淺談電動汽車無人充電樁設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：電動汽車用戶年齡段參差不齊,對于充電操作流程的閱讀和理解存在困難;支付平臺的不兼容也給用戶帶來了不便。針對存在的問題,結(jié)合常規(guī)充電樁的特點,兼顧無人駕駛車輛的充電問題,設(shè)計并開發(fā)了一套集成自動充電和手動充電于一體的新式充電設(shè)備,既能兼容現(xiàn)有的充電方式,又能針對無人駕駛車輛實現(xiàn)自動充電口對接、充電、扣費等操作,提高了充電智能化。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,能夠解決充電操作不統(tǒng)一和付費平臺不兼容等問題。

關(guān)鍵詞：充電樁;無人駕駛車輛;自動對接;智能充電

引言

新能源電動汽車產(chǎn)銷與充電樁/站建造數(shù)量與日俱增,但在迅猛發(fā)展的同時也存在問題,比如:找充電樁難、付費方式不兼容、操作步驟不統(tǒng)一等。所以目前亟待研究出一種無人參與的新式充電設(shè)備,來解決市面上充電樁存在的問題。

另一方面,車輛無人駕駛技術(shù)發(fā)展日趨成熟,包括美國、日本、德國、中國等在內(nèi)的國家和地區(qū)都在進一步加快無人駕駛領(lǐng)域的布局[1-2]。文獻(xiàn)[3]開展了無人駕駛車輛智能水平評價研究。文獻(xiàn)[4,5]介紹了無人駕駛主要技術(shù)手段和發(fā)展現(xiàn)狀?？梢钥闯?span style="box-sizing: border-box;padding: 0px;list-style-type: none">,無論是從解決實際問題出發(fā)還是從技術(shù)儲備角度出發(fā),研究針對無人駕駛車輛的充電技術(shù)都是很有必要的。

目前也有國內(nèi)外部分學(xué)者針對電動汽車充電問題進行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[6]介紹了電動汽車充電相關(guān)的儀表校驗技術(shù),文獻(xiàn)[7]開展了無人值守的智能充電樁的研究。文獻(xiàn)[8,9]探討了制約充電設(shè)施發(fā)展的主要原因以及產(chǎn)業(yè)建設(shè)研究。文獻(xiàn)[10]設(shè)計了智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)。但是目前關(guān)于充電樁的研究都只針對普通電動汽車,尚不能滿足自動駕駛的電動車輛充電問題。

本論文立足技術(shù)創(chuàng)新,提出一種新式充電樁,該充電樁集成手動充電和自動充電于一體,手動充電兼容現(xiàn)有的電動汽車充電方式,自動充電方式則為無人車的充電問題提供解決方案。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計

充電服務(wù)系統(tǒng)包含了運營管理平臺、云端、用戶APP、充電樁、電動車輛,如圖1所示。

常規(guī)的電動汽車,車主駕駛車輛進入充電區(qū)域后,可以自行插拔充電槍,并刷卡認(rèn)證從而進行充電;而無人駕駛車輛則先進行車輛自動識別,然后通過自動對接技術(shù)來完成充電槍與充電口的識別與插接工作,從而進行充電操作。

圖2無人充電樁硬件結(jié)構(gòu)圖

二、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統(tǒng)架構(gòu)

安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預(yù)警；客戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)的充電樁完成電動汽車的充電過程。

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，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：

資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。

交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)報表

用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，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)存儲和解析

變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺功能

2.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺首頁

平臺首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計。

2.3實時監(jiān)控

l  充電站監(jiān)控

充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(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，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負(fù)荷限制、故障查詢。

l  充電槍監(jiān)控

充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

l  搜索與使用

微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

l  授權(quán)登錄界面

用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：

l  主功能頁

初次進入主功能頁時需要授權(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，可以進行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。

l  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入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進進行評價。

l  個人信息

個人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務(wù)器：建議按照我方配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）

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

3.2現(xiàn)場硬件配置清單：

三、安科瑞限流式保護器的介紹與選型

1、限流式保護器的設(shè)計

電氣防火限流式保護器可有效克服傳統(tǒng)斷路器、空氣開關(guān)和監(jiān)控設(shè)備存在的短路電流大、切斷短路電流時間長、短路時產(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，能以微秒級速度快速限制短路電流以實現(xiàn)滅弧保護，從而能顯著減少電氣火災(zāi)事故，保障使用場所人員和財產(chǎn)的安全。

安科瑞ASCP200-1電氣防火限流式保護器的主要元件是固態(tài)開關(guān)，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關(guān)（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關(guān)的斷開是一種機械運動過程，分?jǐn)鄷r間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負(fù)載斷開時通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關(guān)的斷開則是依靠半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子運動實現(xiàn)，分?jǐn)鄷r間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。

如圖1所示，當(dāng)發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關(guān)在電流升至C點時才能動作，且無法瞬時切斷電流，而固態(tài)開關(guān)則可以在電流升至B點時即瞬間切斷短路電流。

從流過電阻的電流熱量公式Q=I2Rt，可以很容易看出，傳統(tǒng)空氣開關(guān)與固態(tài)開關(guān)在短路時所釋放的能量差別可以達(dá)到數(shù)千倍之多。因此當(dāng)裝配限流式保護器的回路發(fā)生短路故障時，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

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器是單相限流式保護器，較大額定電流為63A。主要功能如下：

A）短路保護功能，線路發(fā)生短路故障時，能在150微秒內(nèi)實現(xiàn)快速限流保護；

B）過載保護功能，線路持續(xù)過載時，保護器限流保護；

C）表內(nèi)超溫保護功能，保護器內(nèi)部器件工作溫度過高時，保護器限流保護；

D）過/欠壓保護功能，線路欠壓或過壓時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

E）電纜溫度監(jiān)測功能，被測線纜溫度超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

F）漏電流監(jiān)測功能，線路漏電超過報警設(shè)定值時，保護器告警或限流保護（可設(shè)）；

G）通訊功能，保護器配置1路RS485接口，1路2G無線通訊，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到安科瑞Acrel-6000安全云平臺，或第三方監(jiān)控軟件或平臺，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3、ASCP200-1技術(shù)參數(shù)

4、應(yīng)用方案圖示

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關(guān)下端，額定電流值根據(jù)入戶開關(guān)的具體規(guī)格進行設(shè)置，典型應(yīng)用示意圖如圖2所示：

圖2ASCP200-1家用防火解決方案安裝示意圖

5、使用注意事項

在選用限流式保護器時，限流式保護器的設(shè)定的額定電流應(yīng)該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當(dāng)限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應(yīng)將限流式保護器的額定電流設(shè)置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，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路中。

ASCP200系列采用限流式保護器采用壁掛式安裝，可以掛墻安裝，也可以安裝在箱體內(nèi)，應(yīng)確保安裝場所無滴水、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。

為確保可靠連接，接線時應(yīng)按接線圖進行，同時為了防止接頭處接觸電阻過大而導(dǎo)致局部過熱，也避免因接觸不良而導(dǎo)致保護器工作不正常，線頭應(yīng)采用合適大小的U形冷壓頭壓接后，再插入保護器相應(yīng)端子上并將螺釘擰緊壓實。

保護器內(nèi)部帶有交流電，嚴(yán)禁非人士擅自打開產(chǎn)品外殼。保護器在使用期間，若被保護線路發(fā)生短路或過載故障而被限流保護時，保護器仍處于帶電狀態(tài)，不允許隨意碰觸用電線路的金屬部分。待檢查線路，并排除故障后，長按保護器的復(fù)位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復(fù)正常運行時。

當(dāng)保護器因超溫而發(fā)生限流保護時，則可能是因為負(fù)載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風(fēng)散熱不良等原因?qū)е拢赏ㄟ^加強通風(fēng)等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復(fù)位鍵，使保護器復(fù)位，恢復(fù)正常運行。

四、結(jié)束語

通過分析市面上的充電樁在服務(wù)過程中存在的不足,并結(jié)合無人駕駛技術(shù)的發(fā)展背景,本課題設(shè)計了一款集成手動充電方式和自動充電方式的新式充電樁。該新式充電設(shè)備既兼容現(xiàn)有的電動車輛,同時又可以為無人駕駛車輛直接提供充電服務(wù),在一定程度上降低了充電樁更新?lián)Q代的成本,為充電基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展提供了新思路。

參考文獻(xiàn)

[1]端木慶玲,阮界望,馬鈞.無人駕駛汽車的先進技術(shù)與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(3):30-33.

[2]潘福全,亓榮杰,張璇,張麗霞.無人駕駛汽車研究綜述與發(fā)展展望[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017,(2):27-28.

[3]孫揚,楊賀.無人駕駛車輛智能水平等級劃分[J].科技導(dǎo)報,2017,35(17):80-83.

[4]AGUNBIADEOY,NGWIRASM,ZUVAT,etal.Improvinggrounddetectionforunmannedvehiclesystemsinenvironmentalnoisescenarios[J].InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2016,84(9-12):2719-2727.

[5]NYJL,RIBEIROA,PAPPASGJ.AdaptiveCommunication-ConstrainedDeploymentofUnmannedVehicleSystems[J].IEEEJournalonSelectedAreasinCommunications,2012,30(5):923-934.

[6]朱莉,王禹淇,張軼鵬.時分割脈沖調(diào)寬技術(shù)在電動汽車充電設(shè)施儀表校驗中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2014,33(3):66-68.

[7]王旭,齊向東.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與研究[J].機電工程,2014,31(3):393-396.

[8]李良,郭藝.充電樁建設(shè)面臨的突出問題及亟待落實的政策[J].中國能源,2016,38(1):37-39,36.

[9]王潼,李平.中國新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)建設(shè)研究[J].汽車工業(yè)研究,2017,(1):4-9.

[10]      張曉軍,謝輝迪,許劍銳,許招陽.基于STM32的智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2017,40(2):144-148李慧.民用建筑地下車庫充電樁配電設(shè)計解決方案

[11]      孫煒煊,陳毅,王帥,汪貴平.電動汽車無人充電樁設(shè)計與實現(xiàn)

[12]      安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版