关于新能源汽车充电桩建设及优化分析

关于新能源汽车充电桩建设及优化分析

欧阳李亮

浙江大有实业有限公司杭州科技发展分公司 浙江 杭州 310051

摘要：电动汽车研究日益成熟，纯电动汽车在出租车和私家车中快速普及，汽车对应急充电的需求呈现持续增长的趋势。因此选择大功率直流充电桩对汽车进行充电便可满足临时、紧急、长途旅行的充电需求，缩短充电时间和减少车主等待的时间。大功率直流充电未来将具有很强的盈利能力，因此在对充电桩进行设计和建设时，必须要充分保证其质量。

关键词：新能源汽车；充电桩；建设及优化

1 新能源汽车充电设施简介

目前国内市场的新能源汽车充电设施是指为新能源汽车提供电能补给的相关设施的总称，分为自用、专用和公用充电基础设施三类。主要设备可分为非车载充电机（直流充电桩）与交流充电桩两类。其中直流充电桩是指固定安装在地面，将电网交流电能变换为直流电能，采用传导方式为电动汽车动力蓄电池充电的专用装置，使用特点：功率大，充电速度快。交流充电桩是指采用传导方式为具有车载充电机的电动汽车提供交流电源的专业供电装置，使用特点：功率低，充电速度慢、相对安全。

2 充电桩充电方法

2.1 传统充电法

a）恒流充电

采用比较恒定的电流对电动汽车进行充电，如果充电电流过大，则会对电池造成一定的伤害，降低其使用寿命。若充电的电流较小，则达不到快速充电的目的，并且随着充电时间的推进，会影响锂电池的使用寿命。

b）恒压充电

恒定的电压对动力电池进行充电，在充电前期，充电电流较大，电池会出现发热现象，对电池极板造成很大的伤害。充电后期，电池的端电压较高，电流逐渐减小，充电时间变长，如果充电的电压较大，则会对电池造成损坏。

c）脉冲充电

使用电流幅值的正脉冲对动力电池进行充电的，充电过程中存在着间歇，其大小由占空比确定。脉冲充电法虽然可以消除电池的极化现象，降低电池的充电时间，但能量转换率低，容易损坏电池，降低电池的使用寿命。

2.2 现代充电法

a）反射式充电

它是在脉冲充电的基础上进行了改进，引入了一个短暂的负脉冲，用以消除动力电池极化的现象。反射式充电法不仅可以降低电池析气量，还可以消除电池的极化现象。

b）三段式充电

在充电开始时，对动力电池进行恒流充电，采用恒流的方式可以提高充电效率，随着电压的不断上升，进入第二个充电阶段，即恒压充电阶段，在该阶段下，电压恒定，充电量不断增大，随着充电的进行，充电电流逐渐减小。

最后进行涓流充电，充电电流下降到低于涓流电流、充电电压降低到涓流电压后，涓流充电结束。

3系统硬件总体设计

3.1 系统总体框图

主控单片机、电源模块、通信模块和人机交互模块是构成直流充电桩最主要的四大模块。直流充电桩系统采用触摸屏显示器来方便用户进行触屏完成充电操作，同时还在充电枪头、电缆、设备金属外壳设计了安全检测电路。在紧急情况下，可以通过紧急停止开关切断系统的电源输出。IC卡用于校准用户信息，建立充电桩后台管理系统，统一管理用户信息。为了用户可以更好地利用电动汽车充电的这段时间，设计使用Html-web网关模块，使得用户可以在远离充电桩的地方通过不同操作系统平台的电脑、手机、平板等终端登陆充电桩网页查看充电情况。

3.2 最小系统设计

主控制单片机选择STM32F407ZGT6芯片，该芯片可满足电源模块、电表、射频卡、液晶触摸屏等模块的通讯需要。

3.3 电压采集电路

选择南京中旭公司生产的HNV025A电压传感器实时监测三相进线电压和直流输出电压。此电压传感器可节约充电桩成本，其供电电压在±22.5 V之间，输入额定电流在±10 mA之间，副边额定电流是±25 mA，具有响应迅速等优点。将采样电阻接入HNV025A电压传感器的一次侧，以此电压信号转换为电流信号，从而保证输入额定电流在规定范围内。

3.4 继电器驱动电路

选用MC1413芯片作为继电器控制模块的核心，该芯片供电电源为5 V，正常工作温度在-20℃至+85℃之间，有效保证继电器持续可靠工作。具体驱动电路如图5所示。

继电器采用较灵敏的G5-1型继电器，额定电流为30 mA，额定电压5 V。其触点可导通60 V直流电压，亦可流通125 V交流电压。继电器电路如图6所示。

3.5 绝缘检测电路

选择改进型乒乓式变电桥法，其原理是让电桥保持不平衡，通过计算判断是否出现漏电，从而解决直流漏电检测法与平衡电桥法出现的问题，使检测的灵敏性、设备的安全性大幅提高。

3.6 外围通讯电路

3.6.1 RS232通讯电路

STM32F407ZGT6单片机有两个RS232通信接口，控制芯片将CMOS电平转化为RS232电平和电能计量模块进行数据交互。

3.6.2 RS485通讯电路

为实现直流电表以及人机界面的通信，STM32F407ZGT6单片机通过MAX487芯片将CMOS电平转换为RS485电平。通过在主控单片机与MAX487芯片之间加装光耦器件来达到电气隔离的作用，提高了通讯的抗干扰性。RS485串口服务器每个端口均集成了一个120Ω电阻，所以A、B端口之间并联120Ω终接电阻。

3.6.3 CAN通信电路

为给CAN总线提供更多的接收、发送功能，设计采用MAX3050ASA接口芯片与32主控器连接。Pl.0端口经过GN137（光电耦合）后连接该芯片的“D”端，采集驱动输出数据。输入信号从Pl.0端口经过GN137（光电耦合）后连接该芯片的“R”端，接收数据。

4 新能源汽车充电桩建设优化措施

4.1 强化充电桩机体保护

为了防止外界因素对公共充电桩造成的损坏，需要采取一定的措施强化对充电桩机体的保护。充电桩可以效仿加油站的方式，在充电柱上方搭设凉棚，从而防止充电桩受到外力而出现损坏，避免安全事故的发生。

4.2 扩大充电桩建设规模

扩大充电桩需要避免盲目性，扩建之前需要对新能源汽车用户的需求进行分析，在此基础上确保充电桩的合理分布。停车场、居民区是充电桩重点建设的主要区域。并且要大力宣传、鼓励充电桩建设，通过提供技术帮助、简化审批手续等方式让更多的组织申请充电桩建设。

“十四五”规划中明确指出要完成至少1000万座充电桩建设，因此各地区可以选择结合新能源汽车用户调查结果的基础上，更进一步精确选择充电桩建设区域，在提升用户使用便捷性的同时还提升了充电桩服务的精准性，使更多的新能源汽车用户的充电需求得到满足。

4.4 统一充电桩充电速度

标准的直流充电桩充电速度为1min/4km，大部分新能源汽车的续航里程为300km，因此一台标准的直流充电柱充满一台300km新能源汽车需要持续1h，如果使用慢速充电桩，充满一台300km新能源汽车需要花费7-8h，很多情况下用户没有自主选择充电桩速度的条件，因此统一充电桩的充电速度对于提升用户体验具有重要意义。

对于现有的充电桩进行改造，就是将所有的慢速充电桩统一改为快速充电。从技术层面出发需要为慢速充电桩更换充电配件，这种改造方式具有较高的施工成本。因此从全局的角度出发决定将所有的充电桩一律改为标准充电桩，这样可以缓解大量的快速充电桩对电网造成的冲击，同时平稳的标准充电更有助于新能源汽车的保养。

结论

新能源汽车相比燃油汽车具有更高的环保意义，许多用户考虑到充电比燃油价格更低，因此选择使用新能源汽车。而实际上由于充电桩存在的诸多问题，导致新能源汽车后续使用过程中存在诸多麻烦，其中不同企业充电桩的收费、充电速度没有为用户带来理想的体验感。由此可见要推行新能源汽车大范围普及，就需要确保充电桩的质量与有效性。充电桩的优化需要充分结合用户的实际使用需求以及电网的状况，从而确保充电桩分布、收费的合理性，减少用户寻找充电桩时存在的麻烦，更是对我国新能源事业建设具有积极意义。

参考文献：

[1] 张渲;夏雯丽;姚瑶.“新基建+双碳”下的新能源充电桩发展趋势和应对策略[J]. 全国流通经济,2022(05)

[2] 朱国海.西部城市新能源汽车充电桩建设现状及建议[J]. 建设科技,2022(01)

[3] 陈湛清;金敏燕;王志威;姚朗泉;梁佩瑜.新能源汽车充电基础设施建设现状与发展问题研究——以湛江市为例[J].汽车实用技术,2021(20)