浅谈电动汽车充电桩的控制系统研究与设计及设备选型
摘 要：针对制约电动汽车发展的要素( 电池和充电方式)，文章提出了以交流充电桩为主的电动汽车充电方案，设计了一套电动汽车充电桩的控制系统，阐述了该控制系统的硬件设计，包括主充电电路单元、主控制电路单元、计费单元、人机交互单元、IC卡单元，以及软件系统及主要程序。
关键词：电动汽车；充电桩；控制系统；
1引言
随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯渴以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国高层及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展方向，发展电动汽车将是解决这两个难题的良好途径。电动汽车具有环保特性，代表着汽车产业未来的发展方向。目前动力电池作为电动汽车的动力源为汽车提供动力，使电动汽车一次充电行驶里程为200km，但当动力电池电力耗尽时需要补充电量。目前国内就充电模式提出了多种方式，例如: 电池组快速更换、快速充电以及常规充电等。根据现实情况，动力电池体积大、重量重，不便于随意更换，同时大功率直流充电柜作为应急充电装置能为电动汽车提供快速续航电力，但对电池伤害很大。因此，交流充电桩解决了电动汽车随时随地电量补给问题，无须装卸电池，整车通过充电电缆直接与充电桩连接即可实现充电，同时以交流电的形式供给电能，对电池无伤害，既提高了电动汽车动力电池寿命，也是电动汽车良好的日常充电方式。交流充电桩体积小、重量轻，与电网供电系统连接方便，可布置于小区、办公楼宇、停车场以及电动汽车专用充电站内，并同时能为两辆电动汽车充电。
2控制系统电路的设计
2.1控制系统的组成电动汽车充电桩控制系统硬件设计包括:主充电电路单元、主控制电路单元、计费单元、人机交互单元、IC卡单元;控制系统的组成结构图见图1。
2.2控制系统硬件电路核心元件的选择
为实现智能充电功能，保证计量准确，采用ARM9处理器作为核心控制单元。其主要功能特点是: 具有5个串口，两个从USB接口，一个主USB接口，一个以太网接口，动态SDRAM，NAND，以及多路IO口，工业级的温度范围，符合本系统设计的要求。充电电量的计量直接采用多功能单相表计量，采用 RS485对电表进行数据传输，其组成电路图如图2所示。
3控制系统软件的设计
电动汽车充电桩控制系统的主要功能包括用户信息交互、电能计量计费控制，控制系统软件功能模块图如图3所示。
整个控制系统主程序流程图如图4所示。
4安科瑞充电桩收费运营云平台系统结构
系统分为四层：
即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
应客户端层：系统管理者可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过IC卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
5安科瑞充电桩云平台系统功能
5.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
5.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。
5.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
5.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
5.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
5.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、金额策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、 冻结和解绑。
5.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
5.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
6系统硬件配置
类型 | 型号 | 功能 |
安科瑞充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 | 安科瑞响应国家节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。 |
互联网版智能交流桩 | AEV-AC007D
| 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持IC卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持IC卡，扫码、免费充电可选配显示屏 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC030D | 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持IC卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持IC卡，扫码、免费充电 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC060S | 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持IC卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持IC卡，扫码、免费充电 |
互联网版智能直流桩 | AEV-DC120S | 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持IC卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持IC卡，扫码、免费充电 |
10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列
| 10路承载电流25安培，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、IC卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、IC卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持IC卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持IC卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持IC卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电 |
2路智能插座 | ACX2A系列
| 2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持IC卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持IC卡充电
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20路电瓶车智能充电桩 | ACX20A系列
| 20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持IC卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持IC卡，免费充电
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落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列
| 10路承载电流25安培，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持IC卡、扫码充电,不带屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持IC卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及录像 |
智能边缘计算智能通信管理机 | ANet-2E4sM | 4路RS485 串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC 12 V ～36 V 。支持4G扩展模块，485扩展模块。 |
扩展模块ANet-485 | M485模块：4路光耦隔离RS485 | |
扩展模块ANet-M4G | M4G模块：支持4G | |
导轨式单相电表 | ADL200 | 单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID /CE认证 |
导轨式电能计量表 | ADL400 | 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID /CE认证 |
无线计量仪表 |
ADW300 | 三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能 、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证 |
导轨式直流电表 | djsf1352-RN | 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证 |
面板直流电表 | PZ72L-DE | 直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证 |
电气防火限流式保护器 | ASCP200-63D | 导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。 |
结束语
文中设计的电动汽车充电桩控制系统具有实现简单、集成化程度高、用户操作界面友好等优点，将对电动汽车的发展起到大的推动作用。该系统所设计的功能充分考虑到用户使用的感受、对环境的保护以及能源的充分利用，从而具有高的经济效益和社会影响力。今后随着电动汽车业的发展，该系统的研究也将随之更加深入和完善。
【参考文献】
[1]电动汽车充电桩的控制系统研究与设计.王涛(1973－)，男，湖北汉川人，工程师
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11月版
作者介绍：
虞佳豪，男 现任职于江苏安科瑞电器制造有限公司，主要研究方向为电能计量管理与保护。产品推荐
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