李潔 李亞飛 劉乙

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇蘇州，215004)

0引言

19世紀(jì)末以來，汽車工業(yè)的發(fā)展對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響[1]。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2024年全球汽車產(chǎn)量將達(dá)到7761萬(wàn)輛，2024年全球電動(dòng)汽車保有量將超過3100萬(wàn)輛，新能源汽車取代傳統(tǒng)能源汽車已經(jīng)成為一種趨勢(shì)[2-3]。大規(guī)模、多數(shù)量場(chǎng)景的電動(dòng)汽車充電會(huì)面臨諸多問題，例如電池型號(hào)的適配、充電樁用戶信息共享等等，都影響著電動(dòng)汽車的充電安全性和充電效率[4]。本文提出了基于Arduino的智能共享充電系統(tǒng)，通過分段式充電策略和電池管理系統(tǒng)提高充電效率。測(cè)試表明，本系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)充電申請(qǐng)，進(jìn)行高效安全充電，同時(shí)可以容納多用戶的并發(fā)請(qǐng)求，有效解決了大規(guī)模、多數(shù)量場(chǎng)景的電動(dòng)汽車充電問題。

1 整體方案設(shè)計(jì)

如圖1所示，智能充電系統(tǒng)主要由智能充電、防盜報(bào)警和計(jì)費(fèi)管理三大模塊構(gòu)成。智能充電模塊通過充電控制算法，對(duì)電池型號(hào)進(jìn)行識(shí)別，對(duì)充電過程進(jìn)行控制，保證充電安全，并與控制中心進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)交互。防盜報(bào)警模塊通過識(shí)別充電時(shí)的異常情況（例如，充電槍非正常拔出等），進(jìn)行斷電處理和信息上報(bào)。計(jì)費(fèi)管理模塊通過電量統(tǒng)計(jì)計(jì)算充電費(fèi)用，并通過無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）自動(dòng)識(shí)別車輛所屬的用戶信息進(jìn)行付費(fèi)。

圖1 整體方案功能圖

2電池快速充電算法

2.1電池快速充電原理

蓄電池可接受的最佳充電電流特性曲線隨時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)遞減[5]，表達(dá)式如下：

圖2 蓄電池最佳充電電流特性曲線

為了實(shí)現(xiàn)最高效率的充電，馬斯發(fā)明了三定律[6-7]。馬斯三定律成為快充技術(shù)的理論基礎(chǔ)，其表達(dá)式如下：

2.2充電方法設(shè)計(jì)

目前市面上比較成熟的主流充電方法主要有四種，分別是恒流充電法、恒壓充電法、脈沖充電法以及反射式充電法[8-9]，其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所列。

表1 主流充電方法比較

本論文提出的充電管理算法通過融合電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)各類電池信息，包括電力類型、容量以及電池健康狀況（SOH）等進(jìn)行上傳，在充電數(shù)據(jù)庫(kù)中將上述參數(shù)準(zhǔn)確代入，并與當(dāng)前電池對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)充電曲線進(jìn)行計(jì)算，最終生成三段式充電模式。當(dāng)電池剩余容量（SOC）小于15%時(shí)，采用小電流恒流充電模式；當(dāng)SOC 在15% ～85%時(shí)，采用分段橫流充電；當(dāng)電池SOC 大于85%時(shí)，采用恒壓脈沖充電。在充電過程中，通過BMS 并根據(jù)充電數(shù)據(jù)庫(kù)中的值與電池實(shí)時(shí)的電壓電流狀態(tài)計(jì)算獲得電流、電壓值。分段式充電策略曲線如圖3 所示。

圖3 分段式充電策略曲線

2.3軟件功能設(shè)計(jì)

2.3.1充電控制端設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的主要功能是接收用戶輸入，評(píng)估是否正確進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮?，與控制中心進(jìn)行通信和交互，并將電氣信息發(fā)送回充電控制器收集的能量到控制中心。系統(tǒng)上電后會(huì)執(zhí)行信息獲取程序，向上位機(jī)發(fā)送指令，上位機(jī)接收指令后進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)信息通過下位機(jī)傳遞給用戶，因此可以獲取充電線路上的電流信息。充電控制端的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 充電控制端的設(shè)計(jì)流程圖

2.3.2控制中心端軟件設(shè)計(jì)

上電后，控制中心循環(huán)運(yùn)行程序，持續(xù)接收負(fù)載控制終端的信息輸入。當(dāng)讀取到用戶當(dāng)前的收費(fèi)費(fèi)用時(shí)，將會(huì)從用戶的賬戶中提取信息，完成整個(gè)計(jì)費(fèi)流程，實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 控制中心端軟件設(shè)計(jì)流程圖

3系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用分析

為了證明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，筆者搭建了模擬停車場(chǎng)，并部署了智能共享充電系統(tǒng)，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了智能充電系統(tǒng)在停車場(chǎng)中能夠?qū)Υ笠?guī)模、多數(shù)量場(chǎng)景的電動(dòng)汽車進(jìn)行充電管理。

3.1充電指令響應(yīng)測(cè)試

充電指令響應(yīng)測(cè)試的目的是驗(yàn)證系統(tǒng)的用戶端、充電數(shù)據(jù)中心和充電控制端之間在不同并發(fā)數(shù)量下的應(yīng)答響應(yīng)正確率和信息準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置了5臺(tái)充電樁作為控制終端，通過CAN（控制器局域網(wǎng)）總線與數(shù)據(jù)中心相連，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器通過Internet與一臺(tái)用戶終端進(jìn)行通信。為了模擬批量用戶的操作請(qǐng)求，用戶終端將以軟件腳本的形式下發(fā)充電申請(qǐng)等指令，通過軟件腳本可以模擬多個(gè)用戶同時(shí)或者依次對(duì)充電樁下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的批量用戶操作的測(cè)試。5臺(tái)充電控制終端會(huì)預(yù)先設(shè)置好不同時(shí)間段的充電狀態(tài)信息，在接收到充電請(qǐng)求后，會(huì)將當(dāng)前的充電狀態(tài)反饋給用戶界面，用戶界面將記錄下反饋的信息，并與預(yù)先設(shè)置的充電狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)交互的效率和準(zhǔn)確率，如表2所列。

表2 快捷充電頁(yè)面請(qǐng)求結(jié)果

通過表2的測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)用戶并發(fā)數(shù)量較少的情況下，系統(tǒng)的性能表現(xiàn)優(yōu)秀，應(yīng)答響應(yīng)錯(cuò)誤率為0，隨著并發(fā)請(qǐng)求數(shù)量的提高，應(yīng)答響應(yīng)錯(cuò)誤率上升，在并發(fā)用戶數(shù)為5000個(gè)的條件下，應(yīng)答響應(yīng)錯(cuò)誤率達(dá)到1.83%，但是信息對(duì)比錯(cuò)誤率為0.00021%，接近于0，說明系統(tǒng)在高并發(fā)數(shù)量下仍能正確傳輸充電信息，系統(tǒng)性能表現(xiàn)良好。

3.2 充電啟動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

充電啟動(dòng)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試充電樁在接收到充電指令后響應(yīng)充電執(zhí)行的啟動(dòng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)方法是記錄充電樁接收到充電指令的時(shí)間t1和電池進(jìn)入充電模式的時(shí)間t2，計(jì)算t1和t2的時(shí)間差，獲得充電樁的啟動(dòng)時(shí)間，本次實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行10000次指令下發(fā)，統(tǒng)計(jì)充電啟動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如表3所列。

表3 充電啟動(dòng)時(shí)間結(jié)果

通過記錄10000次充電啟動(dòng)時(shí)間，可以看到大部分的啟動(dòng)時(shí)間在1s以內(nèi)，少部分在1 ～1.5s的時(shí)間內(nèi)。在重復(fù)10000次充電指令下發(fā)測(cè)試中，充電啟動(dòng)時(shí)間大多數(shù)是集中在[0.4, 0.8]區(qū)間內(nèi)，均值為0.6s，基本能夠滿足用戶的需求。用戶能夠在交互界面上實(shí)時(shí)查看充電的狀態(tài)，并且控制充電完成。

3.3 靜電抗干擾實(shí)驗(yàn)

靜電對(duì)充電樁的影響較大，為了測(cè)試其靜電抗干擾能力，筆者使用靜電發(fā)生器對(duì)充電控制端進(jìn)行靜電防護(hù)實(shí)驗(yàn)[10]。實(shí)驗(yàn)方法為使用充電樁給單體鋰電池進(jìn)行充電。每次充電前將電池放電至電壓2.5V；采用分段式快充法充電直到電池電壓達(dá)到3.2V；記錄在不同時(shí)刻下的電池電量；同時(shí)對(duì)充電控制端的金屬機(jī)身進(jìn)行5kV的靜電放電干擾，記錄其充電狀態(tài)變化，并且保障測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性；進(jìn)行10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄將電池充滿電量的時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行比較。不同充電時(shí)間電池的電壓如表4所列。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，10次靜電放電測(cè)試后，智能充電樁依舊可以正常充電，整個(gè)充電過程很順暢，沒有出現(xiàn)卡頓、死機(jī)等現(xiàn)象，并且充電狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)反饋在用戶界面上。

通過對(duì)系統(tǒng)的多方位測(cè)試，可以驗(yàn)證本論文提出的智能充電系統(tǒng)符合功能要求，性能穩(wěn)定且操作方便，能夠滿足高并發(fā)條件下的充電管理需求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)停車場(chǎng)和自動(dòng)化實(shí)時(shí)信息跟蹤設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，針對(duì)當(dāng)今常見的電動(dòng)汽車成本管理問題提出了合理的解決方案。該智能充電系統(tǒng)分為用戶端、收費(fèi)控制終端和控制中心終端。三者相結(jié)合，解決了監(jiān)控用戶和汽車充電各類情況下的難題。該系統(tǒng)無(wú)需使用高成本的監(jiān)控設(shè)備，具有成本低的特點(diǎn)。此外，采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，當(dāng)電動(dòng)汽車停在停車場(chǎng)時(shí)，智能充電系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別并設(shè)置車輛及用戶信息，具有高度隨機(jī)性，確保系統(tǒng)的安全性。在支付方面，用戶可以通過實(shí)時(shí)通訊支付功能，更加便捷地于應(yīng)用端實(shí)現(xiàn)在線充值，省去了傳統(tǒng)支付方式中繁瑣的支付過程。目前，大多數(shù)充電系統(tǒng)僅在硬件層面滿足用戶的充電需求，而無(wú)法達(dá)到便利性、低成本、高效性和安全性共存的要求[11]。這種基于物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的智能電動(dòng)汽車充電管理系統(tǒng)解決了大部分此類問題，適合在日常生活中廣泛應(yīng)用。