电动汽车充电桩监控平台系统的设计与应用

摘要：针对当前电动汽车续航能力严重不足以及不能及时充电的问题，将电力电子变流技术、智能监控技术、REIP无线射频技术及CAN总线技术应用到电动汽车智能充电桩的设计与研究中。开展了无人值守的智能电动车充电桩的现实依据和理论可行性分析，提出了一种兼备CAN总线网络通讯功能和无人值守功能的电动汽车智能充电桩的软件设计方法和硬件结构组成方案，把每个电动汽车智能充电桩视为一个智能节点，建立了上位机组态监控和下位机数据采集相互结合的系统整体框架。在组态软件MCGS上对电动汽车智能充电桩的人机交互界面进行了模拟演示试验，并对电池充电过程中的各项参数指标进行了采集与分析。研究结果表明：电动汽车智能充电桩能够快速地为电动汽车充电，并且具备完善的远程通信和监控功能，保证了电动汽车的续航能力。关键词：电动汽车；智能充电桩；充电桩管理系统；实时监控；交易管理0引言常规石化燃料的使用在对大气造成了很大程度的污染的同时，其作为一种不可再生能源，储量也越来越少。目前，很多国家和科研机构正在积极致力于电动汽车的研发与生产，我国在电动汽车行业起步早、发展快，发展电动汽车已经成为节能减排与改善地球环境的必然趋势。电动汽车凭借其零污染、零噪音、驾驶简单的优势一度成为人们关注的焦点，但是电动汽车续航能力弱以及充电不方便等缺点也成为限制大范围使用的障碍。目前，电动汽车采用蓄能电池作为动力来源，当电压较低时，就要进行电能补给，否则性能会受到很大影响。目前，国内有很多充电模式，例如：电池组快速更换、快速充电以及常规充电等，但是动力电池体积大、重量大、更换不方便旧J。电动汽车智能充电桩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，具有人性化的人机交互界面和完善的通讯能力，确保了用户操作简便，实现了智能化。本研究将电力电子变流技术、智能监控技术、REIP无线射频技术等应用到电动汽车智能充电桩的设计与研究中。1 电动汽车(EV)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(EV)充电的方法主要有：(1)交流充电。由电网提供220 V或者380 V交流电源，经过车载充电装置的滤波、整流和保护等功能，实现对电动汽车蓄电池的充电过程。这种充电方法充电时间较长，充电功率较小，适合小型纯电动车以及混合动力运行的汽车。(2)直流充电。这种充电方式是由地面提供直流电源，直接为车上的蓄电池进行充电，省去了车载充电装置，有利于车身自重的减轻。地面充电机一般功率较大，能实现快速充电。适合电动公交车等大型电动汽车。(3)更换电池组。这种充电方法为每一辆电动汽车准备了两组蓄电池，一组为电动汽车提供电源的同时，另一组处于地面充电状态，当车载电池组电量不足的时候，可以及时地拆下并更换已经充足电量的电池组。这种方式能够实现较短时间的充电过程。但是需要建设大量的电池更换站，需要大量人员进行维护。投资成本大，智能化程度低，不予采用。(4)非接触式充电。这种充电方式需要在路面上嵌入电气元件，并且能够和车辆进行随时接触，这样在车辆行驶的过程中才能够实现随时充电，不用受到充电地点的限制。这种充电方式目前还没有引起人们足够的注意和兴趣，不予采用。对建设充电桩监控系统的必要性分析如下：随着社会科技力量的不断强大，电动车以其零排放和噪音小的优势会逐渐地被人们所认可。建设庞大的充电系统也是不可或缺的一部分，就如同现在的汽车加油站一样，遍地可见。同时，现在的电动车辆电池大部分采用能效比较高、体积较小的锂离子蓄电池作为能源电池。锂离子电池对充放电的要求较高，如果没有相应的监控方式，就会对电池造成不可修复的损害，严重时还会危及到人们的人身安全。2 电动汽车(EV)充电桩监控系统实现的功能2．1 充电桩建设的两种可行模式
[*]建设交流充电桩。在小区停车场建设交流充电桩，采用220 V或者390 V交流电压，这两种电压等级容易获得。经过地面充电桩，可以为家用电动汽车或者环卫清洁车等小型电动汽车充电，这种交流充电桩的优势就是可以利用车辆夜间闲置的时间进行充电。
(2)建设直流充电桩。在电动公交车站或者大型电动汽车的场合建设直流充电桩，可以快速地完成车辆充电过程。这种充电桩的功率较大，对电网会进行一定的冲击，所以在建设的时候需要考虑对电网的保护措施。本研究只要考虑交流220 V、380 V充电桩的监控系统的设计。2．2监控系统的主要功能监控系统的主要功能包括：(1)具备IC卡识别功能，通过手持Ic卡进行充电桩的激活和计费功能。(2)具备对充电桩交流电源的电压和电流的检测和保护功能。(3)具备对电池的充电状态、充电电压、充电电流、充电阶段进行监控的功能。(4)具备通信功能，能够和上级管理层进行通信和数据交换。(5)具备电池智能维护的功能，能够在充电过程中，对电池进行检测，适度维护电池。3 充电桩智能监控系统的设计3．1硬件框架组成充电池监控系统的结构图如图1所示。图1中，AC交流电源输入为直接接人的380 V电网电源，经过处理单元的滤波、整流、稳压等一系列操作变成可供电动汽车充电的可用直流电源。IC卡识别模块用来用户激活充电桩的方式，通过读卡器识别Ic卡上的用户信息，可用来显示余额，以及个人信息。状态显示用来显示当前的充电模式、充电电流／电压以及电池的充电状态等信息。硬件系统主要包括主控板、Ic读卡器、检测芯片、以及显示电表和显示屏、键盘、通信模块等设备。主控板是硬件系统的核心组成部分，完成充电过程的启动、运行、实时监控以及关闭，并可通过多种通讯方式将数据实时传输至后台，主控板的主要功能特点包括：具备7个串口，下位机检测以及数据采集办卡通过通用串行总线和上位机CPU模块进行通信，同时上位机需具备显示功能。具备一个以太网口，动态的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具备工业级的温度范围等。5 J。为了实时监测充电桩的运行状态，保证充电过程的安全可靠，本研究设计了监控保护单元，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、车载电池管理系状态、车载电池状态等进行实时监测，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。在电动车充电桩建设的过程中，充电桩外体材料应选择镀锌钢板，并具备一定的防潮防水性能，保证在阴湿天气情况下能正常运行。在元件选型时，应该选择具有工业级标准的电力电子器件，保证充电桩在恶劣环境下能正常运行。另外，为防止电磁干扰，应选用带屏蔽功能的通信线，以及在外体上链接一根接地线，起到共模抑制的作用。3．2充电桩智能监控系统的软件构成软件系统程序流程图如图2所示。当用户需要充电时，将电动汽车的充电插口与充电桩的充电手柄相连接，然后通过IC卡读卡器激活充电桩；如果充电手柄与充电插口连接不正常则提示报警。用户身份识别完成后，用户可选择充电模式和充电时间，同时充电桩检测电池状态，如果电池当前状态不允许用户选择当前充电模式的话，则提示报警，由充电桩给出合理的充电模式的选择建议。当充电模式选择正确后，则可以研究正常充电过程，在充电过程中，显示屏会显示当前用户的信息、卡余额、充电时间以及估计剩余时间等等有效信息。充电结束后，充电桩给出提示，卡计费停止，打印票据，用户离开，充电桩自动进行锁定状态，等待下一用户激活。https://mall.acrel.cn:10078/mall/f04d24af5fa54d3fb1b3d58b92b401a6.png主程序在编写时，采用了模块化的原则，这样能够保证充电桩高效的运行，笔者按照充电桩的几大功能，将程序分为几个大的模块：中央控制模块、IC卡识别模块、通讯模块、显示模块、打印机模块、检测模块等6大模块。8 J。当充电桩被激活时，主程序能够有效地协调各个模块之间的工作从而完成从身份识别到充电结束的一整套流程，多线程处理可以保证各个模块之间相互独立，互不影响。4智能充电桩的性能测试经过现场测试，电动汽车智能充电桩完全能够满足快速充电的要求，并且具备电池的维护和保养功能，现场监控画面能够实时显示电池电压、电池电流、充电电压、充电电流、卡内余额等各项信息，用户可以很方便地进行充电操作，现场测试表明，电动汽车智能充电桩运行状况良好。系统整体测试截图如图3所示。https://mall.acrel.cn:10078/mall/b3b547287b4e4b7cb80237646b5c85c5.png5 安科瑞充电桩收费运营云平台5.1概述AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。5.2应用场所适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。5.3系统结构https://mall.acrel.cn:10078/mall/cadfb61e30e744e2bbfaa97276b6a6f7.jpeg5.3.1系统分为四层：1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。4）数据中心层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。5.4安科瑞充电桩云平台系统功能5.4.1智能化大屏智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。https://mall.acrel.cn:10078/mall/a0f7665a4d4a407f982ab5a2049fcb51.png5.4.2实时监控实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。https://mall.acrel.cn:10078/mall/ac6ed0f6b67547a7b9662224ce87c455.png5.4.3交易管理平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。https://mall.acrel.cn:10078/mall/2f9ddcf73d0b4c8cbeadcc0b40b48098.png5.4.4故障管理设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。https://mall.acrel.cn:10078/mall/b5953c3d1ada437a93fb30fc01b54179.png5.4.5统计分析通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。 https://mall.acrel.cn:10078/mall/a02c20f793204ae6bc22946d860a3ade.png5.4.6基础数据管理在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、 冻结和解绑。https://mall.acrel.cn:10078/mall/bc450b0e9ec4482e942437e835d0d580.png5.4.7运维APP面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送。https://mall.acrel.cn:10078/mall/fb02cc2bf6e949c2b80904fafea516de.jpeghttps://mall.acrel.cn:10078/mall/79dba0890c80454c9d8fd92ac533def5.jpeg5.4.8充电小程序面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能https://mall.acrel.cn:10078/mall/de09f228265143258d31af1c08c0bacc.jpeghttps://mall.acrel.cn:10078/mall/750e10c1964e456da749cc5917bfb847.jpeg>5.5系统硬件配置
型号图片功能
AcrelCloud-9000安科瑞响应国家节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷高效安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、高效、安全的充电服务。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
AEV-AC007D额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
AEV-DC030D 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用通讯方式：4G/以太网支持刷卡，扫码、免费充电
AEV-DC060S额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用通讯方式：4G/以太网支持刷卡，扫码、免费充电
AEV-DC120S 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用通讯方式：4G/以太网支持刷卡，扫码、免费充电
ACX10A系列10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
ACX2A系列2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
ACX20A系列20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
ACX10B系列10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
ANet-2E4SM 4路RS485 串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC 12 V ～36 V 。支持4G扩展模块，485扩展模块。
扩展模块ANet-485M485模块：4路光耦隔离RS485
扩展模块ANet-M4GM4G模块：支持4G全网通
ADL200单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A；电能精度：1级支持Modbus和645协议证书：MID /CE认证
ADL400 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级证书：MID /CE认证
ADW300三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能 、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目推荐）证书：CPA/CE认证
DJSF1352-RN直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入较大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电证书：MID/CE认证
PZ72L-DE直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级证书：CE认证
ASCP200-63D导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。
6结语通过在实验室进行的模拟充电实验，笔者得出以下结论，电动汽车智能充电桩的运行状况良好，充电模式可以根据需要进行修改，充电时间可根据充电模式的选择自动调整，*快充电时间在60 rain左右，用户信息可以显示当前卡内余额、历史充电记录，方便用户查询。当电池电压达到额定电压的90％的时候，系统会自动降低充电电流，对电池做出维护。凸显的一个问题就是，系统发热量较高，需配备散热设备进行散热，以保证电子器件的安全、稳定运行。参考文献 王涛，张东华，贺智轶，等．电动汽车充电桩的控制系统研究与设计．湖北电力，2011，35(1)：11—12． 张允，陆佳政，李波．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，2011，37(1)：150．156．严晓燕．基于REIP预付费支付系统在充电站中的应用．电力信息化，2012，8(7)：10—13．齐文炎，霍明霞，杨延超．电动汽车交流充电桩浅析．农村电工，2010(2)：66-68．王旭，齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究．电工技术学报，2012，27(2)：159·164．安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.安科瑞唐晓娟13774431042