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摘要：伴隨社會經(jīng)濟與生活水平的提升，人們越發(fā)重視環(huán)保節(jié)能，新能源汽車產(chǎn)業(yè)興起，但推廣遭遇配套設施建設滯后難題。本文提出基于直流變換器的電動汽車充電系統(tǒng)設計方案，旨在攻克現(xiàn)有充電設備缺陷，推動新能源汽車行業(yè)穩(wěn)健前行。

關鍵詞：電動汽車；充電樁；電路

0. 引言
傳統(tǒng)交流充電方式存在體積大、效率低且安全隱患多等弊端，因而開發(fā)先進、可靠且適用性廣的充電系統(tǒng)迫在眉睫。本文聚焦新能源汽車行業(yè)發(fā)展走向，探尋切實可行的解決之策，助力我國新能源汽車行業(yè)蓬勃發(fā)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
充電樁輸入端與交流電網(wǎng)相連，輸出端配備充電插頭，為電動汽車充電。用戶可通過特定充電卡在人機交互界面刷卡，進行充電操作與費用數(shù)據(jù)打印等，顯示屏會呈現(xiàn)充電量、費用及充電時間等信息。
充電樁是將電能轉換或存儲以供用戶使用的設備，由電源、控制電路及電子元器件構成，具備安全可靠、節(jié)能高效等特性。其充電流程為：先經(jīng)交流輸入端口為車載電池充電，經(jīng)整流濾波后進入直流 / 交流逆變環(huán)節(jié)，再通過開關管變換器獲取高頻交流信號，接著高壓線圈產(chǎn)生磁場使磁鐵感應出電流驅動電機轉動，最終由低壓輸出端經(jīng)電纜接頭為車輛充電。充電模塊包含前級全橋主拓撲結構和后級半橋子拓撲結構，前者用高頻變壓器隔離輸入輸出端，實現(xiàn)高精度電壓電流轉換；后者借功率開關管切換能量流動方向，調節(jié)輸出電壓。
充電樁工作方式分為快速與慢速充電，前者短時間注入大量能量快速充滿電池，后者長時間緩慢充放電，保障電池壽命、避免過充放損壞。此外，可依車型與需求選擇不同充電速度和功率等級。

1.2 充電樁的主要技術參數(shù)
電動汽車充電樁設計中，關鍵技術參數(shù)涵蓋功率輸出、電壓等級、電流等級與插座類型等。功率輸出影響充電速度，常見電力規(guī)格有 220V/30A、380V/60A、480V/120A 等，依車型和需求而定。電壓等級關乎充電效率與安全，低壓直流電能傳輸相對安全，240V/100A 或 480V/80A 較合適。電流等級要與電源容量適配，以防過熱。插座類型方面，中國標準雙針插孔應用廣泛，適用于多數(shù)電動車型。
該充電樁以先進電力電子器件為控制元件，對電池組恒流限壓浮充控制，能自動識別電池類型提供充電服務，具有結構緊湊、可靠性高、壽命長、智能化高與節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，是性能優(yōu)良、應用廣泛的充電設備。

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(shù)校正電路和后級全橋逆變器構成。前級電路采用三相不可控整流電路高效轉換電網(wǎng)電能；功率因數(shù)校正電路借控制 IGBT 導通截止時間，優(yōu)化輸出電壓電流波形質量，提升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為電動汽車電池組充電。
前級電路含三相不可控整流電路與濾波電容，需依電動汽車規(guī)格選元器件確保性能穩(wěn)定，合理選濾波電容濾除干擾噪聲與防浪涌電流，還可通過濾波電路解決充電諧波問題。
功率因數(shù)校正電路是保障輸出波形質量的關鍵，常采用 PFC 變換器，通過改變 IGBT 導通截止時間調整波形，降低總諧波畸變率，結合反饋控制算法優(yōu)化功率因數(shù)，減少能源浪費。
后級全橋逆變器負責將直流轉高頻交流為電池組充電，采用雙極性倍頻 SPWM 可獲更好正弦波輸出，要注意控制 IGBT 模塊導通截止時間，防止過流過熱影響壽命。

1.4 充電樁的工作流程
新型電動汽車充電樁工作流程含六個環(huán)節(jié)。其一，用戶注冊認證，可通過手機 App 或現(xiàn)場人工操作完成，確保合法用戶使用。其二，充電樁設備連接車輛實現(xiàn)充電功能。其三，充電樁控制系統(tǒng)監(jiān)測電池狀態(tài)、溫度、電壓等并反饋給操作員。其四，充電結束自動結算費用。其五，故障處理，出現(xiàn)故障或異常及時解決。其六，維護保養(yǎng)，定期維護確保正常工作。
整個充電過程無人化管理與智能控制，且充電樁有過載、短路、漏電等多重保護，保障設備可靠安全。

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
電動汽車充電樁拓撲結構連接電源與負載，實現(xiàn)充電或供電功能。常見有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型三種，串聯(lián)型通過串接電容形成電壓梯度充電；并聯(lián)型連接多個電池組提高電流輸出能力，適用于快速充放電；混合型兼具二者優(yōu)勢。實際應用中，拓撲結構選擇對充電樁性能影響顯著，同時要考慮功率密度，因電力系統(tǒng)穩(wěn)定性限制，充電樁輸入輸出功率需控制在合理范圍。

2.2 充電樁的硬件設計
充電樁硬件設計考慮功能需求與性能指標，采用基于單片機控制的直流變換器實現(xiàn)電池組快速高效充放電。系統(tǒng)由主控模塊、功率開關管模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊及輔助電源組成。主控模塊接收用戶指令并控制各模塊；功率開關管模塊調節(jié)輸出電壓電流；電流檢測模塊監(jiān)測輸入電流保障安全；電壓檢測模塊監(jiān)測內部電壓確保正常工作；輔助電源提供電能。
用戶連接車輛后按按鍵啟動充電，主控模塊搜索插座并選擇最佳接入方式，功率開關管模塊工作，電流檢測模塊同步監(jiān)測，異常時切斷電源報警。該充電樁結構簡單、可靠性高、效率高，適用于多種電動車輛充電場景。

圖2充電樁的硬件系統(tǒng)

2.3 充電樁的軟件設計
充電樁軟件設計為防用戶信息泄露，采用 CAN 總線通信與上位機傳輸數(shù)據(jù)，設權限管理機制確保授權訪問，加入異常處理功能，遇系統(tǒng)故障或異常切斷電源報警。
主程序模塊控制、調度充電各環(huán)節(jié)并監(jiān)測狀態(tài)，檢測電池各項指標判斷充電進程，異常時采取措施。通信協(xié)議模塊實現(xiàn) CAN 總線與其他設備數(shù)據(jù)交換，針對不同車輛開發(fā)特定協(xié)議。數(shù)據(jù)處理模塊預處理傳感器數(shù)據(jù)后上傳上位機。人機交互界面模塊提供友好操作界面，支持手動自動切換，方便用戶配置參數(shù)與查詢狀態(tài)。

2.4 電動汽車充電樁通信協(xié)議
電動汽車與充電站通信控制需高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，市場常用 ZigBee 和 Wi-Fi 協(xié)議。ZigBee 適用于小設備短距離低功耗通信，Wi-Fi 基于 IEEE802.1x 標準，數(shù)據(jù)速率高、覆蓋范圍廣、兼容性好且安全性能強，本文選用 Wi-Fi 作為充電樁通信協(xié)議，為其通信提供優(yōu)質方案。

3. 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

3.1 概述
AcrelCloud - 9000 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)借物聯(lián)網(wǎng)技術，對電動自行車充電站及充電樁持續(xù)采集監(jiān)控，實時掌握充電樁運行狀態(tài)，開展充電服務、支付管理、交易結算、資產(chǎn)管理、電能管理、明細查詢等工作，對充電機故障預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G 或 WIFI 接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶可通過微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

3.2 應用場所
適用于民用建筑、工業(yè)建筑、居住小區(qū)、事業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

3.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分四層，即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。數(shù)據(jù)采集層的電瓶車智能充電樁采用標準 modbus - rtu 通訊協(xié)議，采集電力參數(shù)并計量保護；網(wǎng)絡傳輸層經(jīng) 4G 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)庫服務器；數(shù)據(jù)層含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，分別部署相關服務和數(shù)據(jù)庫；客戶端層允許系統(tǒng)管理員瀏覽器訪問充電樁收費平臺，終端用戶刷卡掃碼充電。
小區(qū)充電平臺具備充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，還為運維人員提供運維 APP，為充電用戶提供充電小程序。

3.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布，統(tǒng)計顯示設備狀態(tài)、使用率、充電次數(shù)、時長、金額、度數(shù)、故障等信息，還可查看站點詳情、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等，便于統(tǒng)一管理充電樁，合理分配資源。

3.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、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(qū)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(fā)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(xiàn)場問題。

3.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)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(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

3.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)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(yōu)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(huán)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(shù)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(tǒng)硬件配置

類型	型號	圖片	功能
安科瑞充電樁收費運營云平臺	AcrelCloud-9000		安科瑞響應節(jié)能環(huán)保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務。實現(xiàn)對動力電池快速、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。
互聯(lián)網(wǎng)版智能交流樁	AEV-AC007D		額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持刷卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC030D		額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC060S		額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯(lián)網(wǎng)版智能直流樁	AEV-DC120S		額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監(jiān)測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網(wǎng) 支持刷卡，掃碼、免費充電
10路電瓶車智能充電樁	ACX10A系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電
2路智能插座	ACX2A系列		2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電
20路電瓶車智能充電樁	ACX20A系列		20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持刷卡，免費充電
落地式電瓶車智能充電樁	ACX10B系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
智能邊緣計算網(wǎng)關	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
	擴展模塊ANet-485		M485模塊：4路光耦隔離RS485
	擴展模塊ANet-M4G		M4G模塊：支持4G全網(wǎng)通
導軌式單相電表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協(xié)議 證書：MID/CE認證
導軌式電能計量表	ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統(tǒng)計，總正反向無功電能統(tǒng)計；紅外通訊；電流規(guī)格：經(jīng)互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID/CE認證
無線計量儀表	ADW300		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目） 證書：CPA/CE認證
導軌式直流電表	DJSF1352-RN		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統(tǒng)計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證
面板直流電表	PZ72L-DE		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證
電氣防火限流式保護器	ASCP200-63D		導軌式安裝，可實現(xiàn)短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監(jiān)測、線纜溫度監(jiān)測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。
開口式電流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列開口式電流互感器安裝方便，無須拆一次母線，亦可帶電操作，不影響客戶正常用電，可與繼電器保護、測量以及計量裝置配套使用。
霍爾傳感器	AHKC		霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。
智能剩余電流繼電器	ASJ		該系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動作保護器，主要適用于交流50Hz，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統(tǒng)配電線路，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用于對人身觸電危險提供間接接觸保護。

4結論

本文剖析現(xiàn)有電動汽車充電設施，提出基于直流變換器和電池管理系統(tǒng)結合的充電方式，具有高效、安全、可靠優(yōu)勢，滿足用戶快速便捷充電需求，且考慮新能源汽車市場發(fā)展趨勢與政策要求，為后續(xù)充電設備研發(fā)提供參考借鑒，有望推動新能源汽車充電設施的進一步發(fā)展與完善，助力新能源汽車行業(yè)邁向新臺階。

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審核編輯 黃宇