电动汽车智能充电桩设计及关键技术研究

　　摘要：在“双碳”的背景下，新能源电动汽车凭借其环境友好、能源浪费少等优势得以快速发展，而作为智慧能源基础设施的新能源汽车充电桩，就成为行业的“必争之地”。在此背景下，本文以电动汽车智能充电桩设计为研究内容，在探究设计要求的基础上，深度分析了智能充电桩设计与功能实现过程，最后对智能充电桩性能进行测试，旨在为新能源电动汽车智能充电桩应用水平的提升提供参考。

　　引言

　　2021年11月16日，特斯拉中国充电团队官方微博发文称，截至目前，特斯拉在中国大陆已建设开放超1000座超级充电站，超8000个超级充电桩，配合超700座目的地充电站，超1750个目的地充电桩，覆盖全中国超360个城市。可见，继锂电业务之后，充电桩业务已成为新能源汽车的第二主要业务。近年来伴随着社会环境污染问题不断加重，电动汽车产业凭借其环保优势获得了迅猛发展，并带动电动汽车产业不断升级。但是，与电动汽车产业配套的充电桩设施普遍存在结构复杂、功能简单、成本高昂等弊端，其安全保障程度和数字化应用程度也有待提高，难以适应电动汽车产业快速发展的需求，这在一定程度上阻碍了电动汽车产业的发展。

　　1. 电动汽车智能充电桩设计要求

　　1.1 符合天气变化的考验

　　我国土地资源丰富，国土面积辽阔，不同地区的气候类型和环境条件存在着诸多差别，而电动汽车智能充电桩作为电动汽车业务的基础设施之一，符合天气变化的考验是基本要求。近年来全球气候条件变得恶劣，我国自然环境受到了全球气候变暖的影响，极端恶劣天气发生的可能性越来越高，不仅在较大程度上影响了我国制造企业的发展，而且对某些地区经济发展和社会民生造成了一定影响。就电动汽车智能充电桩设计而言，由于要求外部结构具备较强的稳定性和封闭性，保证电动汽车充电的安全性[1]，因此，智能充电桩必须具备良好的气密性，在外界自然环境出现水珠、雨珠甚至是暴风雪等条件下，能够使电动汽车完成整个充电过程，且避免外界自然环境产生的电动汽车内部电路短路或其他系统故障问题。也就是说，在设计电动汽车智能充电桩时，必须充分保证其外部结构的封闭性、安全性和稳定性，同时为了最大限度使智能充电桩内部构件所产生的热量及时散发，还应该保证智能充电桩内部空间的流动性[2]。

　　1.2 具备抗电磁干扰能力

　　具备抗电磁干扰能力是电动汽车智能充电桩设计的要素之一。电动汽车智能充电桩时常在电磁强度极高的条件下工作，而自然环境中存在的电磁感应信号很可能对智能充电桩的信号接收和传输造成一定干扰。近年来，我国通信技术、计算机网络信息技术不断发展，电动汽车智能充电桩受到自然环境中电磁干扰的情况愈加频繁，因此，在外界电磁干扰较强的情况下，为了保障电动汽车智能充电桩的正常运行，必须考虑到周边环境的电路结构布局，尽可能地屏蔽外界电磁信号，减少外界环境对充电过程的干扰。

　　2. 电动汽车智能充电桩设计与功能实现

　　2.1 硬件系统设计

　　在设计智能充电桩的过程中，其硬件系统主要包括中央主控、读卡器、打印机、显示单元装置、保护装置等基本部分，图1即为智能充电桩硬件系统架构图。在对智能充电桩中央控制模块的设计上，应加强对总控制模块结构系统关停开启的设计，保障智能充电桩设计应用和配套设备的匹配均衡，继而与其他模块达到高效率的联通，使其有效监控智能充电桩的整个充电过程，保障智能充电桩运行的全过程效果[3]。同时，中央主控模块能够借助周边丰富多样的通信模式，收集智能充电桩在充电过程中产生的数据流后形成信息流，为后续智能充电桩结构设计优化布局提供更有力的支持参数。例如，针对智能充电桩主控系统相关功能的设计，可采取能耗更低、数据冗余度更小、参数处理时效炉快和控制能力更佳的结构系统，完成对数据信息的掌控和管理，以此实现控制系统中效率优化和电池电量利用最大化的价值，完善智能充电桩实践应用过程中的数据查询功能和消费金额查询等，进而根据消费者的数据信息完成用户等级权限的变更，不断提高智能充电桩的应用价值。同时，在智能充电桩的实践应用中，还可以进一步根据参数结构网络设施，采集数据信息后实现精准控制。例如，可以通过智能充电桩运行参数显示单元和监控单元的两两配合，完善硬件结构系统的设计，使得显示灯等硬件系统能够在软件程序运行支撑和数据信息采集的基础上实现参数的优化，高效及时地完成智能充电桩一系列的操作。当智能充电桩连接充电设备后，显示灯的指示功能能够在充放电应用过程中实现信息的转换，进而保障参数信息的自动化显示，确保电动汽车使用者能够在实践应用上完成个人形成的规划。在智能充电桩控制单元的设计栏中[4]，智能充电桩运行状况能够借助监管系统得到全过程全方位的监督和数据处理，通过数据信息模拟量完成步骤的演进，并进一步向电动汽车使用者显示更加准确的充电需求量。当智能充电桩发生充电故障时，监控模块能够在探查到故障后快速切断充电电源，并将具体信息反馈至安全保障中心，完成故障排查和处理过程。

　　2.2 软件系统设计

　　电动汽车智能充电桩的软件系统设计主要是将不同功能模块结构之间相互连接，实现各功能模块之间的兼容合作与协调配合，保证智能充电桩顺利完成充电过程，图2即为软件系统的功能架构示意图。由图可知，电动汽车智能充电桩软件系统设计主要包括主控系统设计、安全管理系统设计、软件系统程序设计、人机交互界面设计和远程通信系统设计五部分内容。其中，主控系统设计是指将主机、服务器、终端APP、存储服务器等元件快速连接，然后根据消费者的消费偏好、待充电电动汽车的型号规格和消费者充电续航的目的等诸多影响，给出侧重价格、电量、时间等不同影响因素的多样化的智能充电桩充电方案，使消费者能够在诸多各有侧重的充电方案中找到适宜自己需求的方案，得到更优质的充电服务。当电动汽车使用者充电需求方案确定后，智能充电桩的主控制模块能够借助通信功能，将客户的消费信息传递给智能充电桩充电过程的功能单元，借助功能单元向不同硬件模块发送指令的方式，完成智能充电桩功能的自动化过程。当充电桩智能系统想要获取客户大的充电信息时，充电时间、消费金额和消费频率等诸多参数将被记录到该电动汽车使用者的数据库系统中，待需要时调集参数完成数据匹配过程，保障智能充电桩客户消费需求的圆满达成。

　　其次，在智能充电桩的安全管控过程中，为保障电动汽车使用的安全性和私密性，要加强对数据加密系统、解密密钥管理和数据匹配设计等诸多内容的定义管理，完成安全保密设计下的数据定义，使电动汽车智能充电桩在实践应用过程中能够得到既定模式下的有效保护，也能够完成数据信息的收集和数据库管理安全屏障架设。

　　最后，在现有的管理信息系统、专家信息系统等的支撑下，电动汽车智能充电桩能够在数据产生的一刻和数据平台相连接，完成数据使用操作的交互和融合，实现智能充电桩运行过程的安全可控，更有助于收集数据信息后完善智能充电桩的智慧化建设，保障客户的使用安全。在智能充电桩数据库远程规划和通信过程中，由于现有的远程数据传输体系建设较为完善，在对智能充电桩的控制和管理中，能够借助相互辅助的印证功能完善对数据信息的正确性判别[5]。在智能充电桩智慧显示屏的设计和交互应用上，界面内容布局的优化设计、显示参数信息的可调整和数据交互结构设计等诸多功能，都能为电动汽车使用者提供贴心的服务和完善的操作步骤优化，进而为不同界面之间的连接和计算机输入输出指令的发出和执行等提供支撑，能够模拟人与计算机之间的相互沟通与交流，使得用户能够在智能充电桩操作界面通过滑行、点击等基本操作获取想要的消费数据。在软件系统程序的设计上，应进一步优化电动汽车智能充电桩的设计流程和编写过程，实现对智能充电桩IC卡的识别和充电模式的选择，保障充电过程中的各环节安全、准确、高效。

　　2.3 环境兼容系统的设计

　　基于碳达峰和碳中和政策支持下，各行各业将绿色可持续性发展和环境保护理念强强融合，不断优化产业链上的环境兼容性设计，完善能源资源的节约管理，尽全力为能源消耗量降低和环境损害程度降低奠定更扎实的技术流程支持。首先，在电动汽车智能充电桩的优化设计过程中，应充分考虑到电动汽车充放电使用过程和消费者的个性化需求，结合电动汽车的设计使用原则，在云技术平台、数据库、管理平台等的支持下完善关系模型的构建，搭建起符合实情的模型约束条件，通过消费者数据信息的收集、处理和分析，得到不同消费者的消费偏好，为智能充电桩的智慧建设奠定更扎实的基础。其次，鉴于电动汽车智能充电桩室外布局的特质，必须考虑到外界环境变化对智能充电桩的影响，尤其是要考虑负面影响，保障智能充电桩能够在实践应用后圆满且长时间完成充电功能。最后，为了避免智能充电桩应用过程中的电子干扰，可以选择工业级别的相应零部件完成整个智能充电桩架设和安装，最大限度降低工业生产环境中电磁效应的不良干扰。同时，在智能充电桩的电器架构模式设计上，应融入防雷器，借助压敏电阻或者是其他二极管、磁柱等，加强对整个智能充电桩通信线路的防静电保护，避免其受到电磁干扰。

　　3. 智能充电桩的性能测试

　　在电动汽车智能充电桩设计和安装完成后，为了最大限度保障智能充电正常运行，应展开现场的性能测试，了解充电桩的实际应用效果，发现智能充电桩在应用过程中可能存在的不足，扬长避短，促使电动汽车智能充电桩向好。本文按照图3所示的方法对智能充电桩进行了计量检测和测试过程，通过对模拟器波形采集、控制导引电路等的测试，了解到电动汽车智能充电桩运行过程中的环境温度、电压电源参数等。经过测试，智能充电桩在实践应用过程中的充电速度以及充电时间等诸多指标都达到了预期充电目标，且在整个充电过程中电流稳定，并不会对电动汽车的蓄电池带来二次伤害。而当电动汽车的蓄电池处于不稳定状态或者电压过高超过90V时，智能充电桩将会直接启动维护模式，避免电压过高造成的蓄电池损害和影响。此外，智能充电桩的人机交互界面、通信过程甚至是全过程的实时监控等功能，都能够辅助智能充电桩管理人员完全掌握整个充电运行过程，便于管理人员快速监察，也能够使电动汽车主人随时监测电池情况[6]。总之，最终测试结果显示，电动汽车智能充电桩的充电运行状况良好，充电过程以及充电内容可以根据消费者需求进行修改，具备了消费者个性化服务功能，也能够根据电动汽车的充电模式自动调整充电时间，最快充电过程大致在一小时左右，且用户能够通过显示界面观察到卡内现有的余额、历史充值过程、充电过程等诸多信息，方便使用者快速查询。此外，当电动汽车电池电压达到额定电压的90%时，系统会降低电流参数，对蓄电池进行维护，保障智能充电整个过程科学高效。

　　结语

　　在当代社会能源资源节约要求不断拔高和“双碳”政策持续推进的大背景下，电动汽车想要在激烈的竞争市场上得到一席之地，可通过不断优化新能源利用技术、智能充电桩的物联网配套设施等，使诸多先进科技与电动汽车智能充电桩强强联合，完成智能充电桩软件程序优化和硬件设备选型优化等诸多内容，实现长时间的电动汽车续航，为推动电动汽车产业的规模化和市场化奠定更扎实的技术基础。

　　参考文献：

　　[1]刘涛.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].科技创新导报,2017,(19):89-93.

　　[2]林凯斌.电动汽车智能充电桩设计及关键技术研究[J].技术与市场,2021, 28(7):59-64.

　　[3]曹新颖,史辛琳,刘琳娜,等.分析电动汽车智能充电桩的设计与实现[J].科技创新,2019,(15):6-8.

　　[4]汤向华,朱富云,吕帅帅,等.新能源汽车智能充电桩的设计与研究[J].中国高新科技,2020,(10):26-29.

　　[5]田剑.电动汽车智能充电桩的设计与实现[J].科技与创新,2016,(1):22-25.

　　[6]杜婕.电动汽车智能充电桩的设计要求及相关技术探索[J].通信电源技术,2019,36(3):65-68.

　　作者简介：于志江，硕士，电子信息中级，研究方向：计算机仿真模拟、计算机音视频、物联网、智能充电桩。

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