摘要：隨著社會經濟的不斷發展和人們生活水平的提高，人們對環保、節能等問題越來越關注。新能源汽車作為一種新興產業，具有低噪聲、高效率以及便捷性等優點，但在其推廣過程中面臨一些困難，其中之一就是配套設施建設滯后帶來的不便。提出一種基于直流變換器的電動汽車充電系統設計方案，旨在解決現有充電設備存在的諸多不足。

關鍵詞：電動汽車；充電樁；電路

0引言

傳統的交流充電方式存在體積大、效率低、安全隱患多等缺陷，因此開發一套先進、可靠且適用范圍廣的充電系統成為當務之急。文章旨在深入探究新能源汽車行業的發展趨勢，力求探索出行之有效的解決方案，推動我國新能源汽車行業快速健康發展。

1電動汽車充電樁的總體方案設計

1.1充電樁的基本原理

充電樁的輸入端與交流電網直接連接，輸出端裝有充電插頭為電動汽車充電。人們可以使用特定的充電卡在充電樁提供的人機交互操作界面刷卡進行相應的充電操作和費用數據打印等。充電樁顯示屏能顯示充電量、費用以及充電時間等數據。

充電樁是一種將電能轉換為其他形式或直接存儲在電網中供用戶使用的設備。它由電源、控制電路和相應的電子元器件組成，具有安全可靠、高效節能等優點。首先，通過交流輸入端口對車載電池進行充電；其次，經過整流濾波后進入直流/交流逆變環節，再經過開關管變換器得到高頻交流信號；再次，高壓線圈產生磁場，從而使磁鐵產生感應電流，驅動電機轉動發電機旋轉；最后，通過低壓輸出端連接到車輛上的電纜接頭完成充電工作。充電模塊主要包括前級全橋主拓撲結構和后級半橋子拓撲結構2種類型。前者采用高頻變壓器隔離輸入端與輸出端，實現高精度的電壓電流轉換功能；后者利用功率開關管完成能量流動方向上的切換，從而達到調節輸出電壓的目的。

充電樁的工作方式可以分為快速充電和慢速充電。快速充電是指在短時間內將大量能量注入電池組，以達到快速充滿的目的；慢速充電則是指長時間緩慢充放電，以保證電池壽命并避免過快充放電引起的損壞。此外，充電樁可以根據不同的車型和需求選擇不同的充電速度和功率等級。

1.2充電樁的主要技術參數

在電動汽車充電樁設計中，主要的技術參數包括功率輸出、電壓等級、電流等級和插座類型等。其中，功率輸出是影響充電速度的重要因素，通常以千瓦為單位。目前，市場上常見的電力規格有220V/30A、380V/60A、480V/120A等。不同規格適用于不同的車型及充電需求。另外，電壓等級是一個重要指標，決定了充電效率和安全性。一般而言，低壓直流電能傳輸比高壓直流電能傳輸更加安全可靠，因此采用240V/100A或480V/80A電壓等級較為合適。此外，需要考慮電流等級，因為高流量充電會導致過熱等問題。一般來說，電流等級應與電源容量相匹配。插座類型的選取也非常重要。常用的插頭種類有3種，分別為中國標準雙針插孔、歐洲標準三針插孔以及美國標準四針插孔。其中，中國標準雙針插孔插口使用廣泛，適合于大多數電動車型號使用。

充電樁采用先進的電力電子器件作為主要控制元件，對電池組進行恒流限壓浮充控制，并且可以自動識別電池類型，提供相應的充電服務。該充電樁不僅結構緊湊合理、可靠性高、使用壽命長，而且具有智能化程度高、節能環保等優點，是一種性能優良、適用廣泛的電動汽車充電設備。

1.3充電樁的總體設計方案

電動汽車充電樁主要由前級電路、功率因數校正電路和后級全橋逆變器組成。其中：前級電路采用三相不可控整流電路對電網進行高效轉換；功率因數校正電路通過控制絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）導通與截止時間實現輸出電壓電流波形質量的調節，提高輸入交流電源的電能利用效率，并消除諧波污染；后級全橋逆變器將直流電源轉換為高頻交流電源供給電動汽車電池組充電。

前級電路。該部分包括三相不可控整流電路和濾波電容兩個重要部件。實際應用中，需要根據不同規格型號的電動汽車選擇相應的元器件，以確保其性能穩定可靠。同時，需合理選取濾波電容，以有效濾除輸入端的干擾噪聲和防止浪涌電流對設備造成損害。此外，通過加入適當的濾波電路，解決電動汽車充電過程中產生的大量諧波問題。

功率因數校正電路。該部分是保證輸出電壓電流波形質量的核心。通常情況下，采用功率因數校正（PowerFactorCorrection，PFC）變換器作為主要拓撲結構，通過改變IGBT的導通與截止時間來調整輸出電壓電流波形，使得其總諧波畸變率盡可能小，同時可以通過反饋控制算法進一步優化功率因數，減少不必要的能源浪費。

后級全橋逆變器。該部分負責將直流電源轉換成高頻交流電源，供給電動汽車電池組充電。一般情況下，采用雙極性倍頻正弦脈寬調制（SinusoidalPulse-WidthModulation，SPWM）能夠獲得更好的正弦波輸出效果。另外，需注意控制IGBT模塊的導通與截止時間，避免出現過流或過熱現象而影響設備的使用壽命。

1.4充電樁的工作流程

新型電動汽車充電樁的工作流程主要包括6個環節，如圖1所示。第一，用戶注冊和認證。在使用充電樁前，需要進行用戶注冊和身份認證，可以通過手機App或現場人員人工操作完成，確保只有合法的用戶使用充電樁。第二，充電樁設備連接。充電樁設備需要與車輛進行連接，以實現對車輛的充電功能。第三，充電樁控制系統監控。充電樁控制系統的主要作用是監測電池狀態、溫度、電壓等，并及時反饋給操作員。第四，充電結束及結算。當車輛充電完畢后，充電樁會自動關閉電源開關，同時向車主收取相應的費用。第五，故障處理。如果充電樁出現故障或者異常情況，需要采取措施解決問題。第六，維護保養。為保證充電樁正常工作，需要定期對其進行維護保養。

整個充電過程無須人員干預，實現了無人化管理和智能控制。此外，充電樁具備過載保護、短路保護以及漏電保護等多重安全保障措施，確保設備使用的可靠性與安全性。

2電動汽車充電樁的硬件設計及軟件設計

2.1充電樁的拓撲結構

電動汽車充電樁的拓撲結構的主要作用是將電源和負載連接起來，實現對車輛進行充電或供電的功能。目前，市場上常見的充電樁拓撲結構主要有串聯型、并聯型和混合型3種。其中，串聯型是常用的一種，基本原理是在多個電池組之間串接電容來形成一個電壓梯度，從而對車輛進行充電。并聯型則通過在多個電池組之間的連接來提高電流輸出能力，適用于需要快速充放電的情況。混合型是將兩者結合，既可以增加電流輸出能力，又可以減少電壓梯度的大小。實際應用中，選擇合適的拓撲結構對于充電樁性能的影響很大。除了拓撲結構的選擇外，充電樁需要考慮功率密度問題。由于電力系統的穩定性受到限制，充電樁的輸入功率不能超過系統容量的最大值。為了保證充電效率和安全性，充電樁的輸出功率也應該控制在一個合理的范圍。

2.2充電樁的硬件設計

在進行充電樁硬件設計時，需要考慮其功能需求和性能指標。設計采用一種基于單片機控制的直流變換器來實現對電池組的快速、高效充放電。該系統主要由主控模塊、功率開關管模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊以及輔助電源等組成，如圖2所示。其中：主控模塊是整個充電樁的核心部分，負責接收來自用戶端發送的指令，并通過程序算法完成對各個模塊的控制；功率開關管模塊用于控制電路中的高壓元器件如IGBT或金氧半場效晶體管（Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET），以達到調節輸出電壓與電流的目的；電流檢測模塊用于實時監測輸入交流電網的電流大小，從而保證設備安全運行；電壓檢測模塊用于監測充電樁內部各支路的電壓情況，確保設備能夠正常工作；輔助電源為整個充電樁提供所需的電能。

圖2充電樁的硬件系統

當用戶將車輛連接充電樁后，操作人員只需按下相應的按鍵即可啟動充電流程。此時，主控模塊會自動搜索附近可用的插座并選擇最佳的接入方式。功率開關管模塊開始工作，將直流電轉換成交流電供給負載使用。電流檢測模塊也會同步開始工作，實時監測充電過程中產生的電流變化情況。如果發現異常情況，如某個模塊出現故障或者某條線路存在短路現象，將會立即切斷所有電源并發出警報提示。此外，配備有專門的保護電路，可以有效避免過壓、欠壓、過流等問題導致設備損壞。

本次設計的電動汽車充電樁具有結構簡單、可靠性高、效率高等優點，適用于各種場合下的電動車輛充電需求。

2.3充電樁的軟件設計

在對充電樁進行軟件設計時，為保證用戶信息不泄露，采用控制器局域網絡（ControllerAreaNetwork，CAN）總線通信方式實現與上位機之間的數據傳輸，同時設置相應的權限管理機制，確保只有授權人員才能夠訪問相關的參數和文件。此外，需加入異常處理功能，當出現系統故障或其他異常情況時能夠及時切斷電源并報警提示。

主程序模塊負責整個充電過程中各個環節的控制、調度以及狀態監測等工作。通過不斷檢測電池電壓、電流、功率等各項指標，判斷當前充電進程是否正常。如果發現存在問題，則會立即采取措施予以解決。通信協議模塊用于實現CAN總線與其他設備之間的數據交換。由于不同型號的電動汽車使用的接口標準可能不一致，需要針對不同車輛開發特定的通信協議，以滿足實際需求。數據處理模塊負責對接收的各類傳感器數據進行濾波、去噪、修正等預處理操作，然后將處理后的數據上傳至上位機進行進一步分析和處理。人機交互界面模塊提供給用戶一個友好、直觀的操作界面，方便用戶進行各種參數配置和狀態查詢，同時支持手動控制和自動控制兩種模式，可根據用戶需求自由切換。

2.4電動汽車充電樁通信協議

為實現電動汽車與充電站之間的通信和控制，需要采用一種高效且可靠的數據傳輸方式。目前，市場上常用的通信協議有ZigBee和Wi-Fi。ZigBee是一種低功耗無線網絡技術，適用于小型設備間的短距離通信；Wi-Fi則是基于IEEE802.1x標準的無線局域網技術，具有更高的數據速率和更遠的覆蓋范圍。2種協議各有優缺點，應考慮實際應用場景和需求進行選擇。文章選擇采用Wi-Fi作為電動汽車充電樁的通信協議。Wi-Fi通信協議的特點是支持高速數據傳輸，同時具備較強的安全性能。在電動汽車充電樁的應用中，它可以提供更快的數據傳輸速度和更加安全的信息交換環境。此外，Wi-Fi具有良好的兼容性，可以在不同品牌的車輛上使用。因此，Wi-Fi為電動汽車充電樁的通信協議提供了更好的解決方案。

3安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

3.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

3.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

3.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

3.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

3.4.5統計分析

通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

3.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。 

3.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

3.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

3.5系統硬件配置

4結論

主要分析現有的電動汽車充電設施，并提出一種基于直流變換器和電池管理系統相結合的充電方式。該充電方式具有高效、安全、可靠等優點，能夠滿足用戶快速便捷地完成充電過程的需求。設計中還考慮了未來新能源汽車市場發展趨勢及相關政策要求，可為今后電動汽車充電設備的研發提供參考。

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[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

[4]吳 琦，龔文豪.新型電動汽車充電樁的技術方案研究

作者介紹：

安躍強，任職江蘇安科瑞電能服務股份有限公司，從事電動汽車有序充電的設計及商務咨詢。