电动汽车充电桩充电管理系统设计

谢嘉城

（上海电力大学，上海 200090）

如今，随着环境污染情况加剧，自然资源匮乏严重，传统燃油汽车燃料紧缺以及排放污染等问题，不利于环境改善和节能减排，为减轻环境负担并符合未来社会发展的需要，电动汽车悄然问世。电动汽车的出现，有效减轻了环境污染的紧张态势，同时电动汽车相较于传统汽车不需依靠消耗有限的不可再生资源，而是利用清洁环保且更为经济实惠的电能运行。目前，绝大部分电动汽车是依靠电池完成工作，因电池自身原因，导致电动汽车续航能力有限，为保证全面推行电动汽车，保证电池可以方便快速且高效地完成充电工作成为亟待解决的重要问题，有需求就有市场，为方便广大电动汽车用户，电动汽车充电柱应运而生。为提高充电桩的使用效率，在加大充电桩投入的同时要更加注重其设计的规范性以及合理性，使充电桩高效率的用于电动汽车充电。

1 电动汽车智能充电桩设计意义

电动汽车的运行是以电能为支持，具有零排放、噪音小等特点，相比燃油汽车更符合绿色环保的发展理念，逐渐被越来越多的人所认可。但是想要推动电动汽车的持续发展，前提必须要解决充电难的问题，这是消除电动汽车续航能力差的关键要素。对电动汽车目前所应用的充电方式进行分析，可发现整体效率比较低，现在所应用的锂离子蓄电池能效高、体积小，对充放电有着十分严格的要求，必须要对以往的充电方式进行优化设计，避免充电不当对电池以及人员带来安全隐患。并且，在高新技术支持下，电动汽车的种类不断增加，功能也更加完善，加强对智能充电桩的设计与研究，是整个产业发展的必然需求。当下，传统充电桩普遍存在充电能力、效率低下等情况，已无法满足大量的电动汽车充电需求，因此智能充电桩的优势显而易见。分析传统充电桩存在的诸多弊病，在智能充电桩的研发设计过程中要合理规避已知的问题，不断完善升级智能充电桩的软硬件系统配置，实现电动汽车智能化充电。

2 电动汽车智能充电桩设计要求

2.1 设计原则

智能化电动汽车充电桩的设计过程应严格执行国家电网公司标准，合理制定规划，设计具有特点的智能充电桩外观、软硬件系统、监控系统等，确保可以满足电动汽车充电的实际需求。要求智能充电桩各项功能完善且精准，例如应用RFID系统设计身份识别模块，不仅可以缩小体积量，而且还可以保持较高的扫描速度，同时在抗干扰、持久性、安全性以及穿透性等方面也有着显著优势。另外，基于CAN总线技术，使得智能充电桩与后台及其电池管理系统之间可以保持高效且稳定的数据通信能力。

2.2 系统结构要求

智能充电桩各项功能要更加完善，且要具有较高的交互性，满足智能化以及自动化操作要求，为高效高质量充电提供支持。结构模块包括触控操作设备、信息读取模块、控制单元模块、计费模块、身份信息识别模块、远程信息交互模块、凭证打印模块、供电充电模块以及警示提醒模块等多个功能部分。应用智能充电桩为电动汽车充电时，首先要对用户的身份信息进行识别，确认无异常后便可通过触控屏幕进行操作，选择自己需要的充电模式开始充电，充电过程中客户可以通过显示屏直观地看到当前充电的电压、电流以及充电所需时长等详细信息。给车辆提供充电服务的同时智能充电系统与电池组管理系统建立通信，并实时发送指令精准控制充电的电压、电流和温度等数据。在汽车充电的整个过程中，智能充电桩监测预警模块要做到对各项数据信息的实时监控，确保能够第一时间检测到异常并发出预警信息，避免充电安全事故的发生。远程信息交互模块的功能是建立与后台运营系统的实时通信，待完成充电后，计量计费模块会准确计算本次充电的电量、时间以及费用，最后通过打印模块来将所有信息打印出来。

2.3 应用功能要求

智能充电桩设计时需要保证各项基础功能完善，足以满足电动汽车充电要求。主要包括以下几个方面：①用户可以根据个人需求提前办理IC卡，在需要充电时直接使用IC卡刷卡操作即可激活充电桩，然后将充电枪与电动汽车进行有效连接，设备开始计量计费。②设置的监测预警模块，主要功能是对充电桩的电流和电压参数进行实时监测，确保充电过程的安全性，同时为充电桩以及操作人员的安全提供保障。③智能充电桩配套设计的通信模块，为内部各模块之间有效通信提供支持，满足实时通信的基本要求。④设置的充电模块，确保了在智能充电桩进入到充电模式后，与蓄电池之间搭建通信连接，以及实现对蓄电池的全面检测，分析蓄电池的状态，判断其是否出现故障，以此来对电池功能进行维护，延长蓄电池的使用寿命。

3 电动汽车充电桩主要分类

3.1 交流电充电方式

交流电充电方式是电动汽车最基本的充电方式。其主要是合理利用220 V或者是380 V的交流电源直接引入充电桩之中，然后借助汽车自身的滤波装置以及整流装置，对汽车电池进行直冲，以此为电动汽车提供日常所需的电量能源。但是交流电充电方式花费的时间比较长，并且充电量比较少，主要适用于一些小型的电动汽车。

3.2 直流电充电方式

一般情况下，直流电充电方式主要是合理利用地面充电站，从而获取直流电，并且建立充电桩，然后对电动汽车工作电池组进行直接充电，从而有效提升汽车的设计，将汽车运行中的自重进行有效降低，以此减轻电动汽车本身的负担。由于这种充电方式是将电能直接进行输送，所以其蓄电能力相对比较强，从而可以进行快速充电，主要适用于一些耗电量相对比较大的电动汽车。

3.3 直接更换电池方式

更换电池的充电方式，其安全性相对比较高。一般情况下，这种充电方式主要适用于两组蓄电池的电动汽车，其一组蓄电池可以为汽车提供所需的能源，保证汽车正常运行使用，而另一组蓄电池则可以取下来进行充电，合理将两组电池进行更换，从而保证汽车运行过程中，电池具有充足的电量能源。但是，电池进行更换必须是建立在大量电池更换站的基础上，需要投入大量的人力资源，目前无法满足于这种智能化需求。

3.4 非接触式充电方式

非接触式充电方式主要是借助相应的感应器件，将其安装在汽车充电的位置上，从而实现汽车与充电设备彼此之间并未发生接触，满足汽车在行驶的过程中随时进行充电的需求，不再受制于充电桩的数量问题。但是这种充电方式对技术要求相对比较高，并且其充电的速度以及质量无法得到保证，致使其在实际使用的过程中，并未进行全方面地推广。

4 电动汽车充电桩充电管理系统的设计

4.1 硬件设计

4.1.1 带有光耦的输出电路设计

在电动汽车充电桩充电管理系统设计的整个过程中，首先要对光耦输出电路设计以及充电桩管理系统进行全方面了解，并且对其加强管理。在对光耦输出电路实际设计的过程中，其主要是对PWM光波电路进行了解，并且将其合理运用到充电桩管理系统之中，以此对STM32为一体的输出光波电压进行有效控制，促使其持续保持在正常范围之内，并且通过光耦转换作用，将电压的波动值控制在有效的范围内，然后进行光耦输出。除此之外，在实际系统设计过程中，为了有效避免其他光波影响PWM光波，必须对隔离干扰光耦电路输出加强管理设计。

4.1.2 带有光耦的通信电路设计

电动汽车充电桩充电管理系统在设计的整个过程中，必须依据充电管理系统发展的实际需求，从而对充电管理系统进行全面设计，同时建立一个相对比较独立的通信功能系统。而在通信功能系统实际设计的过程中，主要是合理借助光耦模块，以此对通信系统进行设计。而在通信系统实际设计的整个过程中，其主要设计工作是对系统内部的RS485收发器芯片进行设计，以此对通信系统的安全性以及高效性提供保障。同时将电源管理模块和电源独立接地线模块二者有机地结合为一体，只有这样，才能保证在实际系统设计过程中快速有效地找到通信功能设计的接入点。另外，为了满足芯片传输和发送功能的实际发展需求，必须对光耦通信电路系统内部的ISL3152E芯片进行针对性的设计，与此同时，还要对通信系统的传输以及讯源的稳定性进行合理的设计。

4.1.3 交流充电桩控制导引电路的设计分析

首先，要在充电之前做好相应的检测准备工作，观察其各个接口之间的连接程度，必须要保证其接口连接的完整性；其次，要对供电功率以及充电连接装置进行登记的处理，详尽记录下其设备以及功率等的各类数值信息，确保其数据信息记录的正确性；最后，要实时的开展精准的监测管理工作。采用充电电缆的形式来处理电动汽车和充电桩之间的连接工作，在充电工作开展之前，记录下其充电桩控制装置的变化信息，观察其电压数值是否达到其工作的标准要求，同时还应当确认出充电桩所涉及到的各个接口的连接程度，利用PWM信号占空比的数值来衡定其充电桩电流的最大安培量，精细化的管理充电的整个过程，让充电工作可以更为顺畅地进行，提升安全性，使其可以始终保持一个稳定的运行状态。

4.2 软件设计

此次对于储能式电动汽车充电桩综合系统设计，选定DSP的控制芯片负责控制整个系统。该控制系统软件主要负责实时监测电池电压、荷电状态(SOC)、充放电温度及电流等。功率调度，则可确保电池恒流或恒压充放电系统功能得以实现。实际工作期间，DSP采样所获取电压反馈相应信号和所设电压实施对比分析，结合误差信号实施PI合理调节操作。PI调节装置所输出信号经DSP内部相应脉冲所生成单元和三角载波实施对比分析，促使PWM的驱动产生，经对Buck变换装置内部开关管实际占空比有效调节，促进稳压功能得以实现。以同等方式，对恒流输出过程PI控制装置予以科学优化及调节。储能式电动汽车充电桩综合系统控制核心部分，选定T公司所推出的浮点型全新数字信号的处理装置TMS320F28335，其工作频率为150 MHz，且内包PWM18路输出端口、高分辨率6路脉宽调制系统模块(HRPWM)、16路的12位数模高精度转换装置(ADC)，实际转换时间为80 ns。

在设计电动汽车充电桩充电管理系统过程中，加强对充电系统的具体流程进行合理的管理规划。一般情况下，在电动汽车充电桩充电系统实际设计的过程中，首先要对充电管理系统的充电流程加强管理，从而保证整个系统在实际系统运行中的稳定性，为电动汽车提供方便快捷的充电作业服务。在充电管理系统软件方面设计的过程中，主要是将充电管理系统设计的相关数据进行整理备案，然后将其记录在FM31256存储器内部之中，当存储器进行检验维修时，就可以从中获得相关的检验信息。通常情况下，电动汽车充电桩充电管理系统进行软件设计，侧重于对程序框图进行合理的设计，以系统运行中的相关数据为基础，从而把握整个系统的实际运转情况。

5 结束语

为缓解环境污染问题，电动汽车适时而生，但是随着电动汽车的全面普及，与之配套的充电桩的问题也逐渐浮出水面，为解决这一问题，需加大对智能充电桩的研究开发力度，结合现有实际情况，通过对充电桩外观以及硬件电路的设计，将充电全过程直观地呈现在用户面前，进一步提高用户的体验感，为推动电动汽车发展作出贡献。但是，再完美的产品也会或多或少存在缺陷，在实际使用过程中逐步发现其问题，进而不断完善产品，提高产品质量及实用性，不断推陈出新，刺激行业健康稳定发展。