王梦楠WANG Meng-nan；沈旺旺SHEN Wang-wang；倪源NI Yuan

（中建科工集团有限公司，深圳 518000）

0 引言

在低碳经济时代背景下，为缓解能源短缺矛盾，更好的保护生态环境，国家逐年加大对新能源汽车的扶持力度，电动汽车得到消费者的一致青睐，市场占有率大幅增加，这也是汽车行业的必然发展趋势。而充电桩作为电动汽车使用环节的能量补给装置，充电桩使用性能与设计水准，直接影响到电动汽车使用寿命，其重要性不言而喻。

1 电动汽车充电桩系统的设计方法

1.1 系统结构设计

充电桩系统由若干部分组成，以使用功能为依据，可以将系统结构拆分为核心控制模块、充电模块、通信与显示操作模块、保护模块、采样变送模块五部分，系统结构如图1 所示。

图1 电动汽车充电桩

其中，核心控制模块由控制板、控制芯片加以组成，负责控制各功能模块的协调配合状态，实现人机交互信息传递、输入信息整理、运算分析、向终端充电桩设备反馈控制指令、HMI 与充电桩数据沟通等使用功能，以及在无人工干预条件下完成一些简单性操作任务。充电模块由高频变压器、整流滤波等部分组成，在接收核心模块下达控制指令后，按指令调整用户输入数据信号，控制充电桩为所连接电动汽车充电，根据指令内容来控制充电方式及充电时间。通信与显示操作模块由CAN 总线接口、显示屏和按钮等部分组成，在界面向用户显示账户余额、本次充电金额、预计充电时间、电流值等信息，用户在界面功能栏输入信息，通过本模块将信息发送至核心控制模块，再将核心模块所反馈信息显示在屏幕上。保护模块由过压保护、短路保护、过温保护及过流保护等多项安全防护措施及装置组成，有着故障自诊断及控制的使用功能，在充电桩使用期间出现异常运行情况时，自动执行对应保护动作。而采样变送模块由多种传感器组成，在充电桩使用期间，持续采集温度、电流值、电压等要素的现场监测信号，再将信号进行汇总整理后发送至核心控制模块，用于判断系统运行状态。

1.2 硬件设计

充电桩系统的硬件结构由核心控制模块、通信模块、保护模块、充电模块、采样变送模块五部分组成，设计方法如下：第一，核心控制模块。考虑到此模块是系统的核心组成部分，负责完成现场监测信号转换、目标值与设定值比较分析、逻辑运算、决策制定等复杂任务，要求模块具备强大的数据处理与逻辑运算能力，可选择STM32F103ZTE6型号芯片与ARM32 位Cortex-M3 CPU，这类芯片内核有着体积小、具备多种功耗模式、调试能力强、编程简单、性能稳定的优势。同时，对芯片与传感器设计对应电压等级的电源电路，如使用3.3V 电源电路向芯片供电，使用5V电源电路向传感器供电。第二，通信模块。选用RS232 串口，通过串口保持上位机和ARM 控制器的稳定通讯状态，在系统运行期间提供远程调控参数等服务，并通过串口连接打印机、刷卡机等配套设备。同时，设计CAN 通信电路，安装氧化硅材质的CAN 转换器，或是在主控芯片自带bx CAN 控制模块的情况下安装一台CAN 通信信号收发器来替代CAN 通信电路。第三，保护模块。对安全保护装置的选型设计，需要视充电桩系统保护功能而定，如在具备短路保护及输出端过流保护功能时配置熔断器设备，在系统具备交流输入端浪涌保护功能时配置AM40C 等型号的防雷器设备，在系统具备过电压与欠电压保护功能时配置双门限比较器设备，在系统具备过温保护功能时配置温度继电器设备。第四，充电模块。设计整流滤波电路、IGBT 装置与高频变压器，整流滤波电路负责将输入交流电转为直流电供给至IGBT，IGBT 装置基于驱动电路产生作用来将直流电转为交流电，高频变压器在电路中把交流电最终转为直流电充入蓄电池。第五，采样变送模块。由电压、电流与温度检测电路组成。在电压检测电路中安装LV25-P 等型号的电压传感器来持续检测输出电压，在电压值超限与到达充电时间后自动断电。在电流检测电路中安装智能电能表，持续检测充电模块组的总输出电流与实时电路电流值，将检测结果发送至中央控制器和充电监控计费单元。在温度检测电路中安装主控板及高频电压器等设备器件，持续监测充电桩工作温度，在实时温度超过限定值时自动执行开启散热系统、切断电源等保护动作。

1.3 软件程序设计

1.3.1 主控程序设计

一般情况下，可选用Keil uVision5 系统作为开发环境，此类系统有着操作简单、易于学习、兼容C 语言软件开发系统的优势。随后，为改善系统的扩展性能、兼容性能，使系统结构具备组态灵活的优势，应采取模块化设计方法，将主控程序分解为若干模块，对各模块制定专项设计方案，再将全部子模块进行串接处理来形成软件主控程序。

在主控程序运行期间，预先由待机状态切换至开启状态，启动初始化程序，进行一次自我检查，如果存在故障问题则发送报警信号，根据自检信号开展故障自诊断操作，确定无误后登陆账号，接收用户下达指令来插入充电枪，在系统上选择充电模式、按顺序完成模式设定操作。随后，用户点击“开始充电”按钮，控制充电桩切换为工作状态，向汽车蓄电池充电，在界面上实时显示充电过程信息，在监测到蓄电池电量充满后结束充电，进入结算步骤，拔出充电枪，直接从用户账户余额扣款，或是由用户自主选择付款方式，结束本次充电，控制充电桩切换至待机模式。

1.3.2 子程序设计

充电桩操作系统由启动程序、电压检测程序、电流检测程序、A/D 转换电压检测程序、温度检测程序与故障检测程序六项子程序组成，这也是软件主控程序的主要组成部分。其中，在启动程序设计环节，设计故障自检与修复功能，系统在初始化运行完毕后进行自我检查，如果发现故障问题则进行修复，返回开始状态，重复执行初始化、系统自检步骤，待故障修复后完成启动，反馈至主程序开展工作，而在故障未得到修复时，则进入关闭状态。在电压检测程序设计环节，由核心控制模块向电路发送电压检测信号，设定时间间隔，依次检查母线电压正负性与每次运行时的电压，以三次检测结果的电压平均值为最终检测值，如果出现电压异常波动与超限情况，则向主控模块反馈问题。在电流检测程序设计环节，由核心控制模块下达电流检测信号，电流检测模块与时钟模块开展初始化作业，初始化完毕后启动电流检测程序，使用霍尔传感器对电路实时电流值进行检测，以多次电流检测结果的平均值作为检测值，将检测结果以信号形式发送至存储器，系统根据电流检测值与设定值的偏差情况来采取对应反应。在A/D转换电压检测程序设计环节，在主控模块开发板中设计3个及以上的ADC 端口，在主程序启动前开展初始化操作，完成设置操作后启动A/D 转换程序，连续完成10 次采样作业，用于判断A/D 转换是否完成，对采取样值进行分析和储存处理，对采样结果加以滤波处理，返回初始程序，如果采样次数未达到10 次、或是采样结果表明A/D 转换未完成，则在采样取值并储存后返回至连续采样步骤。在温度检测程序设计环节，主程序初始化完毕后向温度传感器下达控制指令，传感器检测与其序列号相对应的检测点，将检测值储存并上传，如果温度值超过限值，则下达切断供电、开启充电桩散热风扇、延时充电等指令。而在故障检测程序设计环节，程序启动后依次检查是否存在缺相、过压、过流、散热器过热的故障问题，在一切正常后进入充电桩工作状态，在检测到故障问题时采取对应措施，如开启风机、断开输入交流接触器等，重复检查故障是否存在，如果故障仍旧存在，则向主控系统发送对应的故障码。

1.4 人机交互界面设计

首先，结合项目情况与充电桩使用要求，在人机交互界面上设定充电参数，包括电池类型、充电方式、电压/电流/充电金额等数据读取栏，用户在界面上设置各项充电参数，由系统程序读取用户数据执行电压电流等参数的数据匹配操作，待数据匹配成功后，即可开始充电。其次，设计开机登录界面，系统启动后预先进入用户认证界面，用户在界面上输入用户名、账户密码与验证码信息，可点击登录或是退出按键，且用户识别未通过时显示账户锁定或账户密码错误的功能按键，待用户认证成功后，进入系统操作界面，显示电池型号选择、充电故障查询、充电方式选择等多个功能栏，用户根据自身需求开展操作，待操作结束后点击按钮控制充电桩开始充电。同时，要求所设计人机交互界面有着简单易懂、参数显示全面、具备信息查询功能与显示清晰的特征，以满足用户的实际操作需求，如查询剩余充电时间、蓄电池实时电量和账户余额。最后，在人机交互界面上设计各项功能栏，以电池型号选择功能栏为例，功能栏中显示镍氢电池、铅酸电池、磷酸铁锂电池以及锰酸锂电池和退出五项按键，以及显示用户名、账户余额等信息，用户根据车辆蓄电池种类点击对应按键，完成电池型号参数设定操作，设计人员也可以根据项目情况，对电池型号种类进行调整。

2 电动汽车充电桩系统设计的优化策略

2.1 充电桩效率优化设计

目前来看，在已建成电动汽车充电桩项目中，普遍存在电路功率因数小的问题，限制了充电桩功率的提升，使得电动汽车实际充电时间较长，并在充电期间损耗较大电能，违背了节能环保理念。因此，在充电桩系统设计方案中，应采取调节电路功率因数数值的方法来改善充电效果、提升充电效率与充电桩功率，具体方法包括设计提高、人工补偿两种，设计提高是做好变压器选型设计工作、优化电路布线结构、合理选择电气设备种类型号，人工补偿是在系统结构中安装无功补偿装置来补偿电气设备及电路的无功功率。

例如，对原有方案中的PFC AC/DC 变换器控制方法进行改进，传统控制方法本质上属于一种双闭环控制法，在充电桩长时间处于低功率输出运行状态时，存在着控制稳定性差、AC/DC 变换器占空比较小、采取ZVS 软开关控制的问题，由此产生严重充电损耗，影响到系统工作效率，并在负载出现瞬时变化时出现主电路输入电压过冲现象。针对于此，可采取用于解决非线性系统问题的微分平坦理论来控制PFC AC/DC 变换器，根据已掌握信息来假定一组平坦稳定的输出变量，使用变换形式，基于输出变量值来表示系统输入量及状态变量，在证明输出变量是平坦输出的情况下，即可在输出空间内设计参考轨迹。

2.2 充电终止控制设计

在电动汽车充电完成后，如果没有及时停止充电桩对蓄电池的充电，会因此快速提升汽车蓄电池的工作温度和内压值，随着时间推移，出现电压负增长情况，严重时损害蓄电池使用寿命。如何避免过度充电，是早期充电桩系统亟待解决的一项重要问题。为解决这一问题，设计人员可选择在系统方案中采取温度控制法、电压控制法、时间控制法或是综合控制法，使充电桩系统具备自动断电能力。首先，温度控制法是在系统中安装温度传感器或温度探头装置，持续检测蓄电池温度，在蓄电池充满电后，多余电能转为热能，使蓄电池温度提升，在蓄电池温度检测值达到限定值后，向核心控制模块发送特定信号，从而下达停止充电的控制指令，一般情况下，将蓄电池温度限值设定为45℃，在温度超过这一标准后，将进入浮充的充电模式，无法起到实际作用。其次，电压控制法是通过安装电压检测设备，在充电期间持续检测实时电压值，待蓄电池电量充满后会出现电压迅速提升至最大值的现象，基于这一现象来判断蓄电池是否完成充电、是否出现电压负增量情况，将信号反馈至核心控制模块。再次，时间控制法是在软件程序中预先设定充电时间，加装时间控制器，在充电桩处于充电状态后进行计数，计数值达到额定值后通过切断电路来结束充电，此项方法有着易于实现、操作简单的优势，但控制精度较低，各台车辆的蓄电池使用年限及性能存在差异性，有可能出现过度充电或是充电力度不足的问题。最后，综合控制法是对上述三种方法的同时采纳，对比温度、电压、充电时间等监测要素来判断蓄电池电量是否充满，有着极高的控制精度，但设计难度较大，并加大了充电桩系统的前期建设成本。

2.3 快速充电设计

为满足不同消费者群体的电动汽车充电需求，在系统设计方案中，应设定快速充电内容，消费者可根据自身需求，在系统界面上选取常规充电方式或是快速充电方式。

以磷酸铁锂电池为例，常规充电方式包括恒流充电、恒压充电、反射式充电与脉冲充电四种，而快速充电方式为分段式快充，将充电桩充电过程分解为预充电、分段恒流快速充电、大电流充电，分别起到保护汽车电池、在短时间内迅速向汽车电池提供电量、去极化负脉冲的作用。在快速充电设计环节，要求设计人员预先调查市面上常见电动汽车车型的磷酸铁锂电池性能参数等基础信息，开展电压测定试验，基于电压情况来设定快速充电方法的各阶段电流值、预充电与分段恒流充电切换时间、大电流充电持续时间等参数，避免因充电电流值过大而破坏电池中活性物质恢复效果，或是因大电流充电时间设定不当而降低充电速度和出现电池极化问题。

2.4 光伏储能式电动汽车直流充电桩设计

为控制充电桩的总体使用成本，节省电力能源和减少线损量，可选择设计新型光伏储能式的直流充电桩系统，在系统结构中加装太阳能电池阵列、直流母线、储能装置、直流变换器等装置，使用plc 可编程逻辑控制器作为系统主控装置，基于光伏发电效应，在太阳光照射光伏阵列时，因电荷内部分布状态改变而形成电动势，在负载终止情况下产生电流，起到发电作用，并使用混合储能装置，在充电桩处于待机状态时，将多转换多余电能导入储能装置中保存。

2.5 充电功能测试

在充电桩系统设计完毕后，为验证系统运行效果和稳定性，可以按照现行国际标准，开展系统基本功能测试和电气防护测试作业，基本功能测试项目包括人机交互功能测试、通信测试、刷卡功能测试与线上支付功能测试，电气防护测试项目包括冲击电流试验、绝缘电阻试验、冲击耐压试验、射频电磁场辐射抗扰度试验和输出电流停止速率测试。

3 结语

综上所述，电动汽车充电桩设计活动涉及到诸多方面，是一项较为复杂的综合性工程，对设计质量及水平有着严格要求。设计人员必须掌握正确的充电桩设计方法与操作要点，严格控制各环节设计质量，正视原有充电桩系统设计方案中存在的缺陷问题，采取科学的优化改进策略，这对满足实际充电需求、实现远程操作与联控管理目标、提高充电桩充电效率有着重要的现实意义。