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智能充电桩互联互通设计方案探讨

发表时间：2021/5/13 来源：《中国电力企业管理》2021年2月作者：张超张国伟

[导读] 随着经济和科技水平的快速发展，目前国内充电桩的设计大多是按照一个充电桩一个充电枪的模式，当一桩一枪的充电系统在面对多台电动汽车时，采用传统充电方式的电动汽车需要较长的充电时间，严重影响用户体验，这样就需要配备多台充电桩，但会增加充电设备投入，占用更多场地和更高的设备维护成本，一桩多充能有效解决同时对多辆电动车充电的难题，也是目前研究的热点之一。

新疆维吾尔自治区喀什市国网新疆电力有限公司伽师县供电公司张超张国伟 844000

摘要：随着经济和科技水平的快速发展，目前国内充电桩的设计大多是按照一个充电桩一个充电枪的模式，当一桩一枪的充电系统在面对多台电动汽车时，采用传统充电方式的电动汽车需要较长的充电时间，严重影响用户体验，这样就需要配备多台充电桩，但会增加充电设备投入，占用更多场地和更高的设备维护成本，一桩多充能有效解决同时对多辆电动车充电的难题，也是目前研究的热点之一。电动车充电系统普遍采用均充或轮充方式对电池完成充电作业，或者采用以集中控制与分层控制为核心的控制方式对汽车充电进行优化。但在现有的硬件结构条件下，另一部分方法表面上能够得到比较合理的控制结果，但过于依赖网络通信，在现有的网络带宽下，很难实现。目前现有的电动汽车与车桩之间的信息交流相对较少，导致用户需求、电动汽车电池、车桩三者关系无法实时匹配。总之，充电系统未充分考虑电池的荷电状态与用户需求，导致电动汽车充电效率低下，电动汽车电池的使用寿命缩短。
关键词：新能源汽车；智能充电桩；设计；应用
        引言
        随着社会科技水平快速提升，人们对汽车的要求逐渐升高，以石油资源为主要燃料的传统汽车虽然技术发展成熟，但汽车排放尾气不仅会对环境造成污染，影响空气质量，同时还在不断消耗天然资源，对社会可持续发展造成不利影响。新能源汽车作为当前着重发展的汽车类型，具有低排放、低噪声等优势，逐渐获得大众认可，新能源汽车数量不断增加，在此基础上，积极开展充电桩建设工作对于促进新能源汽车发展具有重要意义。
        1智能充电桩功能
        文章设计的新能源汽车智能充电桩具备以下功能：1）用户使用该智能充电桩为新能源汽车充电时，仅需将提前办理好的IC卡放置在刷卡机前，即可激活智能充电桩，待用户将充电枪与新能源汽车连接后，即可开始计量计费。2）该智能充电桩内设监测预警模块，可实时监测其交流电源的电流和电压，具有一定保护作用，该模块还可对充电电流与电压进行监测。3）该智能充电桩具备稳定的通信能力，内部各个模块之间均可实现数据信息的实时传递交流。4）用户使用该智能充电桩为新能源汽车充电时，充电桩内置充电模块可在充电时与电池搭建通信连接，并对电池进行全面检测，分析电池是否出现故障，同时有效维护电池功能。
        2智能充电桩设计环节
        2.1总体架构
        区块链具有去中心化、不可篡改性、容错度强和可塑度高的特征，因而在市场上，在电力交易、能源分量交换等能源交易互联的场景可以广泛地应用。本文同时开发了一种充电币系统和推荐算法，以解决部分困难。包括数据层、网络层、共识层、合约层和应用层。在数据层使用了Merkle树、非对称加密、哈希算法等相关技术，确保了不可篡改和无溯源性；网络层利用P2P数据传输协议，提供一种可行的传播和验证方法；共识层采用PBFT共识机制算法，来实现分布式节点数据间的一致性和真实性；在应用层实现充电币交易系统以及新能源汽车电量交易方案。
        2.2充电桩的实时充电功率
        充电桩的实时充电功率还与目标车辆的实时充电状态（汽车电池的SOC）挂钩，主要包括：当电池状态无法满足需求时，实时调节充电功率；当电池的电压无法满足需求时，实时调节充电功率；当电池的电流无法满足需求时，实时调节充电功率；当电池的SOC值无法满足需求时，实时调节充电功率。实现与用户实时充电需求相同步的设计需求。

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        2.3充电桩硬件设计
        系统充电桩硬件构成包括两块控制板、智能电表、BMS通信模块、充电监控模块等，其硬件结构组成如充电桩硬件组成构件中，最重要部分为人机交互和底层控制两块核心板，二者相互协作完成系统充电桩控制工作。人机交互核心板采用ARM335x，外部与4G模块、RFID读卡器、触摸屏微型打印机以及条码扫描器等外接设备相连接；底层控制核心板采用ARM1768，外部连接设备主要包括温度传感器、风扇、智能电表等。底层控制核心板利用CAN总线与车载BMS建立通信，有效传输充电桩工作数据。内置于底层控制核心板的模块包括充电控制、监控模块以及安全检测模块等，其中安全检测模块会在充电桩开始充电之前，全面检测充电桩硬件设备是否可以顺利运行，为充电过程提供给安全保障；充电控制模块是在充电过程中实时控制充电桩输出的各项数据；充电监控模块为充电控制模块服务，实时监控充电过程中的各项数据变化，如充电接口状态、充电桩进线输入电压、电池状态等，以便充电控制模块根据实际运行情况实时调整充电数据，达到充电实时控制目的。
        2.4环境与电磁兼容性设计
        充电桩通常放置于户外，因此在设计时还需考虑环境因素。为能有效应对潮湿环境，保证充电桩外观不受侵害、内部元件不被损坏，桩体选用镀锌钢板，并采用汽车烤漆工艺处理表面，可保证雨水天气下充电桩不会生锈，也可避免充电桩内部元件不会受潮；智能充电桩充分利用交叉覆盖工艺，其在确保桩体达到IP45标准的基础上，保证桩体拥有良好散热性，从而避免温度过高导致内部元件受损；电路设计中应用瞬变抑制二极管、磁环、磁珠、压敏电阻等元器件，保证智能充电桩即使遭受典型工业干扰，也能正常运行。
        2.5系统软件设计
        系统软件设计是系统实现充电桩控制的核心。充电桩可以通过CAN总线与充电桩电池管理系统建立交互实现充电过程实时管理控制，也可以通过互联网与云服务器端建立连接，基于云服务器端的云存储数据实时上报充电桩的电压、电流、温湿度等运行数据。同时充电桩还接收来自于云服务器端的远程维护和管理，如充电预约、充电停止等，并依据用户充电的实时数据进行费用精准计算，传输至云服务器端进行云数据存储后发送至用户APP客户端。充电桩设备上还可以投放相关广告增加增值收益。
        3充电设施运营领域的发展前景
        目前，国内一些厂商既是充电设备制造商，也是充电设施运营商，如珠海泰坦能源科技股份有限公司、青岛特锐德电气股份有限公司等；另外一些电力企业则仅仅作为充电设施运营商，不自己生产充电设备而是通过采购的形式进行运营，比如国家电网、南方电网等；最后一部分厂商既是充电设施运营商也是运营方案的解决商，如深圳充电网科技有限公司。由于各个厂商之间设备及运营领域商业模式差别大，设备生产的企业基本上已实现盈利，运营的企业平均仍需5-7年才能回收成本，为了缩短成本回收时间，亟待探索多元的盈利模式。由于充电设备的领域厂商较多，且充电设备大多是都是依照国标生产的零件，所以充电设备领域已成为红海，部分原来仅是充电设备生产商的公司逐渐开始向下游运营领域延伸，充电设备商由于发展较早，进入门槛较低，利润空间有限、存在同质化现象严重，故开始向充电设施运营布局，并开始积极探索多元的盈利模式，已达到回收设施运营成本。区别与传统的运营模式——主要依靠收取充电服务费的方式，如今，充电服务费+个别增值服务费和充电服务费+充电APP运营费用也成为盈利的主流模式。
        结语
        我国新能源充电车的迅猛发展，但与之配套的充电基础设施却发展缓慢。充电桩控制系统的设计可有效协助用户完成充电桩查询、预约充电、便捷支付等功能，并且可为大规模推广电动汽车提供一定的服务基础。
参考文献
[1]郑冰，李丽，李航，等.基于NFS云存储网关的自主导航远程控制拖拉机设计[J].农机化研究，2018，40（1）：224 227.