电动汽车智能充电桩的设计和应用

李占锋, 王亚平

(陕西交通职业技术学院 汽车工程学院, 西安 710018)

0 引言

汽车已经成为人们不可缺少的交通工具，在提供了便利的同时也在大量的消耗石油、天然气等有限的能源，而且汽车尾气也对人类赖以生存的自然环境造成了严重的污染。面对能源与环境的双重压力，电动汽车应运而生，随之对作为后勤保障充电系统的要求也越来越高，本文对如何建立安全、便捷、低成本、高效率的智能充电桩提出了可行性建议，以期对电动汽车的长远发展献计献策。

1 电动汽车的充电方法以及建立智能充电桩的意义

1.1 当前电动汽车的充电方法

1) 直流充电

直流充电方式是指直接由地面供给直流电源为电动汽车自身的蓄电池充电。这种方式有两个优势，一是可以使电动汽车不需要配备车载充电装置，从而减轻车身重量。二是功率大可以快速充电，从而节省充电时间。

2) 交流充电

交流充电方式需要220 V或者380 V的交流电源，并且在车载充电装扮的滤波、整流以及保护之下对电动汽车的蓄电池进行充电。这种方式因为功率较小，所以充电时间相对来说会长一些，比较适合混合动力的电动汽车。

3) 配备多组蓄电池

配备多组蓄电池指的是至少为每辆电动汽车配备两组蓄电池，一组供电，一组充电，电量不足的时候需要及时更换已经充好电的蓄电池。这种方式的优点是可以在最短时间使用满电蓄电池继续工作，缺点是需要大量的蓄电池更换站点，对维护人员的需求也很高，相对来说不仅投资大，智能程度也比较低。

1.2 建立智能充电桩的意义

电动汽车零排放、噪音小，属于当前人们所倡导的绿色出行，这些特点是其绝对的优势，越来越多的人愿意使用，已经渐渐被人们认可，这就要求充电系统是必须的后勤保障。需求量的增多对充电方式的智能化要求就越来越高，传统模式的效率就跟不上了，而且当前电动汽车一般都是采用能效高、体积小的锂离子蓄电池，这种电池对充电、放电要求都比较高，也是继续智能化的充电桩系统对各个环节的控制与预警，避免对电池造成严重损害以及威胁人身安全。

2 电动汽车智能充电桩系统总体设计

2.1 设计原则

1) 安全性：在智能充电桩为电动汽车充电的过程中，确保安全是最重要的，包括工作人员的人身安全、蓄电池的安全以及充电桩本身的安全。

2) 便捷性：所谓智能充电桩必须具备很高的智能性，尽量减少人为操作，页面清晰明朗，用户可以很方便的使用自己需要的服务。

3) 成本低：使用低成本获取高效的充电效果是所有电动汽车用户的心愿，也是推广电动汽车行业的有效手段。

4) 高效性：随着当前社会生活节奏的加快，最宝贵的就是时间，智能充电桩简单便捷的快速充电模式大幅度提高了工作效率。

2.2 硬件系统要求

我们国家包含了多个温度带，南北温差很大，自然环境相对来说也比较复杂，而且充电桩经常需要在强电磁的环境下工作，这些特殊的要求都为电动汽车智能充电桩的设计增加了难度。

1) 考虑内外部结构，适应多种天气

由于全球气候的不断变暖，对社会上的诸多行业都造成了很严重的影响。在设计智能充电桩的时候，必须考虑其外部结构的封闭性是否良好，避免雨水、冰雪等进入桩内导致电路短路或者系统故障；另外需要考虑的一点是需要在内部形成良好的空气流动，才可以及时散发元器件所产生的热量，避免因为温度过高引起机器故障。

2) 提高抗电磁干扰能力

电磁干扰主要指的是由各种电磁感应所造成的扰乱信号传输的现象。目前随着无线移动通信技术的飞速发展，电子设备日益增多，电磁干扰已经成为非常普遍的现象。智能充电桩的工作环境经常具有强电磁干扰，因此在设计电动汽车智能充电桩的时候，需要着重考虑的是电气布局，降低其他电子设备的电磁干扰，确保电动汽车智能充电桩可以正常运行。

2.3 软件系统功能目标

1) 简单清晰的人性化操作页面；

2) 安全可靠的充电管理；

3) 多种服务模式即可以计时、计电度、计金额充电；

4) 丰富的通讯接口；

5) 准确的用电统计和计费管理；

6) 标准的消费凭证打印。

从以上智能充电桩需要完成的软件设计的目标来看，对终端控制器的采集数据与传输数据的能力要求都很高。为了实现刷卡、按时间、按电度、按金额充电以及准确扣费、数据传输等功能，就要求实现这些功能的模块稳定、传输速度快、读卡敏捷度高，才可以带给用户方便快捷的服务。

3 电动汽车智能充电桩系统详细设计

3.1 硬件设计

硬件架构

1) 组成框架

电动汽车智能充电桩的硬件系统由总控单元、监控单元、显示单元等组成，其硬件组成框架,如图1所示。

其中，除了一些简单的外部接口之外，着重介绍一下总控单元、显示单元与监控单元。总控单元是硬件系统的核心，负责整个充电过程的启动、运行、实时监控以及关闭，并且可以通过多种通信方式将采集的数据实时传输给后台。显示单元由LCD显示器、触摸屏、指示灯和按键组成，最直观展示给用户的是LCD显示器，用户可以根据自身的充电需求来点击触摸屏上对应的按键，选择适合自己的充电方案。这时指示灯会亮起以此提醒用户当前的充电桩处于正常工作状态。在充电完成之后，指示灯变为绿色以此提示用户充电已经结束。监控单元包括模拟量的采集、开关量的采集和开出拉制。系统得到模拟量数据之后会将数据传输给开关量采集单元，依照这部分数据来提供与用户充电需求匹配的充电量。充电完成之后由开出控制模块指引用户开出充电桩，然后继续等待其他用户。监控单元的主要作用是监测智能充电桩的工作状态，包括对智能充电桩的进线输入的电压、充电输出的电压电流，充电接口的连接状态以及车载电池状态等等进行随时随地的监测，一旦哪一块出现了异常，可以及时的切断电源输出，进而保护电动汽车、蓄电池组以及智能充电桩本身的安全。

图1 智能充电桩硬件组成框架

2) 硬件工艺

电动汽车智能充电桩需要面临的工作环境要求其制造工艺必须可以适应各种天气且拥有较强的抗磁干扰能力，因此我们采用交叉覆盖工艺设计，整个桩体的硬件结构强度符合IP65防护级别的要求，而且在主体设计上采用镀锌钢板作为硬件材料，并采用汽车烤漆工艺在表面涂一层保护膜，这样就可以有效的防止水的渗入，确保智能充电桩可以在潮湿、盐、雾等环境中正常运转。另外，在选择元器件的时候采用STM32F107VCT6微控制器，包含了高性能的RISC内核、以太网接口、6个与其他控制单元对接的串口、16个IO接口，大幅提高总控单元的工作效率。最关键的是该设备可以在工业级温度范围内正常运转，各地区的温差完全不会影响智能充电桩的应用。

3.2 NandFlash电路设计

在智能充电桩的充电过程中，控制系统是非常重要的，通过处理器进行电池的管理和控制，还可以通过网络对电池组状态信息进行统计以及采集。控制系统的硬件包括控制电路、处理单元以及电能输出等。电路包括充放电控制电路(信号采集、信号调理)以及处理单元电路、电能输出电路、控制系统电源电路等等。可以说电路设计的优劣直接影响智能充电桩的功效与运行。调度中心主要以实际的操作系统为基础，启动程序在FLASH ROM中存放，另外，控制系统还在NandFlash中存放一系列的记录，例如：电压、温度传感器、电流等，进一步对数据进行收集，最终使人机交互的功能得到实现。

3.3 LCD接口设计

LCD控制器的外部接口信号包括：帧同步信号VFRAME、线同步脉冲信号、像素时钟信号以及LCD驱动器的AC信号和VM信号。LCD接口设计所选择的控制芯片S3C44BOX集成中的显示器可以直接对液晶屏幕进行控制，LCD驱动控制器对接口的时序、屏幕的刷新率以及数据总线的宽度进行设置与编辑。

3.4 充电桩导引电路设计

导引电路主要为了确定接口之间的连接完好，对供电功率以及充电连接装置进行记录，在充电过程中起到监管的作用。在充电之前，对控制设置进行监测，判断电压值是否符合充电需求，在确认接口连接完好之后，通过PWM信号来确定电流的最大值，在充电过程中对相关数值进行详细登记，确保充电过程顺利进行。

4 软件设计

4.1 软件系统模块划分

智能充电桩系统按照模块来划分，大体上可以分为中央控制模块即主控模块、IC卡识别模块、人机交互主页面即显示模块、充电模块、费用计算模块，如图2所示。

图2 智能充电桩系统软件组成模块

各个模块之间互相独立，由多线程单独处理，无论哪一个模块出现故障都不影响其他模块运行，而且在各个模块之间进行信息交互，共同协作完成整个电动汽车的充电以及计费过程。

4.2 软件系统工作流程

电动汽车用户需要充电时，将汽车的充电口与充电桩的手柄连接之后，具体的工作流程如图3所示：

4.3 软件详细设计

根据智能充电桩系统的软件工作流程，电动汽车用户充电可分为以下几个步骤：

1) 进行IC卡识别将充电桩激活。如果无法识别则需重新开始，如果正常识别则进行下一步。

2) 判断连接是否正确。如果充电插口与手柄之间的连接不正常，给出预警提示后重新连接。

3) 选择充电模式。这个时候充电桩需要判断当前电池的状态，如果与用户选择的充电模式有冲突需要给出预警提示以及合理化的建议。

4) 进行充电。在充电的过程中，显示模块负责显示一些基本信息，诸如卡内余额，已完成充电时间以及预估剩余充电时间等。

图3 智能充电桩系统软件流程图

5) 充电完成。充电结束的时候充电桩需要给出提示。

6) 计费。计费模块给出本次充电所需费用。

7) 打印凭证。用户打印计费凭证之后即可离开，这个时候充电桩就自动进入锁死状态，继续等待下一个用户。

5 系统测试

5.1 性能测试

在智能充电桩投入使用之前，一定要经过现场测试，确保可以满足快速充电的需求，并且可以显示电池的电压电流、充电的电压电流、卡内余额、充电时间、剩余充电时间等信息。保证智能充电桩在运行状态良好时投入使用，如此才可以给用户带来良好的客户体验。

5.2 压力测试

在基本功能测试完毕之后，还应该进行压力测试，即智能充电桩在连续工作时的抗压性，随着人们的认可，电动汽车的数量会越来越多，充电需求也会随之增大，因此面对大客流量时智能充电桩的运行状态同样值得我们关注，使用简单、不出现机器故障、充电快速、计费准确，这些都是优良的智能充电桩系统必备的功能。

6 总结

总之，随着新能源汽车市场的快速拓展，电动汽车的应用也会越来越广泛，操作便捷、充电安全高效的充电桩势必会得到广泛推广，而充电桩的智能化也是推动电动汽车行业快速发展的有效手段，同时为改善环境做出了突出贡献。

[1] 龚栋梁, 耿华, 宗远洋.电动汽车智能充电桩的设计与应用[J].电子世界,2017(15):175.

[2] 刘涛.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].科技创新导报,2017(19):89-90.

[3] 刘朝辉.电动汽车智能充电桩的设计与应用[J].电子技术与软件工程,2017(3):248.