电动汽车充电桩设计

电动汽车充电桩设计

郑肇显

深圳市中波新能源科技有限公司

摘要：汽车是现代社会的主要工业产物，新时期，为了缓解能源和环境问题，电动汽车应运而生并得到快速发展。充电桩是电动汽车的能量来源，是电动汽车实现产业化和市场化的重要前提，因此加强其研究方能为电动汽车的发展奠定良好基础。本文首先介绍了充电桩的发展背景和现状，分析已有的充电方法，然后探究电动汽车充电桩的设计，以期促进电动汽车更快更好的发展。

关键词：电动汽车；充电桩；设计

引言

近年来，随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是汽车技术发展的主要方向。发展环保节能电动汽车是大势所趋。依目前电动汽车的应用情况看，大批量生产使用电动汽车还存在较为现实的困难，主要原因在于电动汽车续航里程短、充电时间长，充电桩建设慢、普及率低等。因此，加快电动汽车充电桩建设势在必行。

1电动汽车充电桩概述

1.1电动汽车充电桩背景及发展现状

现阶段，电动汽车保有量大幅增长，但充电基础设施能否提供方便、快捷的充电服务，一直成为消费者购买电动汽车的重要因素。随着电动汽车的持续快速发展，当前充电桩建设和服务却未能跟上电动汽车的发展节奏，为此，我国出台了一系列政策加快充电基础设施建设，2020年将基本建成智能高效的充电基础设施体系。

1.2电动汽车充电的方法

电动汽车的充电方法有四种形式，分别为交流充电、直流充电、换电技术和无线充电技术，但应用较广的主要是交流充电和直流充电。

（1）交流充电

交流充电指的是单相或三相交流电通过车内的充电机经过整流、滤波、功率因数校正后，转换为合适电压的直流电，进而对动力电流进行充电的方式。由于充电电流小，充电时间长，因此此方式一般适用于车辆停运时间长（多为夜间）的充电。俗称“慢充”。

交流电充电方式适用于非运营、设计续航里程较长的电动车以及插电式混合动力汽车。

（2）直流充电

直流充电是指通过直流充电桩，将电网交流电转化为直流电源，通过充电连接装置直接给动力电池充电的充电方式。

该方式充电电流一般为150-250A，目前，直流充电多应用于城市公共充电设施以及城际间高速服务区充电站，市面上的纯电动车皆支持交流慢充和直流快充两种充电方式。

（3）换电技术

换电技术是电动车能达到和传统燃油车加油相近速度的续航方式，它目前已经在公共交通领域和物流领域得到了实现。

该技术通过全自动或者半自动机械设备，进行更快速的电池更换，通过电池更换的方式实现电动汽车电能的补给。然而，这一充电方式在实际运行中也有一定的弊端，由于每辆电动汽车都需要两组蓄电池进行供电和充电，因此需要建设大量电池更换站，而且每个更换站都需要工作人员进行日常维护工作，投资成本较高，智能化水平较低，因此适用性较差。

（4）无线充电技术

无线充电技术其实是基于电磁感应原理，在一定空间范围内的电能无线传输，无需要电缆连接。不过，无线充电对技术的要求较高，充电效率和线圈大小以及距离有紧密关系。随着线圈间距离的增大，能量传输效率逐渐降低。

据了解，现阶段无线充电设备要做到90％以上的效率，有效距离一般在15～25cm之间。因此对于底盘过高的车型来说，就不太适合用无线充电方式了，这对无线充电的普及有较大影响。

2.电动汽车充电桩的设计要求

2.1适应极端天气

电动汽车充电桩是户外型设施，整个设计过程中，为适应户外极端天气的影响，可采用不锈钢、镀锌板做成结构箱体，从而起到防尘、防雨、防极端恶劣天气的作用。同时，电动汽车充电桩的显示区、刷卡区应采用PC材料，该材料具有很强的抗腐蚀性，同时具有阻燃、自熄等优点，其韧性和强度较好，能够经受住重压的作用。

2.2较强的抗电磁干扰能力

电动汽车电池在充电时，其充放电的工作效率会受周围环境条件的影响，特别是受电磁干扰影响较大。在常温情况下，电池的充放电接收能力较强，随着环境温度的降低，其接受充电的能力也会随之下降。因此，在设计电动汽车充电桩的时候，要具有较强的抗电磁干扰能力，防止因电磁干扰过强影响其充电效率。

3.电动汽车充电桩设计

下面以交流充电桩为例来谈谈充电桩设计

3.1系统工作原理及电气连接

依据GB/T18487.1-2015《电动汽车传导充电系统通用要求》中相关规定的要求，采用控制导引电路的方式来作为充电连接装置的连接状态及额定电流参数的判断装置。其典型的控制导引电路如图１所示。

图１典型控制导引电路原理图

供电设备插头与插座连接后，供电控制装置通过图１所示的检测点1的电压值判断供电插头与供电插座是否已完全连接。同时电动汽车车辆控制装置通过测量检测点３与ＰＥ间的电阻值判断车辆插头与车辆插座是否已完全连接。在完成插头与插座连接状态检测后，操作人员对供电设备完成充电启动设置，则开关Ｓ１从连接＋１２Ｖ状态切换至ＰＷＭ连接状态，供电控制装置发出ＰＷＭ信号。车辆控制端检测无误后闭合Ｓ２，供电控制装置通过再次测量检测点１的电压值判断车辆是否准备就绪，如满足要求则通过闭合Ｋ使交流供电回路导通。

如图2是电气连接图

3.2外部结构

电动汽车充电桩可利用交叉覆盖的工艺进行设计，结构的防尘防水要满足IP65防护要求。电动汽车充电桩的主体设计方面，可采用镀锌钢板作为硬件材料，为防潮、盐、雾等影响，需在镀锌钢板外表进行烤漆工艺，涂抹一层保护漆膜，防止因外界环境影响造成的硬件材料腐蚀。

3.3总控单元

充电桩的主控芯片可采用STM32F107VC微控制器，使用高性能的ARMCortex-M332位RISC内核，包含2个12位ADC、4个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口。加嵌入式操作系统设计方案，保证数据、终端通信、数据管理等复杂功能要求；完成充电流程、账务流程、多方通信功能。控制

3.4显示单元

显示单元主要由LCD触摸屏、按键和指示灯组成，ＬＣＤ触摸屏可以提供友好的人机操作界面和快捷简单的操作方式，满足客户按照不同的方式对电动汽车进行充电的要求，可以显示当前充电状态、充电电量和充电费用，友好的用户界面可以让客户进行相应的选择。当采集的电压超过过压保护定值或低于欠压保护定值，充电桩停止充电。指示灯可以简单指示充电状态。

3.5软件系统设计

3.5.1系统工作流程

电动汽车需要充电时，用户将电动汽车驶入充电桩附近，然后将IC卡放置在刷卡区，根据显示屏提示进行操作，连接充电接口，选择具体的充电模式，然后进行充电。在充电过程中，控制保护单元能够对充电接口的连接状况进行检测，如果发现异常，则不能启动充电功能。与此同时，在充电过程中，充电桩显示器会有指示灯闪烁。而监控单元则会在整个充电过程中，对充电的电压、电流、充电接口连接情况等进行实时监控，如果发现异常，则会立即发出警报。通过充电桩的软件系统，能够将系统各个模块进行有效连接并协调调用，整个系统控制流程图如图3。

3.5.2功能模块设计

在设计充电桩软件系统时，必须严格遵守模块化编写原则，确保软件系统的可行性，而且还有利于提高软件系统的扩展性。根据充电桩软件系统的使用功能，可以将其分为多个模块，包括主控模块、读卡器模块、通信模块等，主要功能框架如图4所示。

后台管理系统可以通过总线与下位机交流充电桩进行通信，从而达到对下位机交流充电桩实行统一监控和管理的目的。当启动充电桩软件时，主控程序能够根据系统的文件信息以及充电桩配置信息对通信模块进行加载。充电桩软件系统必须具备强大的处理能力，通过主控程序，能够完成所有模块的协调工作。另外，主控程序能够通过各个模块之间的通信工作，展示用户信息，采集实施数据，并对充电费用进行计算等，与此同时，主控程序的通信功能还能够将以上数据信息汇总，并提交至后台控制系统。通过通信模块，后台管理系统可以为下位机交流充电桩发送大量数据，并对其进行解析和相关处理，交流充电桩与后台管理软件通信流程如图5所示。

在进行人机交互模块设计时，在充电桩显示器上会显示出很多内容，界面形式多样，包括启动充电界面、停止充电界面等等。将人机交互模块与主控模块进行连接，能够获得控制命令，并完成对于各个界面的切换控制。安全模块主要由读卡器、数据加密模块、数据解密模块以及密钥管理系统组成。其中，读卡器采用硬件加密技术，能够对用户卡与充电桩数据交互中的所有临时变量进行加密处理，在传递过程中也可以对具体的线路进行加密处理，能够确保相关信息数据的安全。而数据加密模块能够按照一定的加密形式，将用户信息进行加密处理并存储，数据解密模块能够将用户信息还原至原始数据，并供用户识别。最后，密钥管理系统能够提供密钥的生成机制以及加密算法。

4结束语

在设计过程中，对于每个设计环节都应该加强研究和管理，综合考虑充电桩的实际应用需要，确保充电桩设计的可行性，促进电动汽车发展。

参考文献：

[1]配电站与电动汽车充电桩合建的应用研究[J].宣婷婷，孙燕.上海节能.2014（11）

[2]基于云计算平台的电动汽车充电桩设计与实现[J].徐志丹，赵宏振，张宗慧.电气时代.2014（05）

[3]国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].鲁莽，周小兵，张维.华中电力.2010（05）

[4]电动汽车交流充电桩系统设计.魏国，商慧杰，朱春波，逯仁贵哈尔滨工业大学2012