浅谈电动汽车智能充电桩的设计分析
摘要：目前环境问题日益严重，资源也严重短缺，节能减排的实行至关重要。电动汽车的使用在很大程度上减少了废气的排放，节约了能源。电动汽车发动机的动力来源是电力，所以，电动汽车的充电问题是非常重要的。本文以运营型32KW交流充电桩项目为例，对充电桩的连接方式、接口设计、通信延迟丢包等问题进行分析，探索电动汽车智能充电桩的设计，更好的为电动汽车提供电力，对环境起到更好的保护作用。
关键词：电动汽车；智能充电桩；设计分析
引言
随着环境问题的日益严峻和能源的匮乏，节能减排的重要性也突显出来。电动汽车的推行在很大程度上可以保护环境，减少能源的消耗。电动汽车的动力来源是电力，所以电动汽车的充电是主要问题，为了更好的保证电动汽车的充电，智能充电桩的设计至关重要。随着电动汽车越来越广泛的应用，市场对智能充电桩的要求也相对更高，与传统的充电桩相比，智能充电桩在节能方面做的更好，减少了能源的消耗，更好的实现了节能减排的目的。
一、智能充电桩设计要求
1、智能充电桩的设计原则
1.1安全性
安全在任何时候都是排在前面，在设计电动汽车智能充电桩的时候，一定要考虑到安全问题。在智能充电桩给电动汽车充电的过程中，一定要保证安全，包括充电桩本身的安全、蓄电池的安全、工作人员的安全等。
1.2便捷性与效率高性
智能充电桩一定具备的一个性能就是智能，在设计智能充电桩的时候，一定要尽可能的减少人工的操作，让用户在使用的过程中更加便捷。同时，在设计智能充电桩的时候一定要考虑到效率高性，在设计智能充电桩的时候一定要注意充电桩的充电速度，保证充电的效率高，让充电桩的工作效率提高。
1.3成本低
智能充电桩的设计中成本问题是一个重要问题，在设计智能充电桩的时候在保证智能充电桩安全、便捷以及效率高的同时要考虑成本，较大程度的降低智能充电桩的成本，实现低成本效率高果的目标。
2、智能充电桩的硬件系统要求
对于智能充电桩来说，它的工作环境比较恶劣，我国的南北温差比较大，自然环境也比较复杂，再加上智能充电桩的工作环境中还有强电磁，这些都让智能充电桩的设计有很大的难度。在设计智能充电桩的时候，要考虑到以下两点：(1)要综合考虑内外部的结构，适应各种天气，在设计智能充电桩的时候，要注意充电桩的外部结构是否封闭，以防雨水、血水等进入到桩内，造成智能充电桩出现系统故障等，内部的空气流动也要良好，有效的散热，避免智能充电桩在运行过程中因为散热不好而出现故障，智能充电桩的硬件系统还需要适应各类的气候环境，保证智能充电桩在不同的环境中都可以正常运行。(2)提高智能充电桩的抗电磁干扰，在智能充电桩工作的环境中有很多的电磁干扰，对于电磁干扰主要就是各种电磁感应对信号传输造成扰乱的情况。
3、智能充电桩的软件系统功能目标
对于智能充电桩的软件系统的功能目标，主要如下：(1)操作界面一定要简单清晰，并且具有人性化。(2)充电管理一定要安全可靠。(3)具备多种服务模式，可以计时、计金额来进行充电。(4)计费管理和用电统计一定要准确。(5)通讯接口要丰富。第六，消费凭证的打印要标准。
从以上这些智能充电桩的软件系统功能目标可以看出来，智能充电桩终端控制器要具备效率高的数据采集、数据传输以及数据处理能力。为了给客户带来更加方便快捷的服务，需要实现传输速度快、模块稳定、读卡的敏捷度高等功能，实现充电的时候按时间、按金额、按电度，刷卡，扣费更加准确，数据传输更加快速 。
二、电动汽车智能充电桩的设计应用分析
根据市场与公司运营需要，我司需设计一款能够在满足电动汽车交流充电桩标准的前提下，具备联网控制、在线计费、在线监控的产品。笔者作为项目的研发经理，主要负责项目的硬件电气部分设计、嵌入硬件部分设计、嵌入式软件部分设计。
1、连接方式
在智能充电桩设计中，其连接方式主要是充电桩标配充电枪和充电桩标配充电枪座。对于充电桩标配充电枪来说，用户使用的时候更加方便，但是充电桩标配充电枪中配有电线缆，电线缆容易损坏而且还容易被一些不法分子破坏或者偷盗。对于充电桩标配充电枪座来说，需要设计防雨部分，而且还要牺牲一部分的用户体验。综合考虑，在本项目中所使用的连接方式是充电桩标配充电枪座。
2、接口设计
在智能充电桩设计中，因为是初次使用互联网通信，所以在选择接口的时候有很大的问题。智能充电桩通过有线方式“以太网”集中，然后通过宽带接入 GPRS 通信或者互联网，在选择接口的时候要综合考虑。有线方式“以太网”集中宽带高、稳定性好、延迟低，但是所涉及的路由器、宽带猫、交换机中的任何一个环节出现问题都会让整个集中区域内的网络都瘫痪。对于 GPRS 通信来说，它的宽带较低、稳定性较低、延迟比较高，但是它的每一台都是独立的，即便其中的某一台出现故障的时候，对其他的设备不会造成影响。对此，本项目选用的接口是标配 GPRS 通信。GPRS 通信虽然在宽带、稳定性、延迟方面略有不足，但是 GPRS 通信可以让每一台智能充电桩都独立起来，其中某一台智能充电桩出现问题的时候对其他的智能充电桩不会有影响，可以给用户带来更好的服务，保证服务质量。
3、通信延迟丢包问题处理
在智能充电桩的设计中，要考虑到通信延迟、丢包等问题，这些问题会导致智能充电桩中的关键数据出现不完整的情况，关键数据主要是指在智能充电桩中用户的结算信息。在本项目中，初次测试的时候结算方式采用的是单独推送的形式，在测试过程中发现，一旦出现断网的情况或者数据在传输过程中有不完整的情况，就会遗失所传输的记录，出现无法扣费的现象。后期在测试的时候采用了多次传输同时增加充电前的网络验证，在测试中采用多次传输的同时增加充电前的网络验证可以有效的避免通信延迟、丢包的问题，让传输记录保持完整，给用户带来更好的服务，让智能充电桩的设计更加科学合理。
三、安科瑞充电桩运营管理平台
1、系统架构
安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表
用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
微信小程序：扫码充电，账单支付等功能
数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
2、平台功能
2.1平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
2.2平台首页
平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
2.3实时监控
l 充电站监控
充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。
l 充电枪监控
充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。
2.4微信小程序
l 搜索与使用
微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示
l 授权登录界面
用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：
l 主功能页
初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。
l 充电
扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。
l 个人信息
个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能
3、硬件配置
3.1平台服务器：建议按照我方配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）
若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
3.2现场硬件配置清单：
四、安科瑞限流式保护器的介绍与选型
1、限流式保护器的设计
电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等当弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，保障使用场所人员和财产的安全。
安科瑞ASCP200-1电气防火限流式保护器的主要元件是固态开关，不同于传统家用的空气开关（微断）。我们知道，传统空气开关的断开是一种机械运动过程，分断时间需要几十毫秒(一般30～50ms)，带负载断开时通常伴随有电弧的产生。而固态开关的断开则是依靠半导体内部的载流子运动实现，分断时间微秒级，速度快，无电弧产生。
如图1所示，当发生短路故障时，传统空气开关在电流升至C点时才能动作，且无法瞬时切断电流，而固态开关则可以在电流升至B点时即瞬间切断短路电流。
图1短路故障前后电流与时间关系图
从流过电阻的电流热量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，传统空气开关与固态开关在短路时所释放的能量差别可以达到数千倍之多。因此当装配限流式保护器的回路发生短路故障时，就可以避免电弧的产生，从而有效降低了电气火灾。
2、ASCP200-1功能特点
ASCP200-1型电气防火限流式保护器是单相限流式保护器，较大额定电流为63A。主要功能如下：
A）短路保护功能，线路发生短路故障时，能在150微秒内实现快速限流保护；
B）过载保护功能，线路持续过载时，保护器限流保护；
C）表内超温保护功能，保护器内部器件工作温度过高时，保护器限流保护；
D）过/欠压保护功能，线路欠压或过压时，保护器告警或限流保护（可设）；
E）电缆温度监测功能，被测线缆温度超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；
F）漏电流监测功能，线路漏电超过报警设定值时，保护器告警或限流保护（可设）；
G）通讯功能，保护器配置1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到安科瑞Acrel-6000安全云平台，或第三方监控软件或平台，从而实现远程监控。
3、ASCP200-1技术参数
4、应用方案图示
ASCP200-1型电气防火限流式保护器建议安装在入户开关下端，额定电流值根据入户开关的具体规格进行设置，典型应用示意图如图2所示：
图2ASCP200-1家用防火解决方案安装示意图
5、使用注意事项
在选用限流式保护器时，限流式保护器的设定的额定电流应该与其前上级的断路器的额定电流保持一致。例如，当限流式保护器输入端断路器的额定电流为32A时，应将限流式保护器的额定电流设置为32A。为保障限流式保护器的正常使用，严禁将其使用于与其前端断路器的额定电流不匹配的配电线路中。
ASCP200系列采用限流式保护器采用壁挂式安装，可以挂墙安装，也可以安装在箱体内，应确保安装场所无滴水、腐蚀性化学气体和沉淀物质，并注意环境温度和通风散热。
为确保可靠连接，接线时应按接线图进行，同时为了防止接头处接触电阻过大而导致局部过热，也避免因接触不良而导致保护器工作不正常，线头应采用合适大小的U形冷压头压接后，再插入保护器相应端子上并将螺钉拧紧压实。
保护器内部带有交流电，严禁非专业人士擅自打开产品外壳。保护器在使用期间，若被保护线路发生短路或过载故障而被限流保护时，保护器仍处于带电状态，不允许随意碰触用电线路的金属部分。待检查线路，并排除故障后，长按保护器的复位按键约2秒钟，使保护器恢复正常运行时。
当保护器因超温而发生限流保护时，则可能是因为负载电流过大，环境温度过高或通风散热不良等原因导致，可通过加强通风等措施，等保护器温度降下来后，再长按复位键，使保护器复位，恢复正常运行。
五、结束语
综上所述，可以看出来，在电动汽车智能充电桩的设计中，要考虑的因素较多，设计要求也更加高，对智能充电桩的要求也比较严格，因此在设计智能充电桩的时候，需要对智能充电桩的连接方式、接口设计、问题处理等都要进行科学合理的选择，让智能充电桩的设计可以更好的服务于客户。
参考文献
[1] 郝大庆.电动汽车智能充电桩的设计分析.
[2] 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.
[3] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版