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淺談電動(dòng)汽車(chē)充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 更新日期:2022-03-29 點(diǎn)擊量:795

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

 

摘要:在節(jié)能減排環(huán)境下,為減少環(huán)境污染問(wèn)題,電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)時(shí)而生。充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分以及重要能量來(lái)源,加強(qiáng)其研究能促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的長(zhǎng)久發(fā)展。文章分析研究了充電樁的發(fā)展時(shí)期和現(xiàn)狀,對(duì)我國(guó)目前已有的充電方式以及可行性進(jìn)行了分析,探究了電動(dòng)汽車(chē)充電樁設(shè)計(jì),具體為硬件、軟件、功能設(shè)計(jì)等方面,希望能助力我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)飛速發(fā)展。

關(guān)鍵詞電動(dòng)汽車(chē);充電樁;設(shè)計(jì)

引言

在保護(hù)生態(tài)環(huán)境背景下,為保護(hù)人類(lèi)生存環(huán)境、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,我國(guó)汽車(chē)工業(yè)逐漸向節(jié)能環(huán)保、綠色產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變,電動(dòng)汽車(chē)作為重要組成部分也勢(shì)必朝著節(jié)能減排趨勢(shì)發(fā)展。充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)的加油機(jī),對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、電動(dòng)汽車(chē)充電樁概述

1、電動(dòng)汽車(chē)充電樁發(fā)展歷程及近況

新經(jīng)濟(jì)時(shí)代,我國(guó)工業(yè)發(fā)展飛速,但給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)很多壓力和傷害。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展,加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)、提倡節(jié)能低碳是我國(guó)社會(huì)發(fā)展必然趨勢(shì)。因此電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)并逐漸推廣,目前,電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)整個(gè)汽車(chē)市場(chǎng)有著舉足輕重的地位,在電動(dòng)汽車(chē)推廣應(yīng)用初期,因部分配套設(shè)施沒(méi)有得到完善,所以在很大程度上阻礙、制約了電動(dòng)汽車(chē)的普及發(fā)展,隨著環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的建立,該問(wèn)題受到了相關(guān)部門(mén)的關(guān)注和重視,投入了大量的資金對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的配套設(shè)施進(jìn)行豐富、完善,并且已經(jīng)取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn),其中包含充電站、充電樁等。

2、電動(dòng)汽車(chē)充電的方法

電動(dòng)汽車(chē)充電的方法主要有交流充電、直流充電。直流充電不只是大型的公共汽車(chē),在很多停車(chē)場(chǎng)地都會(huì)使用,同時(shí)具備交流、直流兩種充電樁,直流充電樁相對(duì)于交流更適用于大型車(chē)的快速充電。

1)交流充電。使用220 V,380 V交流式充電電源,推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)多功能車(chē)載濾波電路、三相整流橋等充電設(shè)施的發(fā)展,能夠?qū)﹄妱?dòng)汽車(chē)的二次電池進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效充電,耗費(fèi)時(shí)間較短,功率較高,被廣泛應(yīng)用在小型電動(dòng)汽車(chē)上。

2)直流充電。借助地皮表面的電源,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的二次電池(蓄電池)實(shí)施充電行為。與交流充電方式不同,直流充電并不需要二次電池進(jìn)行作用,充電時(shí)間較快,被廣泛應(yīng)用于大型的電動(dòng)汽車(chē)以及電動(dòng)汽車(chē)快充。

二、充電樁建設(shè)的兩種可行模式

1、連接方式

為便利汽車(chē)充電,可以在電動(dòng)汽車(chē)的停放場(chǎng)地建造相應(yīng)數(shù)量的交流充電樁,所用的220 V,380 V交流電壓是當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)中普遍存在的,相對(duì)容易獲取,所以可以使用兩種交流電壓形式。家用電動(dòng)車(chē)或者小型電動(dòng)車(chē)都可以,較大特點(diǎn)是電動(dòng)汽車(chē)可以隨時(shí)利用閑暇時(shí)間進(jìn)行充電,使用便捷。

2、建設(shè)直流充電樁

與交流充電樁不同,直流充電樁更適合大型的電動(dòng)汽車(chē)充電,在大型電動(dòng)汽車(chē)停放場(chǎng)地建立直流充電樁,能夠使大型的電動(dòng)汽車(chē)迅速充電。因?yàn)橹绷鞒潆姌兜墓β势螅苋菀讓?duì)電動(dòng)汽車(chē)的電網(wǎng)造成損害,因此需要定期對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

三、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)

1、系統(tǒng)架構(gòu)

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安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控,同時(shí)對(duì)各類(lèi)故障如充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過(guò)壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警;用戶(hù)通過(guò)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(qǐng)求,控制二維碼對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)交互協(xié)議,與云端進(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)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(yùn)行監(jiān)測(cè),充電樁異常交易監(jiān)測(cè)。

交易結(jié)算:充電價(jià)格策略管理,預(yù)收費(fèi)管理,賬單管理,營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

用戶(hù)管理:用戶(hù)注冊(cè),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(shè)施搜索,充電設(shè)施查看,地圖尋址,在線(xiàn)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(chǔ)和解析

變壓器監(jiān)控:監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷,每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無(wú)線(xiàn)表,超負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理,即當(dāng)負(fù)荷超過(guò)百分之五十時(shí),系統(tǒng)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(dāng)變壓器負(fù)荷超過(guò)百分之八十時(shí),系統(tǒng)將不允許新增充電樁開(kāi)始充電,直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

在瀏覽器打開(kāi)云平臺(tái)鏈接、輸入賬戶(hù)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。

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2.2平臺(tái)首頁(yè)

平臺(tái)首頁(yè)總覽每天的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng),累計(jì)的開(kāi)戶(hù)數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng),以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

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2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁(yè)面監(jiān)視用戶(hù)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(hù)擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時(shí)長(zhǎng),進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢(xún)。

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充電監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁(yè)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(shí)長(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。

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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

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授權(quán)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(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁(yè)面,如圖所示:

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主功能頁(yè)

初次進(jìn)入主功能頁(yè)時(shí)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。

image.pngimage.pngimage.png 

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(yè)面,可以查看到當(dāng)前的充電站名稱(chēng)、充電槍名稱(chēng),以及當(dāng)前的賬戶(hù)余額,電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù),還可以查看當(dāng)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(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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個(gè)人信息

個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)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(shè)置支付密碼等功能

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3、硬件配置

3.1平臺(tái)服務(wù)器:建議按照我方推薦配置購(gòu)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(qǐng)阿里云可忽略)

序號(hào)

名稱(chēng)

型號(hào)、規(guī)格

單位

數(shù)量

備注

1

數(shù)據(jù)服務(wù)器

DellR730CPU:E5-2620內(nèi)存:32G硬盤(pán)容量:4*1.2T(SAS1萬(wàn)轉(zhuǎn)2.5英寸小盤(pán))RAID5

臺(tái)

1

甲供,供參考

2

WEB服務(wù)器

DellR730CPU:E5-2603內(nèi)存:16G硬盤(pán)容量:3*300G(SAS1萬(wàn)轉(zhuǎn)2.5英寸小盤(pán))RAID5

臺(tái)

1

甲供,供參考

3

操作系統(tǒng)

WindowsServer2012R2

2

甲供,供參考

4

數(shù)據(jù)庫(kù)

MySQL

1

甲供,供參考

5

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

華為(HUAWEI)S1728GWR-4P-AC,24口千兆交換機(jī)

臺(tái)

1

甲供,供參考

 

序號(hào)

點(diǎn)數(shù)

數(shù)量

名稱(chēng)

CPU資源

硬盤(pán)

帶寬

操作系統(tǒng)版本

1

<1000點(diǎn)

1臺(tái)


4核16G

數(shù)據(jù)盤(pán)150GSSD

5M

WindowsServer2012數(shù)據(jù)平臺(tái)版64位

2

<5000點(diǎn)

2臺(tái)

應(yīng)用服務(wù)器

4核16G

數(shù)據(jù)盤(pán)150GSSD

6M

WindowsServer2012數(shù)據(jù)平臺(tái)版64位

數(shù)據(jù)服務(wù)器

4核16G

數(shù)據(jù)盤(pán)200GSSD

1M

WindowsServer2012數(shù)據(jù)平臺(tái)版64位

3

<10000點(diǎn)

2臺(tái)

應(yīng)用服務(wù)器

8核32G

數(shù)據(jù)盤(pán)50GSSD

10M

WindowsServer2012數(shù)據(jù)平臺(tái)版64位

數(shù)據(jù)服務(wù)器

4核16G

數(shù)據(jù)盤(pán)400GSSD

1M

WindowsServer2012數(shù)據(jù)平臺(tái)版64位

 

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

3.2現(xiàn)場(chǎng)推薦硬件配置清單:

序號(hào)

名稱(chēng)

型號(hào)、規(guī)格

單位

數(shù)量

備注

1

7kW交流充電樁

AEV-AC007DB(L)1


安科瑞

2

40kW交流充電樁

AEV-AC040DB(L)A


安科瑞

3

60kW直流一體充電樁

AEV-DC060SLA


安科瑞

4

120kW直流一體充電樁

AEV-DC120SLA


安科瑞

5

180kW直流分體式充電樁

AEV-DC180FA


安科瑞

6

360kW直流分體式充電樁

AEV-DC360FA


安科瑞

7

分體式充電終端

AEV-DCFZ


安科瑞

8

無(wú)線(xiàn)表

ARCM300T

1

安科瑞(如需變壓器監(jiān)控)

 

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(jì)

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(kāi)關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時(shí)間長(zhǎng)、短路時(shí)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(shí),能以微秒級(jí)速度快速限制短路電流以實(shí)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(chǎng)所人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

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(kāi)關(guān),不同于傳統(tǒng)家用的空氣開(kāi)關(guān)(微斷)。我們知道,傳統(tǒng)空氣開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程,分?jǐn)鄷r(shí)間需要幾十毫秒(一般30~50ms),帶負(fù)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(dǎo)體內(nèi)部的載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),分?jǐn)鄷r(shí)間微秒級(jí),速度快,無(wú)電弧產(chǎn)生。

如圖1所示,當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí),傳統(tǒng)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。

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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(tǒng)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(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(shí),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(diǎn)

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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(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí),能在150微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速限流保護(hù);

B)過(guò)載保護(hù)功能,線(xiàn)路持續(xù)過(guò)載時(shí),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(guò)高時(shí),保護(hù)器限流保護(hù);

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

E)電纜溫度監(jiān)測(cè)功能,被測(cè)線(xiàn)纜溫度超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí),保護(hù)器告警或限流保護(hù)(可設(shè));

F)漏電流監(jiān)測(cè)功能,線(xiàn)路漏電超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí),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(wú)線(xiàn)通訊,可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺(tái),或第三方監(jiān)控軟件或平臺(tái),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數(shù)

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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(hù)開(kāi)關(guān)下端,額定電流值根據(jù)入戶(hù)開(kāi)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:

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2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項(xiàng)

在選用限流式保護(hù)器時(shí),限流式保護(hù)器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級(jí)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(shí),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(xiàn)路中。

ASCP200系列采用限流式保護(hù)器采用壁掛式安裝,可以?huà)靿Π惭b,也可以安裝在箱體內(nèi),應(yīng)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(yīng)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(dǎo)致局部過(guò)熱,也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護(hù)器工作不正常,線(xiàn)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(shí)。

保護(hù)器內(nèi)部帶有交流電,嚴(yán)禁非專(zhuān)業(yè)人士擅自打開(kāi)產(chǎn)品外殼。保護(hù)器在使用期間,若被保護(hù)線(xiàn)路發(fā)生短路或過(guò)載故障而被限流保護(hù)時(shí),保護(hù)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(zhǎng)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(shí)。

當(dāng)保護(hù)器因超溫而發(fā)生限流保護(hù)時(shí),則可能是因?yàn)樨?fù)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?qū)е?,可通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)等措施,等保護(hù)器溫度降下來(lái)后,再長(zhǎng)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(yǔ)

綜上所述,可以看出來(lái),在電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁的設(shè)計(jì)中,要考慮的因素較多,設(shè)計(jì)要求也更加高,對(duì)智能充電樁的要求也比較嚴(yán)格,因此在設(shè)計(jì)智能充電樁的時(shí)候,需要對(duì)智能充電樁的連接方式、接口設(shè)計(jì)、問(wèn)題處理等都要進(jìn)行科學(xué)合理的選擇,讓智能充電樁的設(shè)計(jì)可以更好的服務(wù)于客戶(hù)。

 

參考文獻(xiàn)

[1] 柏靜.電動(dòng)汽車(chē)充電樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析.

[2] 魯莽,周小兵,張維.國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施發(fā)展?fàn)顩r研究[J].華中電力.

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