淺談電動汽車無人充電樁設計與實現(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,結合常規(guī)充電樁的特點,兼顧無人駕駛車輛的充電問題,設計并開發(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域的布局[1-2]。文獻[3]開展了無人駕駛車輛智能水平評價研究。文獻[4,5]介紹了無人駕駛主要技術手段和發(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)還是從技術儲備角度出發(fā),研究針對無人駕駛車輛的充電技術都是很有必要的。

目前也有國內(nèi)外部分學者針對電動汽車充電問題進行了相關研究。文獻[6]介紹了電動汽車充電相關的儀表校驗技術,文獻[7]開展了無人值守的智能充電樁的研究。文獻[8,9]探討了制約充電設施發(fā)展的主要原因以及產(chǎn)業(yè)建設研究。文獻[10]設計了智能充電樁嵌入式控制系統(tǒng)。但是目前關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)整體設計

充電服務系統(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無人充電樁硬件結構圖

二、安科瑞充電樁運營管理平臺

1、系統(tǒng)架構

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)，配合加密技術和秘鑰分發(fā)技術，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。

交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表

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：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等

微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

數(shù)據(jù)服務：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)控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進行調度管理，即當負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，當變壓器負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、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

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，以及相應的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、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日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進行負荷限制、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定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。

l  充電

掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當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。充電結束可以進進行評價。

l  個人信息

個人信息可以顯示當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、設置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺服務器：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器，服務器配置根據(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、空氣開關和監(jiān)控設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，不同于傳統(tǒng)家用的空氣開關（微斷）。我們知道，傳統(tǒng)空氣開關的斷開是一種機械運動過程，分斷時間需要幾十毫秒(一般30～50ms)，帶負載斷開時通常伴隨有電弧的產(chǎn)生。而固態(tài)開關的斷開則是依靠半導體內(nèi)部的載流子運動實現(xiàn)，分斷時間微秒級，速度快，無電弧產(chǎn)生。

如圖1所示，當發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)空氣開關在電流升至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)空氣開關與固態(tài)開關在短路時所釋放的能量差別可以達到數(shù)千倍之多。因此當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。

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）；

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

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

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)遠程監(jiān)控。

3、ASCP200-1技術參數(shù)

4、應用方案圖示

ASCP200-1型電氣防火限流式保護器建議安裝在入戶開關下端，額定電流值根據(jù)入戶開關的具體規(guī)格進行設置，典型應用示意圖如圖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，限流式保護器的設定的額定電流應該與其前上級的斷路器的額定電流保持一致。例如，當限流式保護器輸入端斷路器的額定電流為32A時，應將限流式保護器的額定電流設置為32A。為保障限流式保護器的正常使用，嚴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)，應確保安裝場所無滴水、腐蝕性化學氣體和沉淀物質，并注意環(huán)境溫度和通風散熱。

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

保護器內(nèi)部帶有交流電，嚴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，長按保護器的復位按鍵約2秒鐘，使保護器恢復正常運行時。

當保護器因超溫而發(fā)生限流保護時，則可能是因為負載電流過大，環(huán)境溫度過高或通風散熱不良等原因導致，可通過加強通風等措施，等保護器溫度降下來后，再長按復位鍵，使保護器復位，恢復正常運行。

四、結束語

通過分析市面上的充電樁在服務過程中存在的不足,并結合無人駕駛技術的發(fā)展背景,本課題設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,在一定程度上降低了充電樁更新?lián)Q代的成本,為充電基礎設施的發(fā)展提供了新思路。

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