智能充电桩的设计要求与方案分析

汽车事业的发展体现了现代化社会发展的趋势，随着汽车数量的快速增长和石化材料的大量应用，我国能源事业和环境发展面临着严峻挑战。新型电动汽车的出现正好解决了这一问题，在一定意义上实现了零排放。我国电动汽车起步较晚，但是其发展速度较快。尤其在研发方面，一些小型电动车已取得了较好的成果，发展前景较好。在电动汽车的充电桩设计上，还要对其进行更加深入的研究，提高电动汽车智能充电桩的环境适应性，保证其供电稳定性。

一、电动汽车智能充电桩的设计要求

我国土地辽阔，各个区域的自然环境也存在着较大差异，并且电动汽车智能充电桩经常工作在电磁较高的环境下，这些也都对电动汽车智能充电桩的设计提出了更高要求。要求电动汽车智能充电桩不但要经受较端天气的考验，还要具备较强的抗电磁干扰能力。

1、合天气变化的考验

随着全球气候不断的变暖，我国自然环境受到了较大的威胁，恶劣天气事件出现的频率越来越高。不但影响了工业行业的发展，而且对地区经济的发展造成了一定影响。对于电动汽车智能充电桩来说，外部结构的稳定性和封闭性对电动汽车使用的安全性均具有非常重要的作用。例如，电动汽车智能充电桩的封闭性不佳，会导致水珠、雨雪等进入到充电桩内，造成电动汽车智能充电桩内部电路出现短路、系统故障等。因此，设计电动汽车智能充电桩时，要充分保证其外部结构的封闭性和稳定性。另外，为了使电动汽车智能充电桩结构内部元器件产生的热量及时散发出去，还要保证其内部空气的流动性。

2、具备抗电磁干扰能力

电动汽车智能充电桩所处的电磁环境，是由外界一些电磁感应信号对自身充电桩信号接收和输出情况造成干扰的环境。随着通信技术、网络技术的不断发展，电磁干扰的情况也越来越频繁。对于一些电磁干扰较强的环境中，为了保证电动汽车智能充电桩的正常运行，在设计上要考虑到电气线路的布局，将外界电磁信号对自身的干扰降到较低，进而将电磁干扰所造成的不良影响降到较低。

二、电动汽车智能充电桩 APP 客户端设计

近年来，随着智能手机的普及，APP 客户端软件在人们日常生活中得到了广泛应用。在对电动汽车智能充电桩 APP 客户端的设计中，根据用户手机操作系统的不同分别设计了 iOSV7.0.0 版本和 Android V2.3.3版本的 APP 客户端软件，均为 C/S 体系结构，具有强大的扩展能力和灵活性。

1、视图层

视图层是 APP 客户端与用户交互的界面，在了解用户需求的情况下，可通过调用业务逻辑层的接口对用户需求进行逻辑处理，并将处理结果展现给客户。包括地图显示、支付结算、车辆状态显示、电池电量状态显示、控制界面以及查询界面等。

2、业务逻辑层

需要及时完成用户在业务上的逻辑需求，包括对服务器数据的请求、对本地数据库中的数据读取等。

3、业务实体层

业务实体层包括各个不同的业物实体、对网络服务器的数据请求、对本地数据库中的数据解析、对网络平台服务器数据请求和数据解析以及对网络平台数据库的维护等。APP 客户端软件在设计思维上，是根

据用户选择的功能对相应业务逻辑层对应的模块进行调用。而在此过程中，业务流程的组织工作全部由业务逻辑层完成，还调用了业务实体层模块。通过网关服务器的接口，可完成与网关服务器之间的信息交换。

目前环境问题日益严重，资源也严重短缺，节能减排的实行至关重要。电动汽车的使用在很大程度上减少了废气的排放，节约了能源。电动汽车发动机的动力来源是电力，所以，电动汽车的充电问题是非常重要的。本文以运营型32KW交流充电桩项目为例，对充电桩的连接方式、接口设计、通信延迟丢包等问题进行分析，探索电动汽车智能充电桩的设计，更好的为电动汽车提供电力，对环境起到更好的保护作用。

安全在任何时候都是排在前面，在设计电动汽车智能充电桩的时候，一定要考虑到安全问题。在智能充电桩给电动汽车充电的过程中，一定要保证安全，包括充电桩本身的安全、蓄电池的安全、工作人员的安全等。

智能充电桩一定具备的一个性能就是智能，在设计智能充电桩的时候，一定要尽可能的减少人工的操作，让用户在使用的过程中更加便捷。同时，在设计智能充电桩的时候一定要考虑到效率高性，在设计智能充电桩的时候一定要注意充电桩的充电速度，保证充电的效率高，让充电桩的工作效率提高。

对于智能充电桩来说，它的工作环境比较恶劣，我国的南北温差比较大，自然环境也比较复杂，再加上智能充电桩的工作环境中还有强电磁，这些都让智能充电桩的设计有很大的难度。在设计智能充电桩的时候，要考虑到以下两点：(1)要综合考虑内外部的结构，适应各种天气，在设计智能充电桩的时候，要注意充电桩的外部结构是否封闭，以防雨水、血水等进入到桩内，造成智能充电桩出现系统故障等，内部的空气流动也要良好，有效的散热，避免智能充电桩在运行过程中因为散热不好而出现故障，智能充电桩的硬件系统还需要适应各类的气候环境，保证智能充电桩在不同的环境中都可以正常运行。(2)提高智能充电桩的抗电磁干扰能力，在智能充电桩工作的环境中有很多的电磁干扰，对于电磁干扰主要就是各种电磁感应对信号传输造成扰乱的情况。

根据市场与公司运营需要，我司需设计一款能够在满足电动汽车交流充电桩标准的前提下，具备联网控制、在线计费、在线监控的产品。笔者作为项目的研发经理，主要负责项目的硬件电气部分设计、嵌入硬件部分设计、嵌入式软件部分设计。

1、连接方式

在智能充电桩设计中，其连接方式主要是充电桩标配充电枪和充电桩标配充电枪座。对于充电桩标配充电枪来说，用户使用的时候更加方便，但是充电桩标配充电枪中配有电线缆，电线缆容易损坏而且还容易被一些不法分子破坏或者偷盗。对于充电桩标配充电枪座来说，需要设计防雨部分，而且还要牺牲一部分的用户体验。综合考虑，在本项目中所使用的连接方式是充电桩标配充电枪座。

2、接口设计

在智能充电桩设计中，因为是初次使用互联网通信，所以在选择接口的时候有很大的问题。智能充电桩通过有线方式“以太网”集中，然后通过宽带接入 GPRS 通信或者互联网，在选择接口的时候要综合考虑。有线方式“以太网”集中宽带高、稳定性好、延迟低，但是所涉及的路由器、宽带猫、交换机中的任何一个环节出现问题都会让整个集中区域内的网络都瘫痪。对于 GPRS 通信来说，它的宽带较低、稳定性较低、延迟比较高，但是它的每一台都是独立的，即便其中的某一台出现故障的时候，对其他的设备不会造成影响。对此，本项目选用的接口是标配 GPRS 通信。GPRS 通信虽然在宽带、稳定性、延迟方面略有不足，但是 GPRS 通信可以让每一台智能充电桩都独立起来，其中某一台智能充电桩出现问题的时候对其他的智能充电桩不会有影响，可以给用户带来更好的服务，保证服务质量。

3、通信延迟丢包问题处理

在智能充电桩的设计中，要考虑到通信延迟、丢包等问题，这些问题会导致智能充电桩中的关键数据出现不完整的情况，关键数据主要是指在智能充电桩中用户的结算信息。在本项目中，初次测试的时候结算方式采用的是单独推送的形式，在测试过程中发现，一旦出现断网的情况或者数据在传输过程中有不完整的情况，就会遗失所传输的记录，出现无法扣费的现象。后期在测试的时候采用了多次传输同时增加充电前的网络验证，在测试中采用多次传输的同时增加充电前的网络验证可以有效的避免通信延迟、丢包的问题，让传输记录保持完整，给用户带来更好的服务，让智能充电桩的设计更加科学合理。

系统架构

资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。

交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表

用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理

充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等

微信小程序：扫码充电，账单支付等功能

数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析

变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。

电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等当弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，保障使用场所人员和财产的安全。

规汽车一般使用化石燃料作为动力能源.而这种燃料的使用不仅会造成环境污染.而且由于化石能源是不可再生资源.资源储备量越来越少。因此越来越多的国家开始致力于电动汽车的研究和生产。在电动汽车行业方面我国属于起步较早而且发展十分迅速的，为了进一步节能减排，改善地球的现有环境，电动汽车的发展已经成为了必然趋势。但是电动汽车较弱的续航能力、不便于充电等方面也是一直被人诟病，大大限制了电动汽车的大范围使用目前的电动汽车的动力来源一般是蓄电池.如果电压比较低，就需要进行充电，否则在速度、汽车性能等方面都会受到很大影响。充电模式多种多样.其中用的比较多的是常规充电、电池组快速更换以及快速充电等，作为电动汽车的动力电池重量较大、体积也较，因此会面临更换时不方便的问题。而电动汽车智能充电桩得使用将能够解决电动汽车充电问题。智能充电桩能够根据动力电池的电量进行电池维护.汽车用户进行操作时也十分简便。不仅能够解决电动汽车随时随地充电的问题，还能够对动力电池进行维护。

2电动汽车的充电方法和建设充电桩监控系统的必要性

目前，电动汽车充电方式主要有以下几种：

(1)交流充电。交流充电时一般采用的是220V或380V的交流电源，进行充电时车载充电装置会对电流进行整流和滤波。从而保护电动汽车电源，并且实现对电动汽车的充电。但是这种充电方式需要较久的充电时间，因此比较适 合小型的电动汽车和混合式电力汽车。

(2)直流充电。该种充电方式通过直流电源对电动汽车的蓄电池进行充电。不需要经过车栽装置进行电流调节.因此可以大大减轻汽车自重。因此进行直流充电时充电功率较大.充电效率较高，可以达到快速充电的目的。因此可以用于大型的电动汽车充电。

(3)更换电池组。使用这种方式充电时需要为电动汽车准备两组电池，当一组电池给电动汽车提供动力。另外一组就进行地面直流充电。如果正在使用的蓄电池电力不足时，将该组蓄电池拆下替换成另外一组电池。这种方式充电大大缩短了充电时间。但是充电时间的缩短代价是建造较多数量的电池更换站并且需要很多工作人员对电池更换站进行维护。需要投入大量的成本.降低了电动汽车充电智能化，因此一般不使用这种方式进行充电。

(4)非接触式充电。这种方式在电动汽车充电当中并不常见，因为需要嵌入特定的电气元件.而且还需要保证与汽车随时都能够进行接触。只有做到了这样才能够保证电动汽车在行驶时也能够随时随地充电。同样由于技术和投入 资金的原因.这种充电方式并没有得到大量推广使用。

充电方式主要有直流和交流充电两种。不管是这两种方式的那种，都需要建设充电桩，为了保证充电智能化，充电桩监控系统也是必不可少的。尽管现在电动汽车还存在不少的缺点，但是随着社会、科技等的发展.电动汽车由于其噪音小、无污染等优点就会逐渐被人们接受和认可。因此需要进行充电系统的建设.尽管这项工程十分庞大。但是必要性仍然是存在的。随着电动汽车的发展，现在的蓄电池一般采用锂电子电池。此种电池在充放电方面的要求很高，如果不建设智能充电桩管理。将会对锂电池造成大的伤害.更有甚者会危及到人们的生命安全。

3电动汽车充电桩监控系统实现的功能

充电桩建设的两种可行模式：

(1)交流充电桩的建设。在停车场进行交流充电桩的建设，交流电压可以采用220V或者380V。这两种电压适用于大 多数的电动汽车蓄电池通过这些交流充电桩可以能够给小型的家用电动车或是环卫的清洁车进行充电。这种充电桩的建设方式有的优点在于能够在夜 间进行电池充电。

(2)直流充电桩的建设。这种充电桩一般适合建设在大型电动汽车或公交车聚集较多的场合，直流充电桩能够为大型电动汽车进行快速充电。因此这种充电桩拥有较大的功率.对电网运行可能会造成一定程度的影响因此在直流充电桩的建设时需要考虑对电网的保护。

3.2监控系统的主要功能

监控系统主要包括以下功能：

(1)IC卡识别功能.需要通过识别IC卡来完成激活充电桩以及计费方面的功能。

(2)蓄电池在充电桩进行充电时需要能够对蓄电池的电压和电流进行保护和检测功能。

(3)电动汽车电池充电时对其充电状态、电压、电流等方面进行电池情况的监控。

(4)电池进行充电时需要对电池进行智能维护，以延长电池的使用时间。

4充电桩智能监控系统的设计

4.1硬件框架组成

充电桩的电源为380V交流电网电源经过对交流电进行整流、滤波和稳压等措施就变成直流电源。能够供给电动汽车进行充电。想要完成充电桩的充电还需要IC卡识别模块.这个模块的设计能够让用户激活充电桩。读卡器将会识别出IC卡上的用户信息，识别完成后能够显示个人信息、余额等。而状态显示模块则用来将充电过程中的状态 信息充分显示出来。硬件系统包括了主控板、检测芯片、IC读卡器以及显示屏、键盘等设备。建设充电桩过程中。其桩体材料的选择应该以镀锌铜板优先，考虑到防潮防水性能，还应该保证材料的防水性能，以保证充电桩在潮湿天气下也能够正常使用。

4.2充电桩智能监控系统的软件构成

当需要给电动汽车充电时.只需要将电动汽车上的充电插1：1连接到充电桩上的充电手柄.通过读卡器识别户的IC卡以将充电桩激活：如果充电插口和充电手柄没有进行正常连接将会进行提示和报警。完成身份识别后，用户可以进行充电时间、充电模式的选择，同时在充电过程中充电桩将会检测电池的充电状态，如果充电模式被检测到不对的话，同样会提示和报警。充电桩也会通过显示屏给用户一些选择充电模式方面的建议。如果充电模式的选择被检测到是正确的，充电桩将会进行正常充电过程，充电桩给电动汽车充电过程中。充电桩的显示屏将会显示出用户信息、用户卡上余额、已经充电得时间以及充电完成剩余时间等信息。电动汽车充电结束后，充电桩将会发出提示，用户IC卡停止计费，将票据通过打印机打印出来，等到用户与电动汽车一同离开后，充电桩就会进入到自动锁定的状态，直到下一个用户激活为止。以上步骤是智能充电桩的正常使用程序。