劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801 

摘要：智能電動汽車的誕生，在很大程度上緩解了我國環(huán)境由于汽油型汽車的大量使用所不得不承擔(dān)的空氣污染、能源耗竭的問題。而推動電動車運(yùn)行的內(nèi)在動力，來自于其智能充電樁。因此，本文就這一智能電動車重的要部位——充電樁的設(shè)計要點及其在現(xiàn)實當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討，希望能夠以此來推進(jìn)我國智能電動汽車行業(yè)的進(jìn)步。關(guān)鍵詞：智能電動汽車；充電樁；設(shè)計；應(yīng)用；節(jié)能環(huán)保  

一、淺析智能充電樁的使用意義

        智能化的電動汽車之所以能夠在這個時代受到普遍化的歡迎，一方面是因為人們對于汽車環(huán)保性能的重視程度的逐步提高，另一方面，也是因為這種類型的汽車本身在使用過程當(dāng)中所制造出來的噪音較小，同時其相比于傳統(tǒng)的汽車，幾乎不會產(chǎn)生任何的尾氣。

二、淺析智能電動汽車充電樁的整體設(shè)計

1、淺析充電樁的設(shè)計原則

（1）性的原則

        智能充電樁的設(shè)計，有一個不容忽視的原則——性原則。汽車的使用包含了許多潛在的不因素，尤其是對于配置了充電樁的智能電動汽車而言，不管是充電過程的性還是用電過程的性，都是需要進(jìn)行把控的、不容小覷的重要內(nèi)容。因此，充電樁的設(shè)計人員需要首先將汽車使用人員的置于其設(shè)計該充電樁時參考要素當(dāng)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(yīng)的，在智能化的操控下，其使用過程的便利性程度也會獲得相應(yīng)的提高。如此一來，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汽車。

（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(tǒng)汽車的優(yōu)勢，如此一來才能夠吸引更多的消費(fèi)者選擇這一類型的汽車作為代步工具。

2、硬件系統(tǒng)設(shè)計分析

        在我國進(jìn)行設(shè)計以及投入使用的智能電動汽車，需要立足于我國的氣候條件和環(huán)境基礎(chǔ)，才能夠設(shè)計出較能夠滿足我國消費(fèi)者使用需求的汽車[2]。因此，設(shè)計員在對其硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的時候，就需要考慮我國南北不同地區(qū)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(qiáng)度較高的背景下。因此，其硬件條件需要能夠適應(yīng)于周圍宏觀環(huán)境及微觀環(huán)境的需求。以下將詳細(xì)闡述其硬件系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所呈現(xiàn)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(jiān)控單元。總控單元作為整個系統(tǒng)得以運(yùn)行的核心技術(shù)支持，其所負(fù)責(zé)的內(nèi)容可以分為四大部分，按照充電過程的順序，可以分為啟動控制、運(yùn)行控制、關(guān)閉控制以及在其過程當(dāng)中的穿插的監(jiān)控部分。除了以上功能之外，這一總控單元還需要負(fù)責(zé)隨時隨地地向其后臺傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。而其顯示單元這一部位，同樣由四個部分構(gòu)成，顯示部分一般來說，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(jié)合之后，可以將其中的具體操作途徑直觀地呈現(xiàn)在用戶的面前，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，充電樁處于何種狀態(tài)當(dāng)中。當(dāng)指示燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色的時候，說明其已完成自身的充電過程。較后，監(jiān)控單元所承擔(dān)的較主要責(zé)任，是保障這一充電過程的性。其工作流程如下：當(dāng)模擬量數(shù)據(jù)得到采集之后，這一單元就會以較快的速度，將其傳輸給接下來的開關(guān)量單元，這一單元在對用戶的充電量需求的大小進(jìn)行判斷之后，就會為用戶提供充電服務(wù)。由于以上單元的運(yùn)行始終處于智能環(huán)境當(dāng)中，因此其異常情況往往可以在出現(xiàn)的時候就得到處理，這就在很大程度上保障了其自身的度。

3、軟件系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

        軟件系統(tǒng)設(shè)計的科學(xué)度，同樣是會對整個智能電動汽車的運(yùn)行產(chǎn)生影響的重要方面。而根據(jù)經(jīng)驗與理論的啟示，我們認(rèn)為充電樁的軟件系統(tǒng)設(shè)計，需要滿足以下的目標(biāo)。首先，為了體現(xiàn)其智能化的優(yōu)勢，需要將其操作頁面設(shè)計得更為簡潔清晰，讓車主一眼就能夠了解其操作原理，從而杜絕由于車主的不當(dāng)操作所引起的事故的發(fā)生。其次，其對于充電過程的管理能力需要獲得不斷的提升，使其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主的計時服務(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(tǒng)，還需要能夠為車主提供相應(yīng)的消費(fèi)憑證打印服務(wù)，借助這一標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，車主能夠在更高的程度上，對這一類型的汽車產(chǎn)生由衷的認(rèn)可。

        除了以上的總體設(shè)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(yīng)的應(yīng)用測試[2]。測試內(nèi)容一般包括如下幾個部分，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(nèi)容是測試這一智能充電樁充滿電之后，在壓力較大的情況下，是否能夠具備相應(yīng)的水平。

三、安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

        安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；和用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。

        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(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

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

2.2平臺首頁

        平臺首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計。

2.3實時監(jiān)控

l充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

• 充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

• 搜索與使用

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

l授權(quán)登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進(jìn)入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：

• 主功能頁

初次進(jìn)入主功能頁時需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)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(dǎo)航等。

• 充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評價。

• 個人信息

個人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

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

硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點數(shù)的不同，分別如下：

3.2現(xiàn)場硬件配置清單：

四、安科瑞限流式保護(hù)器的介紹與選型

1、限流式保護(hù)器的設(shè)計

        電氣防火限流式保護(hù)器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(chǎn)生的電弧火花大，以及使用壽命短等當(dāng)弊端，發(fā)生短路故障時，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護(hù)，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的。

        安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護(hù)器的主要元件是固態(tài)開關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機(jī)械運(yùn)動過程，分?jǐn)鄷r間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開時通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動實現(xiàn)，分?jǐn)鄷r間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。

        如圖1所示，當(dāng)發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。

圖1短路故障前后電流與時間關(guān)系圖

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

2、ASCP200-1功能特點

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

A）短路保護(hù)功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護(hù)；

B）過載保護(hù)功能，線路持續(xù)過載時，保護(hù)器限流保護(hù)；

C）表內(nèi)超溫保護(hù)功能，保護(hù)器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護(hù)器限流保護(hù)；

D）過/欠壓保護(hù)功能，線路欠壓或過壓時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護(hù)器告警或限流保護(hù)（可設(shè)）；

G）通訊功能，保護(hù)器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000云平臺，或第三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數(shù)

4、應(yīng)用方案圖示

        ASCP200-1型電氣防火限流式保護(hù)器建議安裝在入戶開關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，典型應(yīng)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(hù)器時，限流式保護(hù)器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當(dāng)限流式保護(hù)器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護(hù)器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護(hù)器的正常使用，嚴(yán)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路中。

        ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場所無滴水、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。

        為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進(jìn)行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護(hù)器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。

        保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電，嚴(yán)禁非專業(yè)人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間，若被保護(hù)線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護(hù)時，保護(hù)器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護(hù)器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護(hù)器恢復(fù)正常運(yùn)行時。

        當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時，則可能是因為負(fù)載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е?，可通過加強(qiáng)通風(fēng)等措施，等保護(hù)器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護(hù)器復(fù)位，恢復(fù)正常運(yùn)行。

五、結(jié)束語

經(jīng)過本文詳盡的探討，我們可以得知，在這一智能充電汽車普及的過程當(dāng)中，其充電樁作為支撐其發(fā)展的重要部位，其設(shè)計的有效性將會直接對其應(yīng)用水平產(chǎn)生不容小覷的影響，并間接影響消費(fèi)者的使用體驗，影響這一類型汽車的市場銷量。因此，需要參考上述設(shè)計思路，從其設(shè)計原則出發(fā)，考慮其硬軟件設(shè)計過程所需要面對的難題和達(dá)到的設(shè)計目標(biāo)，以此來設(shè)計出更符合市場需求的智能充電樁產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]王旭,齊向東.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究[J].機(jī)電工程,2014(3)

[2]任桂平.智能電動汽車充電樁的設(shè)計與應(yīng)用分析

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版

作者簡介：劉細(xì)鳳，女，現(xiàn)任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應(yīng)用