电动汽车充电桩相关技术与应用分析_陈勇财.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|265技术应用与管理电动汽车充电桩相关技术与应用分析陈勇财漳州知了信息技术服务有限公司，福建漳州363100摘要：在我国提倡“双碳”、绿色环保等的环境中，电动汽车符合社会发展实际情况，逐渐走入了大众的视野。为了确保电动汽车的正常行驶和长期运行，充电桩这种将电能从电网转换到车载电池的设备成为必不可少的保障。充电桩在使用中会涉及诸多类型的技术，用以对充电桩进行管理、监测、改善工作状态等，需要工程技术人员继续探索充电桩技术的应用，对技术实现进行全方位的改进和升级。鉴于此，本文围绕电动汽车的充电桩，对充电桩进行了两方面的概述，详细分析了四类充电桩的相关技术和应用情况。关键词：电动汽车；充电桩；技术；应用中图分类号:U469.72文献标志码:ADOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.12.059 0引言我国各地颁布了与电动汽车相关的政策，使得电动汽车的保有量迅速增加。部分地区的基础设施较为完善，提供了充足量的充电桩，但在充电桩运行之时，有时会发生通信、安全等方面的技术性问题，不利于对电动汽车的电能补充。因此，应当根据实际需要的技术问题，运用适宜的充电桩技术，保证充电桩的使用效果。1电动汽车充电桩的概述1.1充电桩的功能和分类目前我国大多数电动汽车充电桩主要安装在公共场所，还有在住宅、小区的停车场也逐渐普及。充电桩可以在墙面、地面等位置上加以固定，便于电动汽车完成充电动作，还能参照不同类型的电动汽车，选择差异性的电压等级，提高了充电的效率和质量。充电桩输入端口处可以同交流电网进行连接，而在输出端口处则通过充电口或感应区而开展充电工作，因此充电桩从技术路线可分为传导式和无线充电桩。经过多年技术发展和实践应用，传导式充电在功率、效率和成本等方面对无线充电形成了巨大的优势，因此本文主要讨论传导式充电桩所涉及的技术。根据不同地点，充电桩可分为公共、专用两类；若按照安装方式，可分为落地式、挂壁式两类。如果按照充电方式分类，则主要分为交流式、直流式两种。1.1.1交流式交流充电桩在应用过程中，通常要考虑到较多类型的技术指标，如工作环境、输入与输出电压、电流极值等。技术方面上，通常要顾及计量计费、安全防护、通信等内容，便于使充电桩更加可靠。在开展技术设计的过程中，要做好短路模块的设计工作，防范漏电或过载问题的发生，计费上则要关注对充电功能的优化，如完善设计刷卡与充电模式，对电能表加以优化等，有利于达成对充电电量进行即时监控的目标。1.1.2直流式直流充电桩在结构组成上较为复杂，主要包含了整流模块、控制系统、人机交互等部分。设计时应考虑以下方面：在人机交互的过程中进行系统实时监测，以及对动力电池进行识别和监测运行状态。针对输出侧的过流、过压保护设计，通过设计自动报警、自动/手动急停功能保障正常充电运行，便于在异常工作状态下，能够立即停止输出电流，断开输出接触器，维持充电作者简介：陈勇财，男，福建漳州，自动化工程师，研究方向：电动汽车充电桩技术开发及工程应用。dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术266|桩和电动汽车的安全。直流桩目前主要分为分体式、一体式两类结构设计，可根据场地要求进行选择。1.2优化充电桩相关技术应用的意义为了推进我国环境保护事业发展的进程，电动汽车成为当前人们出行的重要交通工具，而此类汽车的能源补给则和充电桩密切相关。若充电桩的供给存在缺陷，则容易对人们为汽车及时充电带来不良影响，降低了电动汽车的普及和购买率。我国部分地区中现阶段仍然缺少对充电桩及其相关技术的使用，或技术运用的水平较低，造成人们无法尽快找到充电桩，从而阻碍了我国环保工作的开展，也说明了充电桩的普及和充电桩有关技术的灵活运用，是我国达成“双碳”目标、提升环境质量的关键一环。2电动汽车充电桩相关技术与应用的分析2.1网络互动运行优化技术该技术中主要使用了站控级能量管理系统（简称SEMS），可完成对用电负荷的平滑处理，在较短的时间内让充电桩的配电容量有所提高，还能采用柔性功率分配控制方法，使充电桩成为功率相对稳定的优质负荷，可在电网负荷高峰时段中，对于电动汽车的需求侧产生响应，在储能模块向电网反向输出电能的过程中，帮助电网调节自身负荷。整个技术中主要包括以下三个模块1。2.1.1S2G充电模块S2G充电模块中具有智能化功率分配、柔性功率控制等功能，还有输入过压或欠压、电池反接、输出短路等多重安全防护，具有转换效果良好、电流输出可靠性强等优势，可以在SEMS模块的帮助下，完成对电动汽车精准、高效的充电控制调度任务。该模块实现了多个功率模块协同工作的目标，可按照待充电车辆的数量，自动化调配充电功率。由于其支持的电压范围较为广泛，可以对多种类型的电动汽车提供优良的充电服务，也能与SEMS模块协同合作进行智能调配，动态调整充电桩的输出功率，对于充电服务数据进行实时监测等。2.1.2SEMS模块SEMS模块以互联网、能源控制技术为基础，运用了当前最先进的“微服务”系统架构，形成了功能互补、构架逻辑统一性较强的基础平台，具有快速交付、轻量化分布、高弹性伸缩、集中管理、跨平台部署等特征，可迅速整合到S2G充电模块中，在配电、人机交互功能的基础上，对充电桩进行统一调控。表1为SEMS模块的架构组成和对应功能。表 1SEMS 模块的架构组成和对应功能架构层名称组成部分对应功能服务层计算机、智能手机接口层API 网关、http/https协议、websocket 协议、TCP/UDP 协议服务器层通信服务REST、kafka、RPC业务服务充电监控、充电调度、储能调度、算法分析、策略执行、报表服务、系统报警基础服务站点设备、系统管理、监控诊断服务管理电网互动、配电设备、储能调控、S2G充电服务存储层文件存储、Redis 缓存、Oracle 数据库SEMS在功率分配上，通常具有四种策略模式。当新的电动汽车充电时，SEMS可按照充电需求、充电负荷、电池容量等方面因素，对于储能模块放电功率、充电功率的分配形成指令，传达到各模块中。当充电桩接收到电网调度容量、持续时间调度指令后，SEMS会形成与传达关于降低充电功率和储能模块放电功率的计划。如果有电动汽车完成了充电活动时，SEMS会按照空余的充电功率，优先减少储能模块输出功率。如果此时仍有空余，则会综合考虑变压器经济特点、现有充电功率等因素，形成新的功率分 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|267技术应用与管理配策略。在充电桩接收到电网的放电指令后，SEMS可分析储能模块单独放电，以及构成充电功率下降时的功率分配策略。2.1.3储能模块该模块主要使用了安全、可靠的倍率型锂离子电池，其放电功率可超过电池容量的3倍，充分满足了电网和充电侧负荷的双向要求。为了确保储能模块的安全性能，通常会在以下三个方面开展设计工作。防雷和接地方面，主要会在集装箱顶部加装避雷针，在箱底安置泄流设备，而在箱内地面位置处铺设绝缘胶皮，控制电池组相对地面的阻抗超过10k。消防安全方面，可配备独立的灭火系统，集装箱内有七氟丙烷灭火器；在电池箱内每个电池组中，还会装有热气溶胶模块，当温度达到170后便会触发保护。电能质量方面，此模块对于电网产生的影响，会由储能变流器决定，该设备的设计在遵循相关技术规定的条件下，可防止储能模块对于电能质量带来负面影响2。2.2嵌入式实时控制技术在电动汽车电池充电之时，电池的温度与内部电压会有所增加，若选用高电流充电的方式，容易影响电池的使用寿命。通常的充电控制方法是利用时间控制模式，即电荷的持续时间，或选用温度控制模式，主要由电池在电荷中的温度而决定，对电池两端电压进行监控而确定电压的控制方法。图1为充电桩的工作控制流程示意图。嵌入式实时控制技术是一种科学、高效的电池充电控制方法。该控制技术涉及的硬件中最重要的一部分便是中央处理器，与其他类型处理器的不同之处在于，其中集成了更多的芯片，让集成系统微型化，同时保证了可靠性和可行性。图 1充电桩的工作控制流程dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术268|按照综合系统有限的资源与应用的需求，嵌入式软件代码尺寸较小，通常存储于微处理器系统的存储芯片上，但伴随系统开发难度的增加，传统类型裸机程序会显得较为拥挤，嵌入式操作方式则改进了安全系统操作体的切割，使系统完成了扩展、移植等任务，提升了系统开发的成效。整个技术中涉及的硬件组成主要包含以下三个方面。2.2.1微处理器单元电路此单元电路和控制系统的功率控制单元，会提供输出控制单元的切换控制。要求在此单元电路中，应带有未屏蔽中断输入、外部中断输入的嵌入式向量中断控制器、arm-m3系统定时器、512kb上快闪程式记忆体、64kb片上sram，以及支援嵌入式操作系统移植的8区记忆体保护单元等。能够做出关机、深度关机、低功耗睡眠、深度睡眠动作，且在关机模式下可进行中断、唤醒处理器等。负载桩使用了较多和其他部件联系较少的元件，说明要科学分配集成处理器系统的外部信息，用以管控每个功能元件3。2.2.2控制系统电源集成控制系统对于电压提出了差异性的电源要求，会在表内显示具体的分布状态。电源单元负责向控制系统提供所需要的电源，而集成控制系统电源会通过220伏直流电入口同替代电源发生隔绝，此入口会被Weiduler电源模块转换成24伏交流电，输出功率为48瓦。电源卡内存在2各不同的电路板，会分别将电压下降至5伏和12伏，在LM2596电压降低芯片的辅助下，最大电流为3安，转换效率可达80%。经由电源卡而进入到周围电路板的5伏电源，使电源从3.3伏添加至部分芯片中，若选用了SPX1118电压降低芯片，则最大电流为0.9安。2.2.3电能输出控制单元电路充电桩运用的交流电源接触器，使电荷能量输出断开的重要控制设备，原因在于电磁线圈的工作电压高于控制系统。三级串行控制结构可配置为中继器、板负载控制电路，与使用小型中继器作为终极控制单元的交流电接触的控制卡有关，在选用微处理器引脚信号时，控制信号会经由隔离光输出至24伏交流电压输出，闭合继电器至220直流电压输出，关闭双向通信触点。当交流电流接触到电荷后，会输出至返乡电荷输出，同时开启双边通信触电，使Kongo的能量输出得以被切断。2.3充电桩充电管理技术该技术是一类储能式综合技术，系统中主要会选择DSP控制芯片负责控制中枢，软件可完成对于电池电压、荷电状态、电流、充放电温度的监测，以及功率调度等任务，可用以保证电池以恒压、恒流的方式进行充电与放电。在实际工作中，DSP采样获得的电压反馈信号会与既定电压值加以对比，参照误差信号对PI进行调节操作。PI调节模块输出信号会通过DSP的脉冲生成单元、三角载波进行对比，由此产生PWM驱动，在Buck变换设备的作用下合理调节占空比，达到稳压的目的。在对光耦输出电路设计之时，需要对PWM光波电路进行了解，对STM32一体式输出光波电压进行控制，在正常运行范围内输出光耦。为了其他光波不会对PWM光波产生影响，还要对光耦电路输出进行隔离管理。在通信系统设计上，主要会利用光耦模块，对于系统内的RS485收发器芯片展开设计，结合电源管理、电源独立接地线两个模块，迅速找到通信功能设计的切入点，使通信系统的安全性得到保证。在充电之前要开展相应的检测准备工作，观察各接口的连接程度，当确认接口连接完整度较高后，要登记处理充电连接装置、供电功率情况，详实记录设备和功率相关的数据，尽快开展精准的监测管理工作。之后应当采用充电电缆的方式，对充电桩和电动汽车间的连接加以处理，在充电开始前需要记录充电桩控制设备的变化信息，观察电压值是否满足工作要求，根据PWM信号占空比确定充电桩电流最大值，使充电得到精细化管 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|269技术应用与管理理，维持充电桩处于稳定、安全的运行状态4。2.4V2G充电桩技术V2G是一种新型充电桩技术，宗旨是“车网互动”，与我国能源使用转型有关，在电动汽车迅猛