浅析电动汽车智能充电桩的设计要求及相关技术探索

刘丹

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要：完善电动汽车充电设施，常见的是充电桩。设计效率高、可靠的电动汽车智能充电桩，对保证电动汽车的安全运行有着非常重要的意义。因此，详细探讨了电动汽车智能充电桩的设计要求和相关技术。

关键词：电动汽车；智能充电桩；设计要求；技术

引言

汽车事业的发展体现了现代化社会发展的趋势，随着汽车数量的快速增长和石化材料的大量应用，我国能源事业和环境发展面临着严峻挑战。新型电动汽车的出现正好解决了这一问题，在一定意义上实现了*。我国电动汽车起步较晚，但是其发展速度较快。尤其在研发方面，一些小型电动车已取得了较好的成果，发展前景较好。在电动汽车的充电桩设计上，还要对其进行更加深入的研究，提高电动汽车智能充电桩的环境适应性，保证其供电稳定性。

一、电动汽车智能充电桩的设计要求

我国土地辽阔，各个区域的自然环境也存在着较大差异，并且电动汽车智能充电桩经常工作在电磁较高的环境下，这些也都对电动汽车智能充电桩的设计提出了更高要求。要求电动汽车智能充电桩不但要经受较端天气的考验，还要具备较强的抗电磁干力。

1、合天气变化的考验

随着全球气候不断的变暖，我国自然环境受到了较大的威胁，恶劣天气事件出现的频率越来越高。不但影响了工业行业的发展，而且对地区经济的发展造成了一定影响。对于电动汽车智能充电桩来说，外部结构的稳定性和封闭性对电动汽车使用的安全性均具有非常重要的作用。例如，电动汽车智能充电桩的封闭性不佳，会导致水珠、雨雪等进入到充电桩内，造成电动汽车智能充电桩内部电路出现短路、系统故障等。因此，设计电动汽车智能充电桩时，要充分保证其外部结构的封闭性和稳定性。另外，为了使电动汽车智能充电桩结构内部元器件产生的热量及时散发出去，还要保证其内部空气的流动性。

2、具备抗电磁干力

电动汽车智能充电桩所处的电磁环境，是由外界一些电磁感应信号对自身充电桩信号接收和输出情况造成干扰的环境。随着通信技术、网络技术的不断发展，电磁干扰的情况也越来越频繁。对于一些电磁干扰较强的环境中，为了保证电动汽车智能充电桩的正常运行，在设计上要考虑到电气线路的布局，将外界电磁信号对自身的干扰降到较低，进而将电磁干扰所造成的不良影响降到较低。

二、电动汽车智能充电桩 APP 客户端设计

近年来，随着智能手机的普及，APP 客户端软件在人们日常生活中得到了广泛应用。在对电动汽车智能充电桩 APP 客户端的设计中，根据用户手机操作系统的不同分别设计了 iOSV7.0.0 版本和 Android V2.3.3版本的 APP 客户端软件，均为 C/S 体系结构，具有强大的扩展能力和灵活性。

1、视图层

视图层是 APP 客户端与用户交互的界面，在了解用户需求的情况下，可通过调用业务逻辑层的接口对用户需求进行逻辑处理，并将处理结果展现给客户。包括地图显示、支付结算、车辆状态显示、电池电量状态显示、控制界面以及查询界面等。

2、业务逻辑层

需要及时完成用户在业务上的逻辑需求，包括对服务器数据的请求、对本地数据库中的数据读取等。

3、业务实体层

业务实体层包括各个不同的业物实体、对网络服务器的数据请求、对本地数据库中的数据解析、对网络平台服务器数据请求和数据解析以及对网络平台数据库的维护等。APP 客户端软件在设计思维上，是根

据用户选择的功能对相应业务逻辑层对应的模块进行调用。而在此过程中，业务流程的组织工作全部由业务逻辑层完成，还调用了业务实体层模块。通过网关服务器的接口，可完成与网关服务器之间的信息交换。

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，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，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，当变压器负荷超过百分之八十时，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，保障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，可以很容易看出，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）表内超温保护功能，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，被测线缆温度超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；

F）漏电流监测功能，线路漏电超过报警设定值时，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，或第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。为保障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。

当保护器因超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

 

电动汽车智能充电桩的设计与技术应用是促进电动汽车发展的重要因素。随着我国电动汽车智能充电桩设备设施的不断建设和完善，我国在电动汽车智能充电桩方面的设计经验有了一定积累，水平也有了很大提升。但是，在对电动汽车智能充电桩设计的发展和完善方面还有很长的路程要走。因此，设计人员要进一步加强对电动汽车智能充电桩的研究和创新工作，提高电动汽车智能充电桩的设计技术水平，促进我国电动汽车智能充电桩设计技术的快速发展。

参考文献

[1] 杜婕.电动汽车智能充电桩的设计要求及相关技术探索.

[2] 郝常秀.基于云平台的电动汽车智能充电系统设计与应用 [J]. 科技经济导刊

[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版