电动汽车智能充电桩的设计与实现

电动汽车智能充电桩的设计与实现

发表时间：2017-07-11T11:51:02.130Z 来源：《防护工程》2017年第5期作者：杨紫亮

[导读] 针对恶劣环境下的电动汽车智能充电桩展开了设计，以期为我国电动汽车产业的发展提供帮助。

嘉凯城集团（上海）有限公司 200030

摘要：推广使用电动汽车是我国建设资源节约型社会、践行环保理念的重要表现之一，对保护生态环境起着不可忽视的促进作用。目前，我国电动汽车的保有量稳步提升，而电动汽车是以电力作为发动机的动力来源的，因此，电动汽车的充电问题日益凸显。在此背景下，针对恶劣环境下的电动汽车智能充电桩展开了设计，以期为我国电动汽车产业的发展提供帮助。

关键词：充电桩；硬件系统；软件系统

随着国家新能源战略的推动和电动汽车行业的发展，电动汽车充电行业的发展非常迅速。目前，我国电动汽车充换电设施试点工程已建成并投运87座标准化充换电站、5179台充电机和7031台交流充电桩，覆盖全国26个省市，杭州初步建成电动汽车充换电服务网络。充换电站及充电桩数量已居世界第一，我国成为世界上电动汽车充电装置最多的国家。为适应电动汽车发展要求，国家电网将在“十二五”期间建设充换电站2351座，充电桩22万个，初步建成覆盖公司经营区域的智能充换电服务网络。针对目前市场上电动汽车和充电设备接口不统一、功能、性能设计标准不统一，质量良莠不齐的现状，国家先后出台了一系列的规范和标准。电动汽车充电桩作为电动汽车充电的主要渠道，其性能、工艺水平和质量直接影响到电动汽车的推广。因此，非常有必要根据国家相关标准的要求，进行了电动汽车充电桩的设计。电动汽车充电桩设计时，不仅要满足电动汽车充电的基本功能，还需要强化充电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的设计。

1 智能充电桩的总体设计要求

我国幅员辽阔，跨越了多个温度带，自然环境较为复杂，加之充电桩常工作在强电磁的环境下，这些都对电动汽车智能充电桩的设计提出了更高的要求。

1.1 可经受多种极端天气的考验

随着全球气候不断变暖，极端自然天气事件出现的概率越来越高，对社会的各个行业均造成了严重的影响。对于智能充电桩而言，其外部结构必须具备良好的封闭性，使水珠、雨雪等无法进入桩内，从而避免电路短路或系统故障；内部还需要形成良好要的空气流动，从而及时散发元器件产生的热量。

1.2 应具备较强的抗电磁干扰能力

电磁环境主要是由各种电磁感应所造成的信号传输干扰现象。在无线移动通信技术快速发展的今天，电磁干扰已经成为比较常见的现象之一。针对有强电磁干扰的工作环境，在设计电动汽车智能充电桩时，需要着重考虑电气布局，从而降低各种电磁干扰造成的不良影响，确保电动汽车智能充电桩能正常运转。

2电动汽车充电桩设计

本项目设计的电动汽车智能充电桩依据《NB/T33002-2010电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q/GDW485-2010电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q/GDW478-2010电动汽车充电设施建设技术导则》、《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》相关要求进行设计。该产品在满足相关标准对电动汽车充电桩的技术要求基础上，强化了充电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的设计，增加了视频拍照、微型热敏打印、无线组网等功能。

2.1硬件系统设计

电动汽车充电桩硬件系统主要由主控板、监控板、IC卡读写器、数字电表、移动通信模块、触摸屏、指示灯、按键等组成。硬件系统的硬件组成如图1所示

该单元对充电桩的进线输入电压，充电输出电压、电流，充电接口连接状态，车载电池管理系统状态，车载电池状态等进行实时检测，一旦出现异常，能够及时切断电源输出，保护电动汽车、电池及充电桩本身的安全。

2.2软件系统设计

2.2.1系统工作流程

当电动汽车需要充电时，用户将充电卡放置刷卡区，根据画面提示通过键盘进行相应操作，连接充电接口，选择充电模式，启动充电过程。在上述过程中，控制保护单元检测充电接口连接状态，如果连接状态不正常，则无法启动充电。同时，在充电过程中，显示区的充电指示灯点亮，监控单元实时监测充电电压、充电电流、充电接口连接状态、充电开关状态等，在异常或故障时断开充电开关，并报警。

充电桩软件系统主要完成的功能是将各功能模块有机的结合起来，实现各模块的协调调用，系统整体控制流程图如图3所示。

当软件系统启动时，主控程序根据系统配置文件加载程序配置信息，并根据配置信息完成各通信模块的加载。软件平台强大的多线程处理能力，主控程序能够轻松的完成与各通信模块的交互。主控程序通过各模块通信能够完成用户信息采集与展示、实时数据采集与展示、充电流程控制、计量计费功能等功能，同时该主控程序还具备后台通信功能，能够把充电过程中的实时数据、充电记录等信息上送到远方后台系统。人机交互模块设计时，界面显示单元显示的内容非常丰富，其中主要界面有欢迎界面、连接确认界面、充电参数设定界面、启动充电界面、充电界面、停止充电界面、结账界面、打印界面等。人机交互模块通过与主控模块的交互，获取控制命令完成界面切换;获取用户信息与实时数据信息并进行信息展示。安全模块由带安全存取模块(SAM)的读卡器，密钥管理系统，数据加密、解密模块组成。带安全存取模块(SAM)的读卡器采用硬件加密技术，对用户卡与充电桩数据交互过程中所使用的临时变量进行加密处理，并对传递过程进行线路加密，保证了用户卡与充电桩进行数据交互的过程中，信息不会被外界窃取。密钥管理系统的主要功能是提供各种密钥的生成机制和加密算法，并将生成的密钥存储在具有密钥导出功能的CPU智能卡，即SAM(Security Access Module)卡中。数据加密模块用于把用户数据按照事先约定的加密方式加密并存储在用户卡的用户数据区域。解密模块用于将读取的用户卡数据还原为原始数据并进行相关的用户识别，扣费等操作。

2.3环境及电磁兼容设计

电动汽车充电桩应用环境大多在室外，工作环境比较恶劣，需要适应雨、雪、雾、风吹、日晒、高温、低温等恶劣天气的考验;同时，电动汽车作为一个充电设备，还必须能够承受各种电磁干扰的考验，在典型的工业电磁骚扰环境下能够正常提供充电服务。桩体结构及工艺设计采用交叉覆盖工艺，既保证了桩体的防护等级达到IP54标准，在雨雪、水溅等情况下，水珠不能进入桩体及桩体内部;又能够在工作时形成良好空气流动，保证充电桩内部元件的散热;桩体主体采用镀锌钢板，外表面采用汽车烤漆工艺，保证了充电桩在潮湿、盐雾等恶劣天气环境下不锈蚀;元件选型时，所有零部件采用工业级元器件，保证充电桩在工业环境温度范围内稳定正常工作;电气设计时，采用防雷器，电路设计上采用压敏电阻、瞬变抑制二极管、磁环、磁珠等措施，保证充电桩在典型工业骚扰环境下正常工作。 3结论

本充电桩严格遵守国网公司相关标准，并根据电动汽车产业发展的规划和发展方向，研制了一种稳定、可靠、安全、实用的电动汽车智能充电桩。运行结果表明，本充电桩的使用提高了电动汽车充电桩的技术水平和实用化水平，有力的推动了电动汽车充电行业的发展。参考文献

[1]王涛.电动汽车充电桩的控制系统研究与设计.湖北电力.2011.1.

[2]张丽.利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩.高电压技术.2011.1.

[3]严晓燕.基于RFID预付费支付系统在充电站中的应用.电力信息化.2010.7.

[4]郭强.电动汽车交流充电桩的电磁兼容测试研究.电子质量.2011.5.