摘要：随着汽车行业的迅速发展，电动汽车也跟着发展起来，因此，未来充电桩的建设数量会越来越多，同时随着移动互联与传感技术的发展，电动汽车用户对充电设施的功能需求也越来越多，特别是在电动汽车车主与充电桩建立实时在线联系这方面。本文章主要通过对充电桩建设影响因素、硬件系统组成、建设模式、驱动和急停电路等方面的探究，提出了一种智能型充电桩的整体设计方案，它将基于“互联网+平台，通过“线上APP+充电网络+线下充电设备”的O2O闭环将人、车、桩串联起来。希望能够实现充电桩从制造业到能源互联网端口的价值重估，而且也为新经济时代的其他企业提供了重要参考和借鉴。
关键词：电动汽车；交流充电桩设计；智能型；互联网
电动汽车作为新能源汽车的主要发展方向之一，越来越受到人们的重视。随着电动汽车市场保有量的不断增加，必须提出建设充电配套设施的目标，以便为电动汽车快速发展提供有效的配套保障。交流充电桩建设数量、布局、模式等会对电动汽车的应用范围和规模化发展产生重要影响，是电动汽车能否快速发展及快速商业化应用的关键，因此交流充电桩的建设尤为重要。
1.整体设计方案
如图1所示，本文设计的基于互联网的电动汽车交流充电桩包括网络服务器、智能手机APP客户端、城市管理分站和分布式充电桩设备。
图1网络拓扑示意图
图1中，分布式充电桩设备、智能手机APP客户端及城市管理分站分别通过互联网Internet与网络服务器建立双向通信。网络服务器为数据集散中心，负责控制电动汽车充电流程，收集、管理并发布所有充电相关数据，监测分布式充电桩设备运行状态。分布式充电桩设备负责解析网络服务器数据、执行网络服务器命令、上报充电数据和状态，并提供人机交互、网络付费、IC卡付费、充电控制与保护、电能计量、状态监测等功能。电动汽车用户通过智能手机APP客户端查询充电桩的建设分布、具体位置、数量，以及充电口空闲数等信息，选择在最近的充电点进行充电，如果APP客户端开通了支付功能，还可进行在线充电和支付业务。城市管理分站用作单个城市的管理，配备城市管理人员、计算机和IC充电卡读写器，主要实现IC充电卡的注册、充值和挂失业务和充电桩设备的日常维保任务。
2.交流充电桩建设影响因素分析
2.1电动汽车充电量的总体需求
电动汽车充电量的总体需求是影响交流充电桩布局的关键因素。只有充电量达到一定规模之后，交流充电桩建设才能实现大规模布点。电动汽车充电量与电动汽车保有量、车辆的日均行驶里程和单位里程能耗水平等因素相关。
2.2多场景运行模式
在不同场景运行模式下，电动汽车对其续航能力和充电时间要求也不同，从而影响着充电的方式和电能的消耗，交流充电桩建设方式和功率需求也将受到直接影响。根据不同的用户类型，电动汽车可以分为示范区用车、集团用车、社会车辆等，每类车辆的日耗电量、出行路线、作息规律、充电时间等各不相同，需要考虑其各自特性对交流充电桩的建设影响。
2.3商业运营模式影响
商业化运营是交流充电桩建设模式合理与否的重要指标之一，包括建设成本、充电成本、交流充电桩运营安全及能力、充电接口标准、充电桩良性发展政策等影响。既要考虑因电网改建、土地购置、环境治理等所带来的成本，也要考虑交流充电桩建成后的社会效益。交流充电桩建设的不同地点、不同规模将直接影响到充电者的路上行驶成本和充电等待成本，如图2所示。因而交流充电桩的选址和规模确定必须考虑充电公司和用户两方面利益。
图2运营模式影响关系
3.硬件系统组成
系统采用模块化设计方案，主要由3部分构成：交流输入控制部分，实现交流供电控制、电能的计量和安全防护等功能；交流输出控制部分，完成充电电缆连接确认、控制导引与车载充电机通信等；中央控制部分，实现系统检测、人机交互、计量收费、业务数据管理、数据通信以及故障诊断等功能。其中，交流输入控制部分和交流输出控制部分构成系统充电主回路。交流充电桩硬件组成如图3所示。
图3交流充电桩硬件组成
硬件系统采用嵌入式微处理器STM32F107为控制核心，该处理器是意法半导体公司推出的全新STM32系列微处理器中的一款产品。片内集成包括模数转换器（analogtodigitalconverter，ADC）、脉宽调制器（pulsewidthmodulation，PWM）及通用同步/异步收发器（universalsynchronousasynchronousreceiverandtransmitter，USAＲT）接口等外设资源。借助这些外设资源极大地简化了电路设计的复杂度，因而，在工业控制和多媒体设备中得到了广泛应用。图1中，ＲS485总线接口实现智能电量计量模块与处理器STM32［10］之间通信接口转换，完成对充电电压和电流的读取；交流接触器驱动电路和急停按钮实现交流接触器主触点的接通和断开，实现交流充电电能的控制；连接确认（connectionconfirmation，CC）电路和控制导引（controlpilot，CP）电路用于实现交流充电桩充电电缆连接和充电过程控制导引功能；标号①至⑦代表插座的7个接触点，其中：L为火线；N为零线；PE为接地保护；CC为连接确认；CP为控制导引；NC1和NC2留作扩展用。
4.建设模式求解流程分析
针对交流充电桩建设模式，需要通过仿真分析最优化的交流充电桩位置及数量，本节给出该仿真求解流程分析，如图4所示。
图4交流充电桩建设模式求解流程
图4中，需要根据假定的交流充电桩信息和实际的电动汽车信息构建包含电动汽车和交流充电桩的车—桩信息库，其中交流充电桩信息包含充电桩数量和建设位置等信息，电动汽车信息包含所有电动汽车出发时的剩余电量、出发时刻及对应位置等信息。通过分析电动汽车i在时刻t的状态信息，引导该辆电动汽车去最合理的交流充电桩充电。该仿真过程可根据区域内电动汽车数量及相关交通信息确定合理的交流充电桩建设数量及位置，避免因多投资建桩产生额外费用。该优化布局方案是在收集某区域可能的电动汽车用户行为特性基础上，根据电动汽车充电负荷预测建立可能的“车—桩信息库模型”，通过判断车辆行驶状态实时更新“车—桩信息库模型”，最终得到可能的交流充电桩最优分布位置。针对其他区域交流充电桩的优化，同样需要分析该区域电动汽车用户行为特性等，并针对该特性建立相应的“车—桩信息库模型”。
5.交流接触器驱动及急停按钮识别电路
交流接触器线圈通过继电器KB的常开触点以及按钮SW的常闭触点接到220V电压的L端和N端。只要处理器GPIO端口输出高电平，在Ｒ14、Ｒ15和Q3构成的放大电路的驱动下，继电器KB触点闭合，从而交流接触器线圈带电，导致其主触点闭合，交流输出控制部分有电能输出。
图5为交流接触器驱动及急停按钮识别电路
若GPIO端口为低电平，则可使正在输出的电能切断。在一些突发状况下，处理器没有主动切断电能时，可以人为按下急停按钮SW，切断电能输出。此时按钮常开触点闭合，导致端口INT为低电平，该端口接到处理器STM32F107的外部充电触发引脚上，从而引发处理器中断，完成急停按钮被按下的动作识别，并做出相应的处理。
结论
以网络服务器为数据集散中心，能够支持IC充电卡和智能手机APP客户端两种工作模式，提供了包括以太网通信、人机交互、IC卡付费、充电控制与保护、电能计量、状态监测等功能。该充电桩功能完善、操作方便、运行可靠、用户体验感强，对于我国充电设备的建设以及电动汽车行业的发展将具有较高的工程应用价值。
参考文献：
［1］周逢权，连湛伟．电动汽车充电站运营模式探析［J］．电力系统保护与控制，2010，38（1）
［2］王涛．电动汽车充电桩的控制系统研究与设计［J］．湖北电力，2011，35（1）：11－12
论文作者:吴毓奎
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/13
标签：电动汽车论文; 接触器论文; 电能论文; 模式论文; 触点论文; 互联网论文; 电路论文; 《电力设备》2018年第12期论文;