电动汽车充电系统设计与运营平台方案探究

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摘要：伴随社会经济与生活水平的提升，人们越发重视环保节能，新能源汽车产业兴起，但推广遭遇配套设施建设滞后难题。本文提出基于直流变换器的电动汽车充电系统设计方案，旨在攻克现有充电设备缺陷，推动新能源汽车行业稳健前行。

关键词：电动汽车；充电桩；电路

0. 引言
传统交流充电方式存在体积大、效率低且安全隐患多等弊端，因而开发先进、可靠且适用性广的充电系统迫在眉睫。本文聚焦新能源汽车行业发展走向，探寻切实可行的解决之策，助力我国新能源汽车行业蓬勃发展。

1. 电动汽车充电桩的总体方案设计

1.1 充电桩的基本原理
充电桩输入端与交流电网相连，输出端配备充电插头，为电动汽车充电。用户可通过特定充电卡在人机交互界面刷卡，进行充电操作与费用数据打印等，显示屏会呈现充电量、费用及充电时间等信息。
充电桩是将电能转换或存储以供用户使用的设备，由电源、控制电路及电子元器件构成，具备安全可靠、节能高效等特性。其充电流程为：先经交流输入端口为车载电池充电，经整流滤波后进入直流 / 交流逆变环节，再通过开关管变换器获取高频交流信号，接着高压线圈产生磁场使磁铁感应出电流驱动电机转动，最终由低压输出端经电缆接头为车辆充电。充电模块包含前级全桥主拓扑结构和后级半桥子拓扑结构，前者用高频变压器隔离输入输出端，实现高精度电压电流转换；后者借功率开关管切换能量流动方向，调节输出电压。
充电桩工作方式分为快速与慢速充电，前者短时间注入大量能量快速充满电池，后者长时间缓慢充放电，保障电池寿命、避免过充放损坏。此外，可依车型与需求选择不同充电速度和功率等级。

1.2 充电桩的主要技术参数
电动汽车充电桩设计中，关键技术参数涵盖功率输出、电压等级、电流等级与插座类型等。功率输出影响充电速度，常见电力规格有 220V/30A、380V/60A、480V/120A 等，依车型和需求而定。电压等级关乎充电效率与安全，低压直流电能传输相对安全，240V/100A 或 480V/80A 较合适。电流等级要与电源容量适配，以防过热。插座类型方面，中国标准双针插孔应用广泛，适用于多数电动车型。
该充电桩以先进电力电子器件为控制元件，对电池组恒流限压浮充控制，能自动识别电池类型提供充电服务，具有结构紧凑、可靠性高、寿命长、智能化高与节能环保等优势，是性能优良、应用广泛的充电设备。

1.3 充电桩的总体设计方案
电动汽车充电桩主要由前级电路、功率因数校正电路和后级全桥逆变器构成。前级电路采用三相不可控整流电路高效转换电网电能；功率因数校正电路借控制 IGBT 导通截止时间，优化输出电压电流波形质量，提升电能利用效率并消除谐波污染；后级全桥逆变器将直流电源转换为高频交流电源为电动汽车电池组充电。
前级电路含三相不可控整流电路与滤波电容，需依电动汽车规格选元器件确保性能稳定，合理选滤波电容滤除干扰噪声与防浪涌电流，还可通过滤波电路解决充电谐波问题。
功率因数校正电路是保障输出波形质量的关键，常采用 PFC 变换器，通过改变 IGBT 导通截止时间调整波形，降低总谐波畸变率，结合反馈控制算法优化功率因数，减少能源浪费。
后级全桥逆变器负责将直流转高频交流为电池组充电，采用双极性倍频 SPWM 可获更好正弦波输出，要注意控制 IGBT 模块导通截止时间，防止过流过热影响寿命。

1.4 充电桩的工作流程
新型电动汽车充电桩工作流程含六个环节。其一，用户注册认证，可通过手机 App 或现场人工操作完成，确保合法用户使用。其二，充电桩设备连接车辆实现充电功能。其三，充电桩控制系统监测电池状态、温度、电压等并反馈给操作员。其四，充电结束自动结算费用。其五，故障处理，出现故障或异常及时解决。其六，维护保养，定期维护确保正常工作。
整个充电过程无人化管理与智能控制，且充电桩有过载、短路、漏电等多重保护，保障设备可靠安全。

2. 电动汽车充电桩的硬件设计及软件设计

2.1 充电桩的拓扑结构
电动汽车充电桩拓扑结构连接电源与负载，实现充电或供电功能。常见有串联型、并联型和混合型三种，串联型通过串接电容形成电压梯度充电；并联型连接多个电池组提高电流输出能力，适用于快速充放电；混合型兼具二者优势。实际应用中，拓扑结构选择对充电桩性能影响显著，同时要考虑功率密度，因电力系统稳定性限制，充电桩输入输出功率需控制在合理范围。

2.2 充电桩的硬件设计
充电桩硬件设计考虑功能需求与性能指标，采用基于单片机控制的直流变换器实现电池组快速高效充放电。系统由主控模块、功率开关管模块、电流检测模块、电压检测模块及辅助电源组成。主控模块接收用户指令并控制各模块；功率开关管模块调节输出电压电流；电流检测模块监测输入电流保障安全；电压检测模块监测内部电压确保正常工作；辅助电源提供电能。
用户连接车辆后按按键启动充电，主控模块搜索插座并选择最佳接入方式，功率开关管模块工作，电流检测模块同步监测，异常时切断电源报警。该充电桩结构简单、可靠性高、效率高，适用于多种电动车辆充电场景。

图2充电桩的硬件系统

2.3 充电桩的软件设计
充电桩软件设计为防用户信息泄露，采用 CAN 总线通信与上位机传输数据，设权限管理机制确保授权访问，加入异常处理功能，遇系统故障或异常切断电源报警。
主程序模块控制、调度充电各环节并监测状态，检测电池各项指标判断充电进程，异常时采取措施。通信协议模块实现 CAN 总线与其他设备数据交换，针对不同车辆开发特定协议。数据处理模块预处理传感器数据后上传上位机。人机交互界面模块提供友好操作界面，支持手动自动切换，方便用户配置参数与查询状态。

2.4 电动汽车充电桩通信协议
电动汽车与充电站通信控制需高效可靠的数据传输方式，市场常用 ZigBee 和 Wi-Fi 协议。ZigBee 适用于小设备短距离低功耗通信，Wi-Fi 基于 IEEE802.1x 标准，数据速率高、覆盖范围广、兼容性好且安全性能强，本文选用 Wi-Fi 作为充电桩通信协议，为其通信提供优质方案。

3. 安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

3.1 概述
AcrelCloud - 9000 安科瑞充电桩收费运营云平台系统借物联网技术，对电动自行车充电站及充电桩持续采集监控，实时掌握充电桩运行状态，开展充电服务、支付管理、交易结算、资产管理、电能管理、明细查询等工作，对充电机故障预警；充电桩支持以太网、4G 或 WIFI 接入互联网，用户可通过微信、支付宝、云闪付扫码充电。

3.2 应用场所
适用于民用建筑、工业建筑、居住小区、事业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

3.3系统结构

系统分四层，即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。数据采集层的电瓶车智能充电桩采用标准 modbus - rtu 通讯协议，采集电力参数并计量保护；网络传输层经 4G 网络将数据传至数据库服务器；数据层含应用服务器和数据服务器，分别部署相关服务和数据库；客户端层允许系统管理员浏览器访问充电桩收费平台，终端用户刷卡扫码充电。
小区充电平台具备充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，还为运维人员提供运维 APP，为充电用户提供充电小程序。

3.4安科瑞充电桩云平台系统功能

3.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布，统计显示设备状态、使用率、充电次数、时长、金额、度数、故障等信息，还可查看站点详情、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等，便于统一管理充电桩，合理分配资源。

3.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

3.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

3.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

3.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

3.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

3.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

3.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

3.5系统硬件配置

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000		安科瑞响应节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、安全的充电服务。实现对动力电池快速、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D		额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D		额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S		额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S		额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块。
	扩展模块ANet-485		M485模块：4路光耦隔离RS485
	扩展模块ANet-M4G		M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200		单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID/CE认证
导轨式电能计量表	ADL400		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID/CE认证
无线计量仪表	ADW300		三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次）；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级（改造项目） 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE		直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D		导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。
开口式电流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。
霍尔传感器	AHKC		霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。
智能剩余电流继电器	ASJ		该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。

4结论

本文剖析现有电动汽车充电设施，提出基于直流变换器和电池管理系统结合的充电方式，具有高效、安全、可靠优势，满足用户快速便捷充电需求，且考虑新能源汽车市场发展趋势与政策要求，为后续充电设备研发提供参考借鉴，有望推动新能源汽车充电设施的进一步发展与完善，助力新能源汽车行业迈向新台阶。

参考文献：

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[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

[4]吴 琦，龚文豪.新型电动汽车充电桩的技术方案研究

审核编辑 黄宇