电动汽车充电桩相关技术与应用分析
时间：2023-06-22 22:25:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈勇财
漳州知了信息技术服务有限公司，福建 漳州 363100
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。
1.1 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。
2.1 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]。
2.1.1 S2G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。
2.1.2 SEMS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1 SEMS模块的架构组成和对应功能
SEMS在功率分配上，通常具有四种策略模式。①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。②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。③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，形成新的功率分配策略。④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。①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10kΩ。②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。③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。
图1 充电桩的工作控制流程
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。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理，维持充电桩处于稳定、安全的运行状态[4]。
2.4 V2G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，在电动汽车迅猛发展的时代，该技术也得到了广泛应用。此技术与“充电宝”设备原理类似，当电动汽车停止运行之时，可在电网中传输电池的基本功能，而在电动汽车恢复到充电状态之时，则会让电池回到电网中获得电能，有利于维持电动汽车与电网之间的电能平衡，便于电动汽车车主向电力公司“出售”日常存储的电力，重点运用了电动汽车的储值效能。与其他技术相比，此技术能够让充电活动不局限在高峰时段，在其他时期也可进行，待到高峰时段中，便能将多余的电力返销给电网，产生相应的利润，也缓解了电网的负载压力，提升了电能的使用能效，降低了对于电能的消耗。此技术现已得到了诸多电动汽车公司的欢迎和投用，也逐步开展了对于技术的优化研发工作，促使充电桩技术朝着多维度的方向发展[5]。
综上所述，电动汽车经济实惠，起到了减少人类交通活动带来环境污染的作用，而充电桩则是配套设施中最重要的一项。因此，在智能化时代中，应做好充电桩的设计和技术应用工作，通过精准把握网络互动运行优化技术、嵌入式实时控制技术、充电桩充电管理技术、V2G充电桩技术的应用和设计要点，提升充电桩产品的实用性，带动我国电动汽车和充电桩生产行业的可持续发展。
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