許先明

【摘要】本文結(jié)合電動(dòng)汽車交流充電樁原理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及充放電優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，供參考。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；交流充電樁；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、前言

2012年11月1日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T28569-2012《電動(dòng)汽車交流充電樁電能計(jì)量》正式實(shí)施，對(duì)于推進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)低碳循環(huán)發(fā)展具有重要意義。

二、充放電模式優(yōu)勢(shì)分析

1、充電模式優(yōu)勢(shì)

（1)綜合成本相對(duì)較低。用戶可以利用晚間時(shí)間自行充電，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)節(jié)約了使用成本，對(duì)充電本身來(lái)說(shuō)節(jié)約了大建充換電站的土地、人力成本，而且利用夜間用電低峰時(shí)間充電，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全增加新的壓力。此外，直充是常規(guī)充電模式，所用的功率和電流的額定值不是關(guān)鍵因素，因此充電器和安裝成本低，對(duì)于高成本的純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)從各個(gè)環(huán)節(jié)和各個(gè)角度降低成本是目前電動(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

（2）充電簡(jiǎn)單便捷。方便高效是用戶對(duì)車輛的使用基本要求，也是電動(dòng)汽車和其它任何車輛發(fā)展的基礎(chǔ)。充電模式可以在用戶的公司和家庭安裝充電樁，用戶上班時(shí)可以選擇在公司充電，或者下班之后，開(kāi)車回家，然后隨手在停車庫(kù)里面插上插頭就可以充電了，早上起床，拔下插頭就可開(kāi)車上班。這種模式比較理想，簡(jiǎn)單而不失高效性，不需要增加額外的負(fù)擔(dān)。

2、換電模式優(yōu)勢(shì)

（1)用戶購(gòu)車成本低，電能補(bǔ)給時(shí)間快。在國(guó)家電網(wǎng)的換電模式下，用戶只要購(gòu)買“裸車”而不再承擔(dān)電池的購(gòu)買、維護(hù)和折舊成本，使得電動(dòng)汽車購(gòu)車支出費(fèi)用低于傳統(tǒng)車型。同時(shí)一輛電動(dòng)汽車駛進(jìn)換電站，取下耗盡電量的電池，再更換已充滿電的電池，所需時(shí)間僅為3～5min，與傳統(tǒng)汽油車加油時(shí)間相差無(wú)幾。另外還有移動(dòng)式換電車，可以為緊急用戶隨時(shí)隨地更換電池，為用戶解決燃眉之急。在成本和使用的雙重便利下，用戶更容易接受，從而有利推動(dòng)電動(dòng)汽車的進(jìn)一步推廣普及。

（2)有利于電動(dòng)汽車電池標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一及壽命延長(zhǎng)。在國(guó)家電網(wǎng)的換電模式下，由運(yùn)營(yíng)商對(duì)電動(dòng)車的電池充放電過(guò)程進(jìn)行集中處理和應(yīng)用，因此更容易實(shí)現(xiàn)電池標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，同時(shí)運(yùn)營(yíng)商專業(yè)規(guī)范的維護(hù)大大的延長(zhǎng)了電池使用壽命。

（3)解決了電動(dòng)汽車大規(guī)模發(fā)展的電能供給問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益最大化的有效途徑。在變電站附近建充換電站可避免對(duì)配電網(wǎng)造成大的沖擊，同時(shí)在土地資源緊張或電網(wǎng)難以擴(kuò)建改造的城市中心區(qū)，可依托近郊區(qū)的變電站建設(shè)電池集中充電站。智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式充分利用城市及就近110kV及以上變電站資源，開(kāi)展電網(wǎng)梯次利用，有序充電；通過(guò)物流網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一配送電池到充換電服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)；便于集中治理諧波污染，減少治理費(fèi)用；實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提高設(shè)備利用效率和電網(wǎng)負(fù)荷率。

三、交流充電樁的控制原理

電動(dòng)汽車交流充電樁是一種輔助設(shè)備，與交流電網(wǎng)鏈接在一起，專門(mén)為電動(dòng)汽充電機(jī)提供電源的供電裝置，并具備相應(yīng)測(cè)控保護(hù)功能的專用裝置，功率一般不大于7kW。充電樁應(yīng)具備以下功能：提供友好的人機(jī)操作界面，進(jìn)行相應(yīng)的控制操作、計(jì)量計(jì)費(fèi)、和通信管理的電動(dòng)汽車專用交流供電裝置。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格考慮了交流充電樁的實(shí)用性、安全性、智能化和可靠性。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，它呈現(xiàn)了一些參與者和一些用例，以及它們之間的關(guān)系，主要用于對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類的功能行為進(jìn)行建模。用流程圖展示了系統(tǒng)工作的原理以及同用例參與者之間是怎樣相互聯(lián)系的。

圖1交流充電樁工作設(shè)計(jì)流程

充電樁的正常運(yùn)行如本圖1的運(yùn)行流程圖。設(shè)備上電后，通過(guò)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)入工作狀態(tài)，用戶使用時(shí)，若操作不合法或校驗(yàn)不通過(guò)，則重新刷卡。若操作合法，則顯示器上顯示用戶信息，保護(hù)查詢余額。賬號(hào)明細(xì)等；用戶正確連接后，選擇充電模式既按電量充電，按時(shí)間充電，按金額充電和自動(dòng)充電進(jìn)行充電，計(jì)費(fèi)表開(kāi)始上傳直到用戶結(jié)束充電。同時(shí)，在充電過(guò)程中，DSP實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)并顯示相關(guān)信息，判定充電結(jié)束或用戶定義的任務(wù)完成后則結(jié)束充電，另外，在充電過(guò)程中，用戶可隨時(shí)結(jié)束充電過(guò)程。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP控制系統(tǒng)用于實(shí)施監(jiān)控交流充電樁的運(yùn)行，并通過(guò)人際交互界面向用戶提供人工接口。整個(gè)系統(tǒng)按不同的功能科劃分為人機(jī)交互單元，控制單元，計(jì)量單元，安全防護(hù)單元組成。其中，人機(jī)交互單元其中：樁體、LCD觸摸屏、讀卡模塊、充電插頭；控制單元主要包括：主監(jiān)控與輔助模塊；計(jì)量單元為電能表；安全防護(hù)單元包括；漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)、防倒開(kāi)關(guān)以及急停開(kāi)關(guān)、過(guò)壓保護(hù)功能、欠壓保護(hù)。人機(jī)交互單元主要用于充電樁的工作信息顯示和控制參數(shù)的輸入，控制單元式系統(tǒng)的核心，控制充電樁的運(yùn)行，計(jì)量單元用于計(jì)、量所用電能，安全防護(hù)單元主要用于系統(tǒng)的安全保護(hù)。

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

五、硬件構(gòu)成

本產(chǎn)品主要采用微電子技術(shù)，采用TI公司的高速數(shù)據(jù)處理器DSP（TMS320F2812）作為主控芯片，結(jié)合強(qiáng)大的外設(shè)功能（包括威倫通的人機(jī)界面、微型打印機(jī)、非接觸式IC卡讀卡裝置、多功能智能電能表等）完成計(jì)量收費(fèi)、安全保護(hù)、系統(tǒng)通訊等功能。為此，需要一些基礎(chǔ)的電氣試驗(yàn)和測(cè)量器材和設(shè)備，以及相應(yīng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的相關(guān)構(gòu)成如圖3所示。

圖3系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

在上述研究的基礎(chǔ)上我們對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，硬件設(shè)計(jì)完成后應(yīng)具備以下功能：

1、計(jì)量功能

充電樁應(yīng)為計(jì)量表計(jì)預(yù)留電氣接口和安裝空間，計(jì)量表計(jì)應(yīng)采用電子式有功電能表。電能表的通訊規(guī)約應(yīng)符合DL/T645-1997或DL/T645-2007，電能表有功計(jì)量精度不低于1級(jí)。充電樁應(yīng)能通過(guò)RS485/RS232總線讀取在充電前后電能表的電量止度，結(jié)合用戶選用的充電模式計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù)（包括電能使用量、消費(fèi)金額、充電時(shí)間等等），并將該數(shù)據(jù)上傳給后臺(tái)系統(tǒng)存儲(chǔ)顯示。

2、人機(jī)交互界面功能

(1)具有液晶屏顯示，顯示面積應(yīng)大于3.2寸；

(2)具有運(yùn)行狀態(tài)指示燈，能對(duì)應(yīng)顯示交流充電樁各狀態(tài)下的相關(guān)信息；

(3)具有查詢功能，可通過(guò)人機(jī)操作界面進(jìn)行相關(guān)信息查詢；

(4)查詢余額：使用普通卡能夠在充電樁上查詢用戶賬戶內(nèi)的剩余金額；

(5)查詢里程：使用里程卡能夠在充電樁上查詢用戶賬戶內(nèi)的剩余里程；

(6)消費(fèi)明細(xì)查詢：充電樁應(yīng)采用LCD顯示屏，能夠顯示用戶最近一次充電的時(shí)間、金額（普通卡）、里程（里程卡）、電量等信息；

(7)具有不同充電服務(wù)選擇，交流充電樁能顯示各種充電模式，并進(jìn)行充電服務(wù)，充電樁應(yīng)具有以下多種充電模式：

模式1：定電量充電，即在人機(jī)界面上輸入所需電量，充電樁開(kāi)始充電直到達(dá)到電量設(shè)定值。

模式2：定時(shí)間充電，即在人機(jī)界面上輸入設(shè)定時(shí)間，充電樁開(kāi)始充電直到達(dá)到時(shí)間設(shè)定值。

模式3：自動(dòng)（充滿為止）充電，即在人機(jī)界面上選擇自動(dòng)充電，充電樁會(huì)開(kāi)始充電直到用戶手動(dòng)結(jié)束充電為止。顯示的字符應(yīng)清晰、完整，沒(méi)有缺損現(xiàn)象，不依靠環(huán)境光源即可辨認(rèn)。鍵盤(pán)能正常輸入，并拌有按鍵聲。

在充電過(guò)程中，充電樁顯示時(shí)間(已充電時(shí)間、剩余時(shí)間等)、電量（已充電電量、待充電電量）等信息。充電結(jié)束后，充電樁顯示用戶的用戶號(hào)、剩余金額、剩余里程、本次充電金額等信息。

3、非接觸式IC卡功能

交流汽車充電樁配備非接觸式IC卡讀卡裝置，能夠識(shí)別符合ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡。用戶能夠在交流充電樁完成充電等各項(xiàng)功能。

4、通訊功能

交流充電樁能利用CAN總線技術(shù)完成與BMS和集中器的通訊，以及和人機(jī)界面、智能電能表、IC卡模塊、微型打印機(jī)的實(shí)時(shí)在線通訊。

5、安全防護(hù)功能

充電樁應(yīng)具備急停開(kāi)關(guān)。按下急停開(kāi)關(guān)后，應(yīng)能立刻切斷充電樁內(nèi)整個(gè)供電回路的電源。充電樁應(yīng)具備平衡開(kāi)關(guān)。充電樁在受外力（如被汽車撞斷）破壞時(shí)，應(yīng)能立刻切斷充電樁內(nèi)整個(gè)供電回路的電源。安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括充電電纜的控制導(dǎo)引單元、緊急停止單元、電氣防護(hù)及靜電防護(hù)單元，傾斜保護(hù)單元。

電氣防護(hù)單元能夠通過(guò)斷路器、漏電保護(hù)裝置、電涌保護(hù)裝置等相關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)、漏電保護(hù)、防雷擊功能。靜電防護(hù)功能主要從接地和電路抗靜電放電(ESD)設(shè)計(jì)兩方面著手。

6、故障及報(bào)警功能

充電樁在工作過(guò)程中，出現(xiàn)故障，充電樁應(yīng)能及時(shí)作出故障報(bào)警動(dòng)作。充電樁控制器應(yīng)具有自檢功能，自檢程序應(yīng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)部和外部電路或通訊通道，確保充電樁可靠工作，當(dāng)自檢程序發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或故障時(shí)，應(yīng)能立刻做出故障報(bào)警動(dòng)作。

六、結(jié)束語(yǔ)

《電動(dòng)汽車交流充電樁電能計(jì)量》是對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)的規(guī)范準(zhǔn)則，促進(jìn)了電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將為充電設(shè)施商業(yè)化運(yùn)營(yíng)提供標(biāo)準(zhǔn)支撐，促進(jìn)電動(dòng)汽車和充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。

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