智慧城市网

安科瑞 陈聪

摘要：随着社会经济的不断发展和人们生活水平的提高，人们对环保、节能等问题越来越关注。新能源汽车作为一种新兴产业，具有*排放、低噪声、高效率以及便捷性等优点，但在其推广过程中面临一些困难，其中之一就是配套设施建设滞后带来的不便。提出一种基于直流变换器的电动汽车充电系统设计方案，旨在解决现有充电设备存在的诸多不足。

关键词：电动汽车；充电桩；电路

0引言

传统的交流充电方式存在体积大、效率低、安全隐患多等缺陷，因此开发一套先进、可靠且适用范围广的充电系统成为当务之急。文章旨在深入探究新能源汽车行业的发展趋势，力求探索出行之有效的解决方案，推动我国新能源汽车行业快速健康发展。

1电动汽车充电桩的总体方案设计

1.1充电桩的基本原理

充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端装有充电插头为电动汽车充电。人们可以使用特定的充电卡在充电桩提供的人机交互操作界面刷卡进行相应的充电操作和费用数据打印等。充电桩显示屏能显示充电量、费用以及充电时间等数据。

充电桩是一种将电能转换为其他形式或直接存储在电网中供用户使用的设备。它由电源、控制电路和相应的电子元器件组成，具有安全可靠、高效节能等优点。首先，通过交流输入端口对车载电池进行充电；其次，经过整流滤波后进入直流/交流逆变环节，再经过开关管变换器得到高频交流信号；再次，高压线圈产生磁场，从而使磁铁产生感应电流，驱动电机转动发电机旋转；最后，通过低压输出端连接到车辆上的电缆接头完成充电工作。充电模块主要包括前级全桥主拓扑结构和后级半桥子拓扑结构2种类型。前者采用高频变压器隔离输入端与输出端，实现高精度的电压电流转换功能；后者利用功率开关管完成能量流动方向上的切换，从而达到调节输出电压的目的。

充电桩的工作方式可以分为快速充电和慢速充电。快速充电是指在短时间内将大量能量注入电池组，以达到快速充满的目的；慢速充电则是指长时间缓慢充放电，以保证电池寿命并避免过快充放电引起的损坏。此外，充电桩可以根据不同的车型和需求选择不同的充电速度和功率等级。

1.2充电桩的主要技术参数

在电动汽车充电桩设计中，主要的技术参数包括功率输出、电压等级、电流等级和插座类型等。其中，功率输出是影响充电速度的重要因素，通常以千瓦为单位。目前，市场上常见的电力规格有220V/30A、380V/60A、480V/120A等。不同规格适用于不同的车型及充电需求。另外，电压等级是一个重要指标，决定了充电效率和安全性。一般而言，低压直流电能传输比高压直流电能传输更加安全可靠，因此采用240V/100A或480V/80A电压等级较为合适。此外，需要考虑电流等级，因为高流量充电会导致过热等问题。一般来说，电流等级应与电源容量相匹配。插座类型的选取也非常重要。常用的插头种类有3种，分别为中国标准双针插孔、欧洲标准三针插孔以及美国标准四针插孔。其中，中国标准双针插孔插口使用*广泛，适合于大多数电动车型号使用。

充电桩采用先进的电力电子器件作为主要控制元件，对电池组进行恒流限压浮充控制，并且可以自动识别电池类型，提供相应的充电服务。该充电桩不仅结构紧凑合理、可靠性高、使用寿命长，而且具有智能化程度高、节能环保等优点，是一种性能优良、适用广泛的电动汽车充电设备。

1.3充电桩的总体设计方案

电动汽车充电桩主要由前级电路、功率因数校正电路和后级全桥逆变器组成。其中：前级电路采用三相不可控整流电路对电网进行高效转换；功率因数校正电路通过控制绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）导通与截止时间实现输出电压电流波形质量的调节，提高输入交流电源的电能利用效率，并消除谐波污染；后级全桥逆变器将直流电源转换为高频交流电源供给电动汽车电池组充电。

前级电路。该部分包括三相不可控整流电路和滤波电容两个重要部件。实际应用中，需要根据不同规格型号的电动汽车选择相应的元器件，以确保其性能稳定可靠。同时，需合理选取滤波电容，以有效滤除输入端的干扰噪声和防止浪涌电流对设备造成损害。此外，通过加入适当的滤波电路，解决电动汽车充电过程中产生的大量谐波问题。

功率因数校正电路。该部分是保证输出电压电流波形质量的核心。通常情况下，采用功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）变换器作为主要拓扑结构，通过改变IGBT的导通与截止时间来调整输出电压电流波形，使得其总谐波畸变率尽可能小，同时可以通过反馈控制算法进一步优化功率因数，减少不必要的能源浪费。

后级全桥逆变器。该部分负责将直流电源转换成高频交流电源，供给电动汽车电池组充电。一般情况下，采用双极性倍频正弦脉宽调制（SinusoidalPulse-WidthModulation，SPWM）能够获得更好的正弦波输出效果。另外，需注意控制IGBT模块的导通与截止时间，避免出现过流或过热现象而影响设备的使用寿命。

1.4充电桩的工作流程

新型电动汽车充电桩的工作流程主要包括6个环节，如图1所示。第一，用户注册和认证。在使用充电桩前，需要进行用户注册和身份认证，可以通过手机App或现场人员人工操作完成，确保只有合法的用户使用充电桩。第二，充电桩设备连接。充电桩设备需要与车辆进行连接，以实现对车辆的充电功能。第三，充电桩控制系统监控。充电桩控制系统的主要作用是监测电池状态、温度、电压等，并及时反馈给操作员。第四，充电结束及结算。当车辆充电完毕后，充电桩会自动关闭电源开关，同时向车主收取相应的费用。第五，故障处理。如果充电桩出现故障或者异常情况，需要采取措施解决问题。第六，维护保养。为保证充电桩正常工作，需要定期对其进行维护保养。

整个充电过程无须人员干预，实现了无人化管理和智能控制。此外，充电桩具备过载保护、短路保护以及漏电保护等多重安全保障措施，确保设备使用的可靠性与安全性。

2电动汽车充电桩的硬件设计及软件设计

2.1充电桩的拓扑结构

电动汽车充电桩的拓扑结构的主要作用是将电源和负载连接起来，实现对车辆进行充电或供电的功能。目前，市场上常见的充电桩拓扑结构主要有串联型、并联型和混合型3种。其中，串联型是*常用的一种，基本原理是在多个电池组之间串接电容来形成一个电压梯度，从而对车辆进行充电。并联型则通过在多个电池组之间的连接来提高电流输出能力，适用于需要快速充放电的情况。混合型是将两者结合，既可以增加电流输出能力，又可以减少电压梯度的大小。实际应用中，选择合适的拓扑结构对于充电桩性能的影响很大。除了拓扑结构的选择外，充电桩需要考虑功率密度问题。由于电力系统的稳定性受到限制，充电桩的输入功率不能超过系统容量的最大值。为了保证充电效率和安全性，充电桩的输出功率也应该控制在一个合理的范围。

2.2充电桩的硬件设计

在进行充电桩硬件设计时，需要考虑其功能需求和性能指标。设计采用一种基于单片机控制的直流变换器来实现对电池组的快速、高效充放电。该系统主要由主控模块、功率开关管模块、电流检测模块、电压检测模块以及辅助电源等组成，如图2所示。其中：主控模块是整个充电桩的核心部分，负责接收来自用户端发送的指令，并通过程序算法完成对各个模块的控制；功率开关管模块用于控制电路中的高压元器件如IGBT或金氧半场效晶体管（Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET），以达到调节输出电压与电流的目的；电流检测模块用于实时监测输入交流电网的电流大小，从而保证设备安全运行；电压检测模块用于监测充电桩内部各支路的电压情况，确保设备能够正常工作；辅助电源为整个充电桩提供所需的电能。

图2充电桩的硬件系统

当用户将车辆连接充电桩后，操作人员只需按下相应的按键即可启动充电流程。此时，主控模块会自动搜索附近可用的插座并选择最佳的接入方式。功率开关管模块开始工作，将直流电转换成交流电供给负载使用。电流检测模块也会同步开始工作，实时监测充电过程中产生的电流变化情况。如果发现异常情况，如某个模块出现故障或者某条线路存在短路现象，将会立即切断所有电源并发出警报提示。此外，配备有专门的保护电路，可以有效避免过压、欠压、过流等问题导致设备损坏。

本次设计的电动汽车充电桩具有结构简单、可靠性高、效率高等优点，适用于各种场合下的电动车辆充电需求。

2.3充电桩的软件设计

在对充电桩进行软件设计时，为保证用户信息不泄露，采用控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）总线通信方式实现与上位机之间的数据传输，同时设置相应的权限管理机制，确保只有授权人员才能够访问相关的参数和文件。此外，需加入异常处理功能，当出现系统故障或其他异常情况时能够及时切断电源并报警提示。

主程序模块负责整个充电过程中各个环节的控制、调度以及状态监测等工作。通过不断检测电池电压、电流、功率等各项指标，判断当前充电进程是否正常。如果发现存在问题，则会立即采取措施予以解决。通信协议模块用于实现CAN总线与其他设备之间的数据交换。由于不同型号的电动汽车使用的接口标准可能不一致，需要针对不同车辆开发特定的通信协议，以满足实际需求。数据处理模块负责对接收的各类传感器数据进行滤波、去噪、修正等预处理操作，然后将处理后的数据上传至上位机进行进一步分析和处理。人机交互界面模块提供给用户一个友好、直观的操作界面，方便用户进行各种参数配置和状态查询，同时支持手动控制和自动控制两种模式，可根据用户需求自由切换。

2.4电动汽车充电桩通信协议

为实现电动汽车与充电站之间的通信和控制，需要采用一种高效且可靠的数据传输方式。目前，市场上常用的通信协议有ZigBee和Wi-Fi。ZigBee是一种低功耗无线网络技术，适用于小型设备间的短距离通信；Wi-Fi则是基于IEEE802.1x标准的无线局域网技术，具有更高的数据速率和更远的覆盖范围。2种协议各有优缺点，应考虑实际应用场景和需求进行选择。文章选择采用Wi-Fi作为电动汽车充电桩的通信协议。Wi-Fi通信协议的特点是支持高速数据传输，同时具备较强的安全性能。在电动汽车充电桩的应用中，它可以提供更快的数据传输速度和更加安全的信息交换环境。此外，Wi-Fi具有良好的兼容性，可以在不同品牌的车辆上使用。因此，Wi-Fi为电动汽车充电桩的通信协议提供了更好的解决方案。

3安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

3.1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。

3.2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。

3.3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。

3.4安科瑞充电桩云平台系统功能

3.4.1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。

3.4.2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。

3.4.3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。

3.4.4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。

3.4.5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。

3.4.6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。3.4.7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

3.4.8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。

3.5系统硬件配置

4结论

主要分析现有的电动汽车充电设施，并提出一种基于直流变换器和电池管理系统相结合的充电方式。该充电方式具有高效、安全、可靠等优点，能够满足用户快速便捷地完成充电过程的需求。设计中还考虑了未来新能源汽车市场发展趋势及相关政策要求，可为今后电动汽车充电设备的研发提供参考。

参考文献：

[1]梁月锋.共生视角下公共充电桩多元利益主体协调机制研究[J].湖北文理学院学报，2022，43（8）：74-80.

[2]洪机剑，刘兵，卢焕青.新能源汽车充电桩用绝缘材料应用研究进展[J].绝缘材料，2018，

51（11）：21-24.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

[4]吴 琦，龚文豪.新型电动汽车充电桩的技术方案研究