王籃儀

(三亞學(xué)院，海南 三亞 52022)

0 引言

2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年實現(xiàn)碳中和，是中國對世界的莊嚴(yán)承諾，大力推廣應(yīng)用新能源無疑是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳路徑，而充電樁則是重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

充電樁建設(shè)受到國家的高度重視，國家還因此出臺了一系列重要的政策文件。2020年在國務(wù)院政府的工作報告中提出，新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)要進一步加強，進行新一代信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對5G應(yīng)用繼續(xù)拓展，建設(shè)充電樁，加大新能源汽車的推廣。這是政府工作報告首次寫入關(guān)于充電樁建設(shè)的內(nèi)容，已經(jīng)上升到新基建國家戰(zhàn)略層面。與新一代信息網(wǎng)絡(luò)、5G等一起被選為重要的新基建板塊，充分體現(xiàn)了國家對充電樁產(chǎn)業(yè)的支持[2]。在國家政策與市場需求的雙輪驅(qū)動下，我國電動汽車充電樁建設(shè)迎來了爆發(fā)式增長[3-4]。

而在當(dāng)下提出的新能源汽車數(shù)字化監(jiān)管中，充電樁數(shù)字化的實現(xiàn)其核心是充電樁APP的設(shè)計與統(tǒng)一、充電樁的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及充電樁的電路設(shè)計，接下來重點研究新能源汽車充電樁的電路設(shè)計。

1 充電樁充電原理

電動汽車充電設(shè)施包含的內(nèi)容較為廣泛，包括充電電池、充電電纜、充電接口以及充電站建設(shè)中與電動汽車充電相關(guān)的相應(yīng)設(shè)施等。

新能源充電樁電機有交流和直流之分。通過交流充電模式實現(xiàn)電動汽車動力蓄電池總成的充電，這種充電方式為交流充電機充電方式。交流充電模式給電動汽車提供充電電源的方式是通過三相或單相交流電源實現(xiàn)，其特征是充電機為車載系統(tǒng)。交流充電樁的充電方式基本都是常規(guī)充電模式，通過使用大屏幕LCD彩色觸摸屏實現(xiàn)人機交互，充電模塊設(shè)置定電量、定時間、定金額、自動(充滿為止)四種模式。充電樁的交流工作電壓220 V±15%，額度輸出功率3.5 kW、7 kW，普通純電動轎車用充電樁充滿電需要4～5個小時，由于充電樁造價低廉、主要安裝在停車場，適用于慢充動力電池。

交流充電樁的工作原理是在確認與電動汽車的連接狀態(tài)以及可以提供的最大工作電流參數(shù)后，對車載充電機進行交流電的提供，在確認充滿電后，斷開電源，實現(xiàn)電能計量和安全監(jiān)測等，充電結(jié)束后，實現(xiàn)電費結(jié)算和數(shù)據(jù)記錄等，原理如圖1所示。

圖1 交流充電樁工作原理

直流充電機是采用直流充電方式為電動汽車動力電池總成充電的充電機。直流充電模式是以充電機輸出的可控直流電源直接對動力蓄電池總成進行充電的模式。其充電原理是通過三相電網(wǎng)輸入交流電，通過三相橋式不可控整流電路整流變成直流電，經(jīng)濾波后供給高頻DC-DC功率變換器，功率變換器則經(jīng)過直直變換輸出需要的直流，再次濾波后為電動汽車動力蓄電池充電。

2 充電樁硬件結(jié)構(gòu)

電動汽車充電樁硬件系統(tǒng)主要由主控板、監(jiān)控板、IC卡讀寫器、數(shù)字電表、移動通信模塊、觸摸屏、指示燈、按鍵等組成，其中主控單元、顯示單元和監(jiān)控單元是充電樁硬件系統(tǒng)的主要模塊，充電樁硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 充電樁硬件系統(tǒng)

1)主控單元：硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，與其他硬件單元雙向或單向交互，是啟動、運行、監(jiān)控和關(guān)閉充電樁向汽車充電的決策核心，可將充電過程中采集的數(shù)據(jù)傳輸至后臺。

2)監(jiān)控單元：主要包括模擬量、開關(guān)量采集和輸出控制。模擬采集單元在與顯示單元交互的同時，可以獲取用戶輸入的數(shù)據(jù)；開關(guān)量采集可以根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)，提供與用戶充電需求對應(yīng)的充電量；在用戶完成充電后，輸出控制會引導(dǎo)用戶結(jié)束充電行為。監(jiān)控單元的主要功能是實時監(jiān)控充電樁的運行狀態(tài)，監(jiān)控充電樁的輸入輸出電壓和電流、充電接口的連接狀態(tài)和車載電池的狀態(tài)，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)充電和車輛電池的異常狀態(tài)，確保充電過程的安全可靠。

3)顯示單元：由LCD顯示器、觸控屏、指示燈、按鍵構(gòu)成，是用戶與充電樁的直接交互對象。顯示單元的主要作用為向用戶提供充電費用信息和了解用戶充電需求。

充電樁具體硬件設(shè)施包括充電槍、充電柜、配線柜等充電樁外部硬件和逆變器、變壓器、整流器、濾波器、繼電器等內(nèi)部硬件。硬件設(shè)施通常采用耐候、耐溫、阻燃性能好、絕緣性能優(yōu)秀、抗電痕指數(shù)高的材料，如ABS、PET、尼龍等塑料。

3 充電樁軟件設(shè)計

3.1 充電樁整體軟件設(shè)計

交流充電站的電氣系統(tǒng)設(shè)計主要分為主電路和二次電路兩部分進行設(shè)計。在主回路中，設(shè)計了對輸入端保護的斷路器、交流智能電能表、交流控制開關(guān)以及和充電接口部分的連接器；二次電路由控制繼電器、急停按鈕、運行狀態(tài)指示燈、充電樁智能控制器和人機交互設(shè)備(顯示、輸入與刷卡)組成。

在主回路的輸入斷路器中，設(shè)計了針對過載、短路以及漏電的保護措施；并且在主回路中還設(shè)置了交流接觸器控制電源的通斷；連接器部分包含了負責(zé)與電動汽車連接的充電接口，并且這個部分設(shè)計了鎖緊和防錯誤操作的保護功能。

在二次回路中，主要設(shè)計“啟?！焙汀凹蓖！眱身棽僮?；“充電”、“充滿”“待機”功能通過信號燈進行狀態(tài)指示；交流充電電量由交流智能電能表實現(xiàn)；刷卡、充電方式設(shè)置以及啟?？刂撇僮鲃t由人機交互設(shè)備執(zhí)行。

3.2 充電樁刷卡流程設(shè)計

充電樁主要分為充電設(shè)備控制單元和計費控制單元兩大模塊：1)電壓電流轉(zhuǎn)換和各類保護措施由充電設(shè)備控制單元負責(zé)，為電動汽車提供電力能源，是充電樁的核心部分；2)計費收費、LCD液晶顯示、負責(zé)計費卡讀取的RS232和實現(xiàn)電表交互的RS485等則由計費控制單元負責(zé)。計費控制單元也是充電樁中極其重要的部分。

當(dāng)用戶進行刷卡或插卡時，讀卡器識別到后則通過RS232接口和控制板進行通信。刷卡過程中控制板會將通過讀卡器中的ESAM密鑰模塊加密后與CPU卡進行數(shù)據(jù)交互，CPU卡通過卡內(nèi)密鑰解密后核對信息，而后進行充電。具體充電流程如下：

1)用戶確認。當(dāng)用戶刷IC卡時，系統(tǒng)會識別用戶身份是否正確，正確則進行下一步，錯誤則返回。當(dāng)身份確認無誤后，緊接著系統(tǒng)會掃描卡中是否有“未結(jié)賬記錄”，若有則需用戶結(jié)清電費方可進入到下一步的充電環(huán)節(jié)。

2)充電確認。當(dāng)用戶進入充電環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)會進行插頭連接與否確認，插頭確認連接無誤后，進入到充電模式的確認，后發(fā)出加電指令進行充電。

3)電費結(jié)算。電量充滿或者充電時間結(jié)束后，系統(tǒng)停止充電，并發(fā)出電費結(jié)算指令，等待用戶進行此次電費結(jié)算。

4 充電樁產(chǎn)業(yè)鏈

我國新能源汽車充電樁行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分為三個環(huán)節(jié)：1)產(chǎn)業(yè)鏈上游，為元器件和設(shè)備生產(chǎn)商，主要負責(zé)提供各種充電樁元器件和充電設(shè)備，這個環(huán)節(jié)主要包含充電模塊、監(jiān)控計費、連接器風(fēng)機等元器件的生產(chǎn)；2)產(chǎn)業(yè)鏈中游，是充電站建設(shè)和運營商，負責(zé)充電站的搭建和運營，提供充電服務(wù)，主要包含交流充電、直流充電等充電設(shè)備；3)產(chǎn)業(yè)鏈下游，是新能源電動車用戶，在充電樁上進行消費。其中設(shè)備生產(chǎn)商和運營商是充電樁產(chǎn)業(yè)鏈最主要的環(huán)節(jié)。

充電樁運營平臺是利用樁聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為電動汽車用戶提供安全便捷的充電服務(wù)，為充電樁生產(chǎn)廠商、充電設(shè)施運營商提供便捷可靠的運營管理，為不同類型充電樁所有者搭建生態(tài)共享的充電服務(wù)運營平臺，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+充電設(shè)施”服務(wù)，有效支撐智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

5 結(jié)束語

新能源汽車是時代發(fā)展的趨勢，迎合了當(dāng)前“綠色發(fā)展”的環(huán)境需求，新能源充電樁從上游到下游的進一步突破性發(fā)展也亟待解決。充電樁前期建設(shè)投入成本大、商業(yè)模式模糊、盈利困難使得很多企業(yè)舉步維艱，特別是充電樁的商業(yè)模式，尚沒有一個明確雙贏的答案。

“新基建”下，充電樁的發(fā)展再不能是簡單的規(guī)模擴張。當(dāng)前階段，充電樁的發(fā)展不僅要提高充電速度、保障充電安全以及提升用戶滿意度，還要在充電樁建設(shè)中采用新一代的充電、人工智能、新能源等新興技術(shù)，并將其融入到智能交通、智慧城市、智慧能源等相關(guān)領(lǐng)域的建設(shè)中。