可以保證車輛正常運行，客戶也能夠便捷、輕松地完成整個充電流程，而系統也具備完善的人機交互—電腦接口和清晰的系統聲音顯示，而當前具有的充電模式也具有多種多樣的優勢，可以適應各種客戶對新能源汽車充電的需要。當前電動汽車交流充電樁系統在實際設計期間，應加強對PLC可編程控制器與觸摸屏的相關設計，其中還包括對智能卡識讀模塊、模塊電能計量以及發票打印機的設計，這些內容都是可以確保充電樁可以順利運行的關鍵內容，整個框圖如圖1所示。對于新能源汽車行駛期間，如果出現電量過低就需要及時充電，將汽車的電量充滿以滿足其行駛要求，而對于新能源汽車的充電而言，充電樁是較為重要的設施，在實際應用充電樁充電期間，通過觸摸讀取畫面的方式能夠實現PLC與各功能模塊之間的有效連接，在連接下就可以建立一種有效的通訊系統，在系統內可以實現電能計費的方式，實時顯示充電時間、充電量以及充電費用等相關內容，當完成整個充電需求之后就可以借助打印模塊對涉及的數據進行打印，便于用戶查看相關信息。

2電動汽車交流充電樁硬件系統設計

2.1核心控制模塊設計

本文設計的新能源汽車交流充電樁系統中的硬件系統主要是使用220V交流民用電源開展電力供應，可以將220交流的民用電源經過斷路器將其分為三路，分為的三路中一支路可以接避雷器，實現輸出接地的目標，而其中涉及到的二支路在實際使用期間，其主要目的就是可以將硬件系統中的電源模塊有效連接，第三支路設計的主要目的則是當主線接入交流智能電表后，就可以實現充電前期準備工作，具體可以借助交流接觸器的方式輸出220VAC給充電槍，充電槍就可以具有充電的效果，以滿足新能源汽車的充電需求。但是對于整個電動汽車交流充電樁系統的設計而言，其核心控制模塊中充電槍與被充電汽車之間具有一定的連接性，要想確保其可以與相關的外面設備互相配合以完成連接的需要，就應該保證主控板外面接口數量和數據處理速度滿足要求。本項目對于主控板的控制芯片主要進行相關研究，可以在處理器過載特小的情況滿足相關要求，支持外面設備的高速連接，并在采集相關參數的基礎上將涉及到的任務有效處理，實際緩存期間高16KB，其工作頻率非常高，較高可達400MHz，由此能夠滿足多任務計算和充電棧主控板處理的需求。

2.2電源模塊設計

電源是所有系統要想運行必不可少的因素之一，也是關鍵的內容，不論是相關的系統運行，還是充電樁的充電要求，都離不開電源模塊的使用，在電動汽車交流充電樁系統設計期間，電源模塊的主要作用就是可以為充電樁提供相應的直流電源供應。但是由于系統中具有較多的電路，而不同電路對于電源的需求也有所差異，要想確保整個系統中各個電路均可以正常工作，就需要在電源模塊設計期間為其提供多種供電電壓，滿足不同電路對于電源的實際需要，各模塊器件正常工作所需的電壓和電流如表1所示。

2.3電量計量模塊設計

電動汽車交流充電樁系統設計期間電能表也是重要的組成部位，電能表的實際作用就是可以對電路中的實際消耗進行相應測量。在電能表設計期間應確保其可以滿足相關要求，因為我國電能表的實際發展歷程具有漫長的特點，這個漫長的主要表現形式就是從以往初的感應式電能表，逐漸發展到電子式的電能表，當前我國電表類型越來越多，其功能也會呈現越來越完善的情況。一款集計量、計量、液晶顯示、脈搏指示、通訊于一體的單相緊湊型儀表，其性能參數完全符合國家標準GB/T17215.321-2008，由于儀表采用高精度測量芯片和高速MCU數據處理單元，在實際應用期間可準確測量功率、電壓、電流等電參數，所具備穩定性高的優勢，并具有停電數據自動保存功能。此外，由于電表需要采用RS-485通訊方式，而主板采用TTL通訊方式，這就需要將兩種不兼容的模塊進行配合，旨在能夠實現主板與電表的正常通訊功能。

2.4控制導引模塊設計

驅動電路和車載BMS系統也是充電樁設計的關鍵內容，在此系統設計期間可以通過CC和CP完成相應的連接需求，并在連接期間可以有效確認充電的相關參數，滿足實際充電需求。當前國標中所規定PWM信號一般都是由功率控制器件提供，該電路在實際運行期間可以輸出雙極性PWM，也可以在運行期間實現+12V電壓的輸出，在輸出電壓期間就可以滿足電動汽車對電壓的實際使用需要。本研究所使用的電路設計主要配合HCNR200內部的光電信號實現相應轉換要求，在轉換期間也能夠實現被測電路與采樣電路之間所具備的功能特點，其中包括電氣隔離和線性測量所具備的雙重功能，能夠有效滿足電力供應的需要。在此期間，控制引導模塊也可以引導輸入電壓的有效輸入，先需要經過前級運放并在完成以上操作之后需要將感測點CP輸入電壓的信號進行轉換，具體應將其轉換為具有輸出功能的電流信號。此外電動汽車交流充電樁系統設計電路中的R10、R12也具有一定的作用，具體可以滿足限流和控制內部LED發光強度的實際需要，在傳遞期間就可以將增益K控制在合理的范圍內，其中涉及的電容Cl和C2是用來提高電路穩定性的反饋電容。

3電動汽車交流充電樁軟件系統設計

3.1移動控制端設計

在我國社會不斷發展的背景下，移動互聯網技術也出現了明顯的發展，現已經成為人們生活中的需品，在生活與工作期間，“微、小、輕”已經成為滿足人們生活的關鍵要素，在此基礎上，微信小程序應運而生。微信小程序在實際運行期間并不需要用戶安裝軟件，而是可以通過搜索后就可以實現使用需要，并沒不會占據手機的內存空間，在實際應用期間既可以通過掃碼接入與小程序分享的方式進入，還可以在搜索公眾號后直接進入，無需安裝和卸載。在電動汽車交流充電樁系統實際使用期間，通過微信小程序的使用就可以便于用戶實現充電需要，具體是采用C/S交互的方式對數據進行傳輸，在實現數據傳輸的過程中就可以使用MINA框架對數據進行分析，能夠完成數據信息的相關綁定要求，還可以在掌握數據信息的基礎上實現同步響應的需要。借助微信小程序進行充電樁的使用期間，就可以在用戶打開小程序登錄身份驗證之后，就可以預約充電時間段，避免長時間等待充電的情況發生，但是在實際預約期間也需要注意，每個用戶只能預約當前10小時內充電樁使用的時間段，不可以超時間預約，而在預約期間也只是預約一個充電樁的使用，不可以同時預約多臺充電樁，當預約成功之后該臺充電樁在預約時間段內就會出現鎖定的情況，其他汽車無法實現充電需要。同時在預約成功后，用戶就需要在預約時間段內到達充電樁，并將預約成功之后小程序發送的具有保密功能的8位充值碼輸入充電樁系統中，從而實現充電的需要，如果用戶在預約后20min內沒有完成充電，系統就會自動解綁該預約的用戶，滿足其他用戶的充電需要。充電樁之間建立聯系，對于充電樁的實際設計而言，一個充電樁既可以實現獨立存在的需要，也可以確保其屬于某個充電站。

4電動汽車交流充電樁系統設計的創新點

新能源汽車交流充電樁系統設計期間首先需要系統地搜集該方面有關文獻資料，積極掌握并利用學術界研究和實際應用中的有關成果，并熟悉消費要求、環保標準等方面的國際行業標準和國家標準，以及新能源汽車交流充電樁設施的外形構造等基本情況。本文綜合研究并分析了各種類型充電系統的優勢，針對新能源汽車設計的交流充電樁控制器和所采用的交流充電樁控制器，確保其能夠有著較突出的人性化、集成化、高智能化等特征，確保整個系統可以更加完善。通過上述研究內容，研究人員可以在軟硬件方面進一步優化和完善整個體系，從而獲得較佳的性能控制系統，其中涉及的智能管理系統同時具備人性化、集成化、高智能化等一系列優勢，可以高效地實現刷卡消費、人機交互、信息、計算、設備自檢等安全控制功能，該管理系統擁有清晰干凈的觸摸屏接口，并且動作反應敏捷，用戶能夠根據新能源汽車的具體充電要求，選定自身需求的充電模式[7]。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

5.3.1系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據中心層和客戶端層。

2）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。

3）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。

4）數據中心層：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。

5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷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。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1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。

5.4.2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。

5.4.3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。

5.4.4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。

5.4.5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。

5.4.6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、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7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

5.4.8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。

5.5系統硬件配置

類型	型號	圖片	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高效安全的充電服務，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、高效、安全的充電服務。實現對動力電池快速、高效、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，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持刷卡，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，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，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，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，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，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，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25A，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、獨立計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、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，報警上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電
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，報警上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持刷卡，免費充電
落地式電瓶車智能充電樁	ACX10B系列		10路承載電流25A，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、獨立計量、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，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
智能邊緣計算網關	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、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。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全網通
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 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:電壓輸入較大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:電壓輸入較大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。

6結語

總之，在我國新能源汽車數量的逐漸增加，新能源汽車的車主對于充電的需求量也有所增加，為滿足電動汽車的充電需求，本文主要研究電動汽車交流充電樁系統的相關設計要點，在了解當前充電樁實際情況的基礎上，就可以開展相關的研究，并在此期間，以相關設計標準作為主要標準內容，在充電樁設計期間既可以滿足用戶使用小程序預約充電樁充電的需要，

也可以實現遠程監控和對數據的統一管理，具有明顯的優勢，降低用戶等待充電時間。未來，隨著對充電樁研究的逐漸深入，在新能源汽車交流充電樁系統設計期間還可以實時完成對充電狀態的相關數據進行采集，更好地滿足新能源汽車用戶的充電需求。

參考文獻

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［6］安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.

審核編輯 黃宇