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淺析智能電動(dòng)汽車(chē)充電樁的設計與應用分析

更新時(shí)間:2023-06-13      瀏覽次數:445

胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要:智能電動(dòng)汽車(chē)的誕生,在很大程度上緩解了我國環(huán)境由于汽油型汽車(chē)的大量使用所不得不承擔的空氣污染、能源耗竭的問(wèn)題。而推動(dòng)電動(dòng)車(chē)運行的內在動(dòng)力,來(lái)自于其智能充電樁。因此,本文就這一智能電動(dòng)車(chē)重的要部位——充電樁的設計要點(diǎn)及其在現實(shí)當中的應用進(jìn)行深入探討,希望能夠以此來(lái)推進(jìn)我國智能電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的進(jìn)步。關(guān)鍵詞:智能電動(dòng)汽車(chē);充電樁;設計;應用;節能環(huán)保  

一、淺析智能充電樁的使用意義

        智能化的電動(dòng)汽車(chē)之所以能夠在這個(gè)時(shí)代受到普遍化的歡迎,一方面是因為人們對于汽車(chē)環(huán)保性能的重視程度的逐步提高,另一方面,也是因為這種類(lèi)型的汽車(chē)本身在使用過(guò)程當中所制造出來(lái)的噪音較小,同時(shí)其相比于傳統的汽車(chē),幾乎不會(huì )產(chǎn)生任何的尾氣。

二、淺析智能電動(dòng)汽車(chē)充電樁的整體設計

1、淺析充電樁的設計原則

(1)安全性的原則

        智能充電樁的設計,有一個(gè)不容忽視的原則——安全性原則。汽車(chē)的使用包含了許多潛在的不安全因素,尤其是對于配置了充電樁的智能電動(dòng)汽車(chē)而言,不管是充電過(guò)程的安全性還是用電過(guò)程的安全性,都是需要進(jìn)行把控的、不容小覷的重要內容。因此,充電樁的設計人員需要首先將汽車(chē)使用人員的安全置于其設計該充電樁時(shí)參考要素當中的重要位置。

(2)便捷性原則

        智能充電樁顧名思義,其智能化是重要的使用優(yōu)勢。相應的,在智能化的操控下,其使用過(guò)程的便利性程度也會(huì )獲得相應的提高。如此一來(lái),就能為其使用者提供許多操作上的便利,使其傾向于使用智能電動(dòng)汽車(chē)。

(3)效率高的原則

        智能充電樁需要在其充電效率方面形成優(yōu)于傳統汽車(chē)的優(yōu)勢,如此一來(lái)才能夠吸引更多的消費者選擇這一類(lèi)型的汽車(chē)作為代步工具。

2、硬件系統設計分析

 

        在我國進(jìn)行設計以及投入使用的智能電動(dòng)汽車(chē),需要立足于我國的氣候條件和環(huán)境基礎,才能夠設計出較能夠滿(mǎn)足我國消費者使用需求的汽車(chē)[2]。因此,設計員在對其硬件系統進(jìn)行設計的時(shí)候,就需要考慮我國南北不同地區的使用者所在的環(huán)境之間存在的較大的溫度差異。除此之外,還需要考慮這一充電樁的工作環(huán)境,往往是在電磁強度較高的背景下。因此,其硬件條件需要能夠適應于周?chē)暧^(guān)環(huán)境及微觀(guān)環(huán)境的需求。以下將詳細闡述其硬件系統的設計方法。

圖1智能充電樁的硬件組成圖

        智能充電樁的硬件系統結構如圖1所呈現的,其中較為重要的部分,分別是“三大單元"——其一是總控單元,其二是顯示單元,其三是監控單元??偪貑卧鳛檎麄€(gè)系統得以運行的核心技術(shù)支持,其所負責的內容可以分為四大部分,按照充電過(guò)程的順序,可以分為啟動(dòng)控制、運行控制、關(guān)閉控制以及在其過(guò)程當中的穿插的監控部分。除了以上功能之外,這一總控單元還需要負責隨時(shí)隨地地向其后臺傳輸相應的數據。而其顯示單元這一部位,同樣由四個(gè)部分構成,顯示部分一般來(lái)說(shuō),采用的都是LCD型號的顯示器,其擁有較為清晰的顯示功能,在和觸摸屏相互結合之后,可以將其中的具體操作途徑直觀(guān)地呈現在用戶(hù)的面前,以供其進(jìn)行選擇。其次是指示燈,其存在的主要作用,是為了提示用戶(hù),充電樁處于何種狀態(tài)當中。當指示燈轉變?yōu)榫G色的時(shí)候,說(shuō)明其已完成自身的充電過(guò)程。較后,監控單元所承擔的較主要責任,是保障這一充電過(guò)程的安全性。其工作流程如下:當模擬量數據得到采集之后,這一單元就會(huì )以較快的速度,將其傳輸給接下來(lái)的開(kāi)關(guān)量單元,這一單元在對用戶(hù)的充電量需求的大小進(jìn)行判斷之后,就會(huì )為用戶(hù)提供充電服務(wù)。由于以上單元的運行始終處于智能環(huán)境當中,因此其異常情況往往可以在出現的時(shí)候就得到處理,這就在很大程度上保障了其自身的安全度。

3、軟件系統的設計目標

        軟件系統設計的科學(xué)度,同樣是會(huì )對整個(gè)智能電動(dòng)汽車(chē)的運行產(chǎn)生影響的重要方面。而根據經(jīng)驗與理論的啟示,我們認為充電樁的軟件系統設計,需要滿(mǎn)足以下的目標。首先,為了體現其智能化的優(yōu)勢,需要將其操作頁(yè)面設計得更為簡(jiǎn)潔清晰,讓車(chē)主一眼就能夠了解其操作原理,從而杜絕由于車(chē)主的不當操作所引起的安全事故的發(fā)生。其次,其對于充電過(guò)程的管理能力需要獲得不斷的提升,使其安全度得以獲得有力的保障[3]。再者,在其中引入能夠較大地便利于車(chē)主的計時(shí)服務(wù)、計電服務(wù)等等,幫助其明確自身的用電量。除此之外,這一軟件系統,還需要能夠為車(chē)主提供相應的消費憑證打印服務(wù),借助這一標準化的服務(wù),車(chē)主能夠在更高的程度上,對這一類(lèi)型的汽車(chē)產(chǎn)生由衷的認可。

        除了以上的總體設計方式之外,在正式將這一充電樁投入使用之前,還需要對其進(jìn)行相應的應用測試[2]。測試內容一般包括如下幾個(gè)部分,其一是性能測試,也就是在其投入使用之前,為其充電狀況進(jìn)行測試,包括余額的顯示情況和充電速度等等。其二是承壓性測試,其主要內容是測試這一智能充電樁充滿(mǎn)電之后,在壓力較大的情況下,是否能夠具備相應的安全水平。

三、安科瑞充電樁運營(yíng)管理平臺

 

1、系統架構

        安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地數據采集和監控,同時(shí)對各類(lèi)故障如充電機過(guò)溫保護、充電機輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預警;而用戶(hù)通過(guò)微信小程序掃描二維碼,進(jìn)行支付后,系統發(fā)起充電請求,控制二維碼對應的充電樁完成電動(dòng)汽車(chē)的充電過(guò)程。

        充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng),配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù),基于TCP/IP的數據交互協(xié)議,與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營(yíng)的所有功能,具體功能如下:

資源管理:充電站檔案管理,充電樁檔案管理,用戶(hù)檔案管理,充電樁運行監測,充電樁異常交易監測。

交易結算:充電價(jià)格策略管理,預收費管理,賬單管理,營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶(hù)管理:用戶(hù)注冊,用戶(hù)登錄,用戶(hù)帳戶(hù)管理,消息管理

充電服務(wù):充電設施搜索,充電設施查看,地圖尋址,在線(xiàn)自助支付充電,充電結算,導航等

微信小程序:掃碼充電,賬單支付等功能

數據服務(wù):數據采集,短信提醒,數據存儲和解析

變壓器監控:監控充電站變壓器負荷,每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表,超負荷時(shí)系統自動(dòng)對充電樁的進(jìn)行調度管理,即當負荷超過(guò)百分之五十時(shí),系統會(huì )限制新增開(kāi)始充電的充電樁的功率,降為百分之五十,當變壓器負荷超過(guò)百分之八十時(shí),系統將不允許新增充電樁開(kāi)始充電,直到負荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開(kāi)云平臺鏈接、輸入賬戶(hù)名和權限密碼,進(jìn)行登錄,防止未授權人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁(yè)

        平臺首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng),累計的開(kāi)戶(hù)數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時(shí)長(cháng),以及相應的環(huán)比增長(cháng)和同比增長(cháng)以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

2.3實(shí)時(shí)監控

l充電站監控

充電站監控頁(yè)面監視用戶(hù)充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等,匯總了用戶(hù)擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時(shí)長(cháng),進(jìn)行負荷限制、故障查詢(xún)。

  • 充電槍監控

充電樁監控頁(yè)面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時(shí)長(cháng)和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時(shí)長(cháng)等、充電電壓電流等參數。

2.4微信小程序

  • 搜索與使用

微信小程序可以通過(guò)掃描二維碼和微信文字搜索找到,點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表,如下圖所示

l授權登錄界面

用戶(hù)通過(guò)搜索或者掃碼等途徑初次打開(kāi)小程序時(shí),會(huì )進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面,需要用戶(hù)授權登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面,如圖所示:

  • 主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)需要授權定位才可以使用地圖相關(guān)功能,在地圖上查看到當前所在區域的充電站,查看充電站信息,可以進(jìn)行掃碼充電操作,地圖導航等。

  • 充電

掃描充電槍上的二維碼,如果當前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁(yè)面,可以查看到當前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng),以及當前的賬戶(hù)余額,電價(jià)和預計可充電量等數據,還可以查看當前賬戶(hù)的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進(jìn)進(jìn)行評價(jià)。

  • 個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱(chēng)和余額,同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢(xún)、賬單查詢(xún)、充電記錄查詢(xún)、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)器:建議按照我方推薦配置購買(mǎi),或者客戶(hù)自己租用阿里云資源。

推薦硬件配置清單:(如申請阿里云可忽略)

若客戶(hù)自己租用阿里云服務(wù)器,服務(wù)器配置根據充電槍點(diǎn)數的不同,分別如下:

3.2現場(chǎng)推薦硬件配置清單:

四、安科瑞限流式保護器的介紹與選型

1、限流式保護器的設計

        電氣防火限流式保護器可有效克服傳統斷路器、空氣開(kāi)關(guān)和監控設備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(cháng)、短路時(shí)產(chǎn)生的電弧火花大,以及使用壽命短等當弊端,發(fā)生短路故障時(shí),能以微秒級速度快速限制短路電流以實(shí)現滅弧保護,從而能顯著(zhù)減少電氣火災事故,保障使用場(chǎng)所人員和財產(chǎn)的安全。

        安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態(tài)開(kāi)關(guān),不同于傳統家用的空氣開(kāi)關(guān)(微斷)。我們知道,傳統空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機械運動(dòng)過(guò)程,分斷時(shí)間需要幾十毫秒(一般30~50ms),帶負載斷開(kāi)時(shí)通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)則是依靠半導體內部的載流子運動(dòng)實(shí)現,分斷時(shí)間微秒級,速度快,無(wú)電弧產(chǎn)生。

        如圖1所示,當發(fā)生短路故障時(shí),傳統空氣開(kāi)關(guān)在電流升至C點(diǎn)時(shí)才能動(dòng)作,且無(wú)法瞬時(shí)切斷電流,而固態(tài)開(kāi)關(guān)則可以在電流升至B點(diǎn)時(shí)即瞬間切斷短路電流。

1短路故障前后電流與時(shí)間關(guān)系圖


從流過(guò)電阻的電流熱量公式Q=I2Rt,可以很容易看出,傳統空氣開(kāi)關(guān)與固態(tài)開(kāi)關(guān)在短路時(shí)所釋放的能量差別可以達到數千倍之多。因此當裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時(shí),就可以避免電弧的產(chǎn)生,從而有效降低了電氣火災。

2、ASCP200-1功能特點(diǎn)

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器,較大額定電流為63A。主要功能如下:

A)短路保護功能,線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí),能在150微秒內實(shí)現快速限流保護;

B)過(guò)載保護功能,線(xiàn)路持續過(guò)載時(shí),保護器限流保護;

C)表內超溫保護功能,保護器內部器件工作溫度過(guò)高時(shí),保護器限流保護;

D)過(guò)/欠壓保護功能,線(xiàn)路欠壓或過(guò)壓時(shí),保護器告警或限流保護(可設);

E)電纜溫度監測功能,被測線(xiàn)纜溫度超過(guò)報警設定值時(shí),保護器告警或限流保護(可設);

F)漏電流監測功能,線(xiàn)路漏電超過(guò)報警設定值時(shí),保護器告警或限流保護(可設);

G)通訊功能,保護器配置1路RS485接口,1路2G無(wú)線(xiàn)通訊,可以將數據發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺,或第三方監控軟件或平臺,從而實(shí)現遠程監控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數

4、應用方案圖示

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶(hù)開(kāi)關(guān)下端,額定電流值根據入戶(hù)開(kāi)關(guān)的具體規格進(jìn)行設置,典型應用示意圖如圖2所示:

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項

        在選用限流式保護器時(shí),限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如,當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時(shí),應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用,嚴禁將其使用于與其前端斷路器的額定電流不匹配的配電線(xiàn)路中。

        ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝,可以?huà)靿Π惭b,也可以安裝在箱體內,應確保安裝場(chǎng)所無(wú)滴水、腐蝕性化學(xué)氣體和沉淀物質(zhì),并注意環(huán)境溫度和通風(fēng)散熱。

        為確??煽窟B接,接線(xiàn)時(shí)應按接線(xiàn)圖進(jìn)行,同時(shí)為了防止接頭處接觸電阻過(guò)大而導致局部過(guò)熱,也避免因接觸不良而導致保護器工作不正常,線(xiàn)頭應采用合適大小的U形冷壓頭壓接后,再插入保護器相應端子上并將螺釘擰緊壓實(shí)。

        保護器內部帶有交流電,嚴禁非專(zhuān)業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間,若被保護線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護時(shí),保護器仍處于帶電狀態(tài),不允許隨意碰觸用電線(xiàn)路的金屬部分。待檢查線(xiàn)路,并排除故障后,長(cháng)按保護器的復位按鍵約2秒鐘,使保護器恢復正常運行時(shí)。

        當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時(shí),則可能是因為負載電流過(guò)大,環(huán)境溫度過(guò)高或通風(fēng)散熱不良等原因導致,可通過(guò)加強通風(fēng)等措施,等保護器溫度降下來(lái)后,再長(cháng)按復位鍵,使保護器復位,恢復正常運行。

五、結束語(yǔ)

 

經(jīng)過(guò)本文詳盡的探討,我們可以得知,在這一智能充電汽車(chē)普及的過(guò)程當中,其充電樁作為支撐其發(fā)展的重要部位,其設計的有效性將會(huì )直接對其應用水平產(chǎn)生不容小覷的影響,并間接影響消費者的使用體驗,影響這一類(lèi)型汽車(chē)的市場(chǎng)銷(xiāo)量。因此,需要參考上述設計思路,從其設計原則出發(fā),考慮其硬軟件設計過(guò)程所需要面對的難題和達到的設計目標,以此來(lái)設計出更符合市場(chǎng)需求的智能充電樁產(chǎn)品。

 

參考文獻

[1]王旭,齊向東.電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設計與研究[J].機電工程,2014(3)

[2]任桂平.智能電動(dòng)汽車(chē)充電樁的設計與應用分析

 

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.06版


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