浅谈电动汽车充电桩绝缘智能化自检装置的设计与应用
安科瑞 陈聪
摘要：纯电动汽车的能量来源于动力电池，而作为二次电池其充电环节*不可少。新能源汽车产业近几年正在历经大变革、高速度发展，本该随之兴起的充电基础设施建设一直迟迟未跟随产业链的进展而加快提速。其中比较重要一项就是充电桩的漏电问题，目前，虽然我国在电动汽车充电桩上均有绝缘检测功能，但是针对其安全问题还未完善，就平衡电桥法、不平衡电桥法及直流法三种绝缘检测方式的优劣势进行了简单对比。从检测原理、注意事项等多个方面对绝缘监测装置进行了简单分析，并通过实践表明该装置可有效提升充电桩的安全性。
关键词：电动汽车；充电桩；绝缘检测
为了减少对环境的破坏，促进经济发展与环境安全，电动汽车作为我国未来汽车工业发展的目标，加强充电桩自我孤立的设计，可以有效提高我国资源的可持续发展，另一方面提高经济效率，实现我国“环境保护”这一基本国策。
电动汽车技术的发展使我国越来越多的专业人员对这一领域感兴趣。充电电池是电动汽车技术应用的一个重要和不可*少的组成部分，它已经被认为是其发展水平的一个重要和具有代表性的组成部分。我国的充电标准较低，特别是充电功率较低和速度较慢。电线杆是现代社会促进姿势的主要方向，因此它们在安全方面要求更高。在这方面，我国明确规定了直流电充电的规格，并建议进行必要的隔离试验，从而提高充电的安全性。
1充电桩系统的理解
通俗来说，所谓的充电系统包含了四个部分：电动汽车充电桩、网络集中器、电池管理模块、管理服务平台。鉴于四部分的要求，可依据以下四点分析：
安全性：充电安全性可以确保汽车本身以及工作人员的生命安全，这是主要的要素，借助安全性这一点，提高管理的便利性。
便捷性：此装置采用新智能管理系统，在充电时，用户和工作人员不需要过多地参与操作，即可完成汽车充电，具有很好的便捷性。
*回报：充电系统在给蓄电池充电时，一方面降低蓄电池充电的成本，其次提高电动汽车的运行效力，两者结合，是双赢的局面。
效率：此特征主要是通过高科技手段使得充电效率大大提高，通过这个环节，达到充电系统工作的征途效能，然后达到降低能源消耗的目的。
2绝缘检测方法
通常，直流系统并不会受接地点的影响而出现运行障碍的。但是，如果未及时发现故障点，则可能会在另一个接地故障点出现问题时引发重大事故。为确保直流系统运行的安全可靠性，在线检测直流系统的绝缘状况。一旦检测到接地故障或者发生此类故障时，要及时发出报警信息，向维修人员明确标示发生故障的分支点，减少因查找故障点所造成的维修延误，引发故障现象的发生。因此在对正负直流母线电压接地这一项工作检查时，用电压表来测量，并将其绝缘电阻计算出来，以便能够在电阻值低于设定标准时，能够及时
地向操作人员发出警报信息，同时可以自动化启动分支，用于对其故障地点进行检测。在本次研究中，主要以两种常见的母线绝缘电阻检测方式来进行分析，即平衡电桥法与不平衡电桥法，而在对去路绝缘电阻进行检测时，多会借助交流法与直流法。
3电动汽车充电桩绝缘检测的实现方案
本研究包括云端服务器、电动汽车充电桩漏电检测在线监控系统和客户端；云端服务器工作时，通过HTTP确保浏览器与客户端的联通，通过TCP确保充电桩漏电检测在线监控系统处于正常联通状态；电动汽车充电桩漏电检测在线监控系统包括充电桩漏电检测传感器、基于NB-IoT通信控制模块、协调器节点、嵌入式网关，充电桩漏电检测传感器上带有红外感应传感器，充电桩漏电检测传感器之间采用NB-IoT无线通信技术，将充电桩漏电检测传感器看作网络中的网络可用协调器节点，借助此节点实时收集网络报警节点信息，同时信息共享到网关，进而传输到远端的服务后台。
漏电检测的实现过程：
在本研究中，确保云端服务器上线是基于NB-IoT的通信控制模块完成，一旦确认成功连接状态，双方通过握手协议建立数据连接。
更进一步地，在本研究中，云端服务器为不同类型的连接提供不同的数据通信端口。
更进一步地，在本研究中，云端服务器构建为多用户接入模式，客户端登录系统时，需要确认身份，用户名和密码验证正确的情况下，允许进入系统，且需要一定登录权限，手机app登录时，也做了相应的设置，在用户名、密码核对无误的情况下，才允许进入系统，且需要相应权限。
更进一步地，在本研究中，设计了云端服务器的组群权限管理，此功能的增加，可以使得云端服务器在提升业务管理方面更加完善，使得业务信息、流程管理更清楚、更具有针对性。
在本研究中，漏电检测装置通过NB-IoT无线通信技术进行监测，每个报警器作为NB-IoT网络节点，WSN组网方式组合成一张实时连接的无线网络。方式将数据传输到DATA网络，该网络中包含了所有现场节点的报警信息。在此传输过程中，在完成协调器与嵌入式网关之间的数据信息共享时，首先由报警器节点信息汇聚到网关，后台用户查询和设置命令下发给系统网络以进行信息校验。嵌入式网关在实时报警和上传数据的作用也凸显重要层级，充电桩漏电检测装置产生的异常信息首先由NB-IoT模块监测并通过系统中的模块电路主板借助固定IP传输，数据传输到服务器后，按照服务器预先设定的报警阈值进行数据复核判断，完成报警信息的外发与推送。
电力公司运检部门的检修工作也因此得心应手，不需要现场巡视，借助网络联通服务器，查询本公司的资产设备编号即可确认监测装置目前所处的状态，如果发现有需要处理的警情，可通过短信方式通知相关运维人员，方能及时处理故障等。
本研究的工作原理：充电桩漏电检测传感器检测到漏电后，充电桩漏电检测装置加装的传感器感漏电流触发报警，这份报警信息将会由NB-IoT网络传输到内嵌网关终端，网关具有智能化功能，处理数据后，会显示报警设备的位置信息，位置信息也会通过NB-IoT发送至平台预设的该特定IP上，相关使用方可以借助服务器查询设备是否漏电。
该系统还设置了系统推送信息，NB-IoT模块通过互联网将消息发送给相应的维修单位，确保监管工作到位到人，使得设备稳定工作。
与当前技术相比，本设计具有如下有益效果：借助当前技术背景与现状，完成四个确保设计：确保充电桩漏电装置非法开启行为可追溯、报警信息可查询。确保报警依据后台能够查阅告警设备的位置信息。确保软件根据充电桩漏电检测装置编号和地图呈现对应状态。确保警情可以立即通知相关维护处理、补救等。
4安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案
4.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
4.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
4.3系统结构
系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
4.4安科瑞充电桩云平台系统功能
4.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
4.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。
4.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
4.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
4.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
4.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
4.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
4.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
4.5系统硬件配置
| 类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
| 安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |
| 安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 |
| 互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D |
| 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D |
| 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S |
| 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S |
| 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
| 10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电 |
| 2路智能插座 | ACX2A系列 |
| 2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电 |
| 20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列 |
| 20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电 |
| 落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |
| 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-ES |
| AIM-D100-ES系列直流绝缘监测仪可以应用在15~1500V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 绝缘监测仪 | AIM-D100-T |
| AIM-D100-T系列直流绝缘监测仪可以应用在10~1000V的直流系统中，用于在线监测直流不接地系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，发出预警或报警信号。 |
| 智能边缘计算网关 | ANet-2E4SM |
| 4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
| 扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | ||
| 扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G全网通 | ||
| 导轨式单相电表 | ADL200 |
| 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证 |
| 导轨式电能计量表 | ADL400 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证 |
| 无线计量仪表 | ADW300 |
| 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
| 导轨式直流电表 | DJSF1352-RN |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
| 面板直流电表 | PZ72L-DE |
| 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
| 电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D |
| 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 |
| 开口式电流互感器 | AKH-0.66/K |
| AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。 |
| 霍尔传感器 | AHKC |
| 霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。 |
| 智能剩余电流继电器 | ASJ |
| 该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。 |
5结束语
由上述内容可以得知，在对电动汽车的充电桩进行使用时，需要提前进行绝缘检测，以保证其应用的安全性。这便要求将绝缘检测装置控制模块融入到充电桩内，然后再进行充电操作，只有切实保证绝缘性能后，方可进入充电阶段，这样能够有效降低因充电桩质量问题而导致的电动汽车受损，或对操作人员人身安全所造成的威胁。
参考文献：
-
赵阳，殷玉朋，陈霞，单率，朱雅雯.电动汽车充电桩绝缘智能化自检装置的设计与应用
[2] 刘芳.企业档案管理中信息技术应用搞研究
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版