任运业

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：为了改善环境质量,推动可持续发展,新能源电动汽车因零pai放、低噪声和低碳环保等优点得到的大力支持与大众的高度认可。随着新能源电动汽车的不断增加,充电桩的建设和发展便成为当前的重中之重,但现在市面上的充电桩充电速度慢、安全性差且车和桩之间无法互联互通,造成资源的浪费。为此本文对充电桩智能化、通用化技术进行了研究。首先描述充电桩技术的国内外发展现状,其次立足电网的设计标准,研究了智能充电桩的设计原理和关键技术,结尾对智能充电桩的发展方向和市场前景进行了展望。

关键词：电动汽车；充电桩；设计技术；发展和规划

1新能源汽车智能充电桩技术分析

1.1充电桩的充电模式

目前的充电桩建设下,根据国标GB/T18487.1-2015《电动汽车传导充电系统》要求。充电桩分为直流充电桩、交流充电桩,他们分别对应直流充电模式和交流充电模式。根据两者充电原理不同,交流充电桩可以被设计得很小很便捷,不需要什么多余的东西,因为交流充电桩无法直接连接电动汽车的电池,所以无法设置大电流充电,这就导致无法满足现在电动汽车电池的充电速度。而直流充电桩由于需要内置很多设备,所以就只能设计得很大,再加上直流充电桩直接输出给电动汽车直流电,所以不管电动汽车电池性能变得再好,充电时所需的电流再大,直流充电桩都可以随着升级,增加充电功率。因此使用直流充电桩进行充电的时间就会变得很短,也就更容易满足用户的使用的需求。

1.2充电桩的市场需求

随着对新能源电动汽车的补贴政策慢慢转为对充电基础设施的补贴政策,预计未来三年,新能源电动汽车的发展将逐渐放缓,但电动汽车充电桩的发展形势将会一片大好,以现在车桩比3:1的状况来看,电动汽车充电桩的发展会变得特别火爆。

2新能源汽车充电桩的发展前景分析

2.1智能充电桩发展模式

2.1.1"智能互联网+"的发展模式

"互联网智能充电桩＋服务市场"的模式,以智能充电桩为,依据电力负荷大,智能电网协调充电桩降低充电速度的情况,优先在中大型城市发展电动汽车市场并建立配套的餐饮、健身、美容、便利店、商品零售和休闲娱乐的商业体系。例如特来电与酒店、店铺以及肯德基等餐饮场所布局充电桩,目的就是将充电桩打造成一种配套设施。

与云计算搭建服务平台,通过云端管理为充电桩运营商提供多种充电功率选择和用电低谷时段提醒,从而有效降低充电桩运营成本。

2.1.2智能共享充电模式

截至目前为止,我国车桩比才达到3：1,距离1:1的车桩比目标还相差很远,而且据统计2020年有36%的公共充电桩被燃油车占领。在这种数量不足还被其他车种占据的背景下,就需要发展一种可以提升私家车充电桩利用率的新模式－充电桩智能共享充电模式,为用户提供充电便利性。在客户租用期间,网上数据平台展示充电桩是否在占用以及使用截止时间,合理规划充电桩使用效果。

2.2智能充电桩前景展望

2.2.1大功率智能充电桩是未来发展的应用趋势

在电动汽车电池不断升级的同时,充电桩的技术却没有被重视,这就导致了电动汽车电池技术与充电桩充电技术之间的差距越来越大,电动汽车所需充满电的时间也不断增加,伴随着充电时间的越来越长,电动汽车用户的使用体验也越来越差,严重阻碍了电动汽车市场的进步。看到快速充电桩建设的短板后,深圳市已经开始布局大功率直流快充桩建设目标。深圳市相关部门鼓励发展大功率公共快速充电桩,弥补公共领域大功率直流快充充电桩不足,充电难的问题。随后,深圳市交通委员在市场应用对象方面提出了建桩目标。尤其是提出要扩大大功率直流充电桩的建设数量,保证用户对充电的需求。

特斯拉创始人马斯克表示："特斯拉V3超级充电桩已经可以投入使用,大充电功率可达250KW,20分钟就可补满特斯拉一天的用电量。"目前国外智能充电桩充电功率已经开始布局大充电功率可达350KW的智能充电桩；BlinkCharging合作CHAKRATEC推出直流快充解决方案,不仅能缓解电网用电紧张的问题,还能降低企业运营充电桩费用。福特充电网络效率提高30%,充电10分钟续航增加100公里；国内的电动汽车续航里程已经基本都在400km-700km之间,所以现在60KW-150KW的直流充电桩已经不能满足其充电需要。通过市场上的充电桩发展情况来看,大功率充电桩将会是未来的主要发展趋势。

2.2.2智能有序充电是电网对智能充电桩的发展要求

据电网统计,电动汽车的充电的时间都处在17:00-0:00,而用电高峰期则集中在19:00-22:00,充电桩用电负荷与家庭用电负荷重叠在一起,在3h内形成用电高峰期,严重影响电网的电力负荷；而过了这3h高峰期后,有8h的家用电低谷期,电力负荷只有20%左右。因此可以在智能充电桩上运用信息分析技术和5G技术,主动为用户提供合理的充电时间设置以及低谷期电费优惠价格,用户可根据自己的情况选择是否听取该设置方式,这样就可以利用这8h的低谷期对电动汽车进行充电,形成一种有序错峰充电模式,这样做可以使现有不少社区配电网无需进行电网改造就能实现社区内所有电动车辆稳定充电。

面对小区充电难,电力不足等问题,电网预计今年在全国大部分小区内建设12万个可支持有序充电的充电桩来解决这些问题。电网还联合中电联,制定V2G标准,大力推进有序充电的进程。

2.2.3智能充电桩无线充电技术的应用前景

根据"新基建"的发展目标,无感支付将会越来越重要,而无感支付其中就包括无线充电技术的应用。目前无线充电技术有：电磁感应式、无线电波式和电场耦合式。电磁感应式充电桩基本原理是在收发端各安装一个线圈,在充电桩发射端连接电源产生电磁信号,接收端感应电磁信号并产生电流给电动汽车充电,实现无线充电技术的电能传输。这种方式无线输出功率大、制造技术成熟、环境适应能力强。但是充电效率低、难以满足大功率传输需求,传输距离短。无线电波式充电桩的基本原理是将微波的能量转化为电能,从而实现无线电力传输。主要由微波发射器和微波接收装置组成,可以将从障碍物反弹回来的无线电波轻松获取,从而实现能量的接收。这种方式的传输距离较远,可达10米,但是转化效率低,传输功率基本都以无线电的形式浪费掉。电场耦合式充电桩的基本原理是利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的磁感电场来传输电力,具有很强的抗水平错位的能力。这种方式充电效率传输可达到70%-80%,非常适合短距离充电。

3安科瑞充电桩收费运营云平台

3.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控,实时监控充电桩运行状态,进行充电服务、支付管理,交易结算,资要管理、电能管理,明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压,欠压,绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网,用户通过微信、支付宝,云闪付扫码充电。

3.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、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

3.3.1系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数,并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器,应用服务器部署数据采集服务、WEB网站,数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖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,同时为运维人员提供运维APP,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情况,对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示,同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩,查看设备使用率,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

4结束语

本文对充电桩进行由表及里,由浅入深的分析研究,通过对充电桩市场的了解,对智能充电桩进行分析,分析智能充电桩目前的发展模式状况以及未来发展前景的展望,主要完成以下工作内容：分析目前市场对充电桩发展的需求,提出目前充电桩需要满足安全性、监测性和快充性等性能需求。根据电网的标准,对智能充电桩进行整体设计并创新性的提出将智能电网平台与智能充电桩通过通讯模块进行数据交流,来保证用户使用体验。创新型的"互联网智能充电桩＋房地产行业＋电网"的发展模式,完善了社区内智能充电桩重复建设、分布不合理、物业管理等问题,保证了电网在社区内对配电网的建设,为智能充电桩电力供应提供了后勤保障。

参考文献：

[1]文亦骁,宋春华.电动汽车发展研究综述[D].汽车零部件,2015.

[2]伍福平,王小军,袁泉.电动汽车充电设施的现状与问题分析[J].科学技术创新,2018(32):195-196.

[3]杨松.充电桩大跃进[J].21世纪商业评论,2021(01):62-64.

[4]王寅飞,郑泰山,李鹏.新能源汽车能量补充模式分析与探讨[D].广东省机械研究所,2017.

[5]甄文媛."换挡期"的新角色[D].《汽车纵横》编辑部,2016.

[6]刘飞.新能源汽车充电桩发展研究.

[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

作者简介

任运业,男,安科瑞电气股份有限公司。