电动汽车充电桩设计与实现

电动汽车充电桩设计与实现

李全妙

广州南方电力集团科技发展有限公司广东广州510000

摘要：电动汽车具有节能环保的特点，在环境污染日益严重，石油资源逐渐枯竭的背景下得到了快速的发展。而充电桩作为电动汽车产业链中不可缺少的重要组成部分，对其展开研究十分必要。本文介绍了电动汽车充电桩的概况，阐述了充电桩监控系统的功能，并从硬件设计、软件系统设计和环境及电磁兼容设计三方面介绍了电动汽车充电桩的设计，以望能为有关需要提供参考。

关键词：电动汽车；充电桩；监控系统；设计

0引言

随着石油资源的逐渐枯竭及全球环境污染的日益严重，低碳、经济、环保已经成为了当前经济的发展主题，而电动汽车以其环保、清洁、节能等优点，已成为当前汽车产业发展的一个新方向。充电桩是电动汽车充电设备中最常用的基础设施之一，是电动汽车产业链中必不可少的重要组成部分，其设计关系到电动汽车产业的发展。因此，研究电动汽车充电桩的设计十分重要。

1电动汽车充电桩概述

1.1电动汽车充电桩背景及发展现状

新时期，工业发展迅速，同时带来很多环境污染问题，随着人们对环境保护的意识逐渐增强，电动汽车应运而生并逐渐推广，现阶段，电动汽车在整个汽车市场已经占有十分重要的地位。在电动汽车发展初期，由于配套设施不够完善，在一定程度上限制了电动汽车的发展，这一问题逐渐引起了相关部门的重视。目前，我国国家电网投入大量资金用于电动汽车配套设施建设，包括充电站、充电桩等，并且已经获得了一定的建设经验。

1.2电动汽车充电的方法

现阶段，电动汽车的充电方法主要有两种形式，分别为交流充电以及直流充电，直流充电不仅给大型公共汽车充，在一些普遍停车场，既有交流充电桩，也有直流充电桩，这些直流充电桩主要是用于快充。

（1）交流充电。通过电网公司提供220V或者380V的交流电源，电动汽车车载充电装置具有滤波、整流等功能，能够对电动汽车蓄电池进行充电，具有充电耗时段、功率高等优点，被广泛应用于小型纯电动汽车。

（2）直流充电。通过地面直接提供电源，为电动汽车蓄电池进行充电，与交流充电相比不需要蓄电池作用，充电速度快，适用于大型电动汽车和电动汽车快速充电。

（3）更换电池组。使用该充电方式的前提是必须为每辆电动汽车提供两组蓄电池，其中一组通过地面充电形式进行充电，而另一组为电动汽车提供电源。在电动汽车的使用过程中，如果有一组蓄电池电量不足，则可以更换，使用另外一组蓄电池进行供电。通过更换电池组的形式，能够在最大程度上缩短充电时间。然而，这一充电方式在实际运行中也有一定的弊端，由于每辆电动汽车都需要两组蓄电池进行供电和充电，因此需要建设大量电池更换站，而且每个更换站都需要工作人员进行日常维护工作，投资成本较高，智能化水平较低，因此适用性较差。

（4）非接触式充电。该充电方式的使用前提是，在地面嵌入电器元件，而且还需要其能够与电动汽车有效接触，通过这一方式，电动汽车在行驶过程中也能够进行充电，不会受到充电桩限制。但是，由于种种条件的限制，现阶段，这种充电方式一般不予采用。

2电动汽车充电桩监控系统实现的功能

2.1充电桩建设的两种可行模式

（1）建设交流充电桩。在电动汽车停车场建设交流充电桩，由于220V以及380V交流电压比较容易获得，因此可以采用这两种电压形式。地面交流充电桩能够为家用电动汽车或者小型电动汽车进行充电，使用交流充电桩最大的优势在于，可以利用电动汽车闲置时间进行充电，使用方便。

（2）建设直流充电桩。直流充电桩适用于大型电动汽车，在大型电动汽车停车场建设直流充电桩，有利于大型电动汽车快速充电。直流充电桩功率较大，因此会对电网构成一定的损害，因此在建设过程中还应该加强对于电网的保护。

2.2监控系统的主要功能

监控系统包括以下功能：

（1）能够识别IC卡，通过IC卡能够激活充电桩并进行充电计费。

（2）能够对电动汽车充电桩的电压和电流进行检测和保护。

（3）能够对电动汽车蓄电池的充电电压、电流等进行实时监控。

（4）具备通信功能，可以与上级管理层进行通信。

（5）对电动汽车蓄电池能够起到维护作用，在蓄电池的充电过程中可以检测电池，对蓄电池进行维护。

3电动汽车充电桩设计与实现

3.1硬件设计

电动汽车充电桩复杂程度高，组成构件较多，包括主控板、IC卡读卡器、触摸屏、指示灯等等。具体的硬件组成如图1所示。

在所有电动汽车充电桩的组成构件中，主控板是最核心的构件，能够对充电过程进行有效控制，包括启动、监控、关闭等，而且可以利用通信功能将充电桩的工作数据传输至后台。另外，充电桩主控板的结构件也很复杂，包括控制器、以太网口、多个串口等。

为了对电动汽车充电桩的实况进行有效检测，确保充电可靠性和安全性，在充电桩设计中，还应该添加监控保护单元设计，其组成情况如图2所示。通过监控保护单元，能够对电动汽车充电桩的电压、电流和充电接口的连接状况进行实时监测，如果发现异常，则可以及时切断电源，不仅能够有效保护充电桩的安全，而且还不会对电动汽车造成伤害。

3.2软件系统设计

3.2.1系统工作流程

电动汽车需要充电时，用户将电动汽车驶入充电桩附近，然后将IC卡放置在刷卡区，根据显示屏提示进行操作，连接充电接口，选择具体的充电模式，然后进行充电。

在充电过程中，控制保护单元能够对充电接口的连接状况进行检测，如果发现异常，则不能启动充电功能。与此同时，在充电过程中，充电桩显示器会有指示灯闪烁。而监控单元则会在整个充电过程中，对充电的电压、电流、充电接口连接情况等进行实时监控，如果发现异常，则会立即发出警报。

通过充电桩的软件系统，能够将系统各个模块进行有效连接并协调调用，整个系统控制流程图如图3。

3.2.2功能模块设计

在设计充电桩软件系统时，必须严格遵守模块化编写原则，确保软件系统的可行性，而且还有利于提高软件系统的扩展性。

根据充电桩软件系统的使用功能，可以将其分为多个模块，包括主控模块、读卡器模块、通信模块等，主要功能框架如图4所示。

后台管理系统可以通过总线与下位机交流充电桩进行通信，从而达到对下位机交流充电桩实行统一监控和管理的目的。当启动充电桩软件时，主控程序能够根据系统的文件信息以及充电桩配置信息对通信模块进行加载。充电桩软件系统必须具备强大的处理能力，通过主控程序，能够完成所有模块的协调工作。另外，主控程序能够通过各个模块之间的通信工作，展示用户信息，采集实施数据，并对充电费用进行计算等，与此同时，主控程序的通信功能还能够将以上数据信息汇总，并提交至后台控制系统。通过通信模块，后台管理系统可以为下位机交流充电桩发送大量数据，并对其进行解析和相关处理，交流充电桩与后台管理软件通信流程如图5所示。

在进行人机交互模块设计时，在充电桩显示器上会显示出很多内容，界面形式多样，包括启动充电界面、停止充电界面等等。将人机交互模块与主控模块进行连接，能够获得控制命令，并完成对于各个界面的切换控制。

安全模块主要由读卡器、数据加密模块、数据解密模块以及密钥管理系统组成。其中，读卡器采用硬件加密技术，能够对用户卡与充电桩数据交互中的所有临时变量进行加密处理，在传递过程中也可以对具体的线路进行加密处理，能够确保相关信息数据的安全。而数据加密模块能够按照一定的加密形式，将用户信息进行加密处理并存储，数据解密模块能够将用户信息还原至原始数据，并供用户识别。最后，密钥管理系统能够提供密钥的生成机制以及加密算法。

3.3环境及电磁兼容设计

现阶段，电动汽车充电桩一般都是在室外环境下的，因此工作环境比较恶劣，容易受到天气的影响。另外，电动汽车充电桩属于充电设备，因此必须具备一定的抗电磁干扰能力，确保正常工作。

对于电动汽车充电桩的桩体结构，可以使用交叉覆盖的工艺，不仅能够提充电桩体的防护能力，而且有利于在工作状况下形成良好的空气流动，提高充电桩的散热能力。对于充电桩的主体材料，一般采用镀锌钢板，并且对其外表使用汽车烤漆工艺，能够提高其抗锈能力以及抗蚀能力。

在电动汽车元件选型中，对于所有的零部件，必须确保其达到工业级要求；对于充电桩电气设计，可以采用压敏电阻，磁环以及瞬变抑制二极管等，保证充电桩在恶劣的环境下也能够稳定工作。

4结语

综上所述，当前石油资源日益匮乏，环境污染越来越严重，具有环保、以电能为能源等优点的电动汽车必将成为未来汽车产业的主流。而充电桩是电动汽车产业链的重要组成部分，研究充电桩的设计对促进电动汽车产业的发展具有十分重要的意义。在设计过程中，设计人员要对各个设计环节进行分析，采取最优设计方案进行设计，从而保证充电桩的设计质量，促进电动汽车产业的健康发展。

参考文献：

[1]王旭，齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].机电工程.2014（03）

[2]张琳，任鸿秋，苏新.基于嵌入式Linux的电动汽车交流充电桩的设计[J].电气传动自动化.2013（01）