浅谈电动汽车无人充电桩设计与实现

简婷

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801

摘要：电动汽车用户年龄段参差不齐,对于充电操作流程的阅读和理解存在困难;支付平台的不兼容也给用户带来了不便。针对存在的问题,结合常规充电桩的特点,兼顾无人驾驶车辆的充电问题,设计并开发了一套集成自动充电和手动充电于一体的新式充电设备,既能兼容现有的充电方式,又能针对无人驾驶车辆实现自动充电口对接、充电、扣费等操作,提高了充电智能化。实验结果表明,该系统运行稳定,能够解决充电操作不统一和付费平台不兼容等问题。

关键词：充电桩;无人驾驶车辆;自动对接;智能充电

0 引言

     新能源电动汽车产销与充电桩/站建造数量与日俱增,但在迅猛发展的同时也存在问题,比如:找充电桩难、付费方式不兼容、操作步骤不统一等。所以目前亟待研究出一种无人参与的新式充电设备,来解决市面上充电桩存在的问题。

     另一方面,车辆无人驾驶技术发展日趋成熟,包括美国、日本、德国、中国等在内的国家和地区都在进一步加快无人驾驶领域的布[1-2]。文献[3]开展了无人驾驶车辆智能水平评价研究。文献[4,5]介绍了无人驾驶主要技术手段和发展现状。可以看出,无论是从解决实际问题出发还是从技术储备角度出发,研究针对无人驾驶车辆的充电技术都是很有必要的。

     目前也有国内外部分学者针对电动汽车充电问题进行了相关研究。文献[6]介绍了电动汽车充电相关的仪表校验技术,文献[7]开展了无人值守的智能充电桩的研究。文献[8,9]探讨了制约充电设施发展的主要原因以及产业建设研究。文献[10]设计了智能充电桩嵌入式控制系统。但是目前关于充电桩的研究都只针对普通电动汽车,尚不能满足自动驾驶的电动车辆充电问题。

     本论文立足技术创新,提出一种新式充电桩,该充电桩集成手动充电和自动充电于一体,手动充电兼容现有的电动汽车充电方式,自动充电方式则为无人车的充电问题提供解决方案。

1 系统整体设计

     充电服务系统包含了运营管理平台、云端、用户APP、充电桩、电动车辆,如图1所示。

     常规的电动汽车,车主驾驶车辆进入充电区域后,可以自行插拔充电枪,并刷卡认证从而进行充电;而无人驾驶车辆则先进行车辆自动识别,然后通过自动对接技术来完成充电枪与充电口的识别与插接工作,从而进行充电操作。

安科瑞充电桩收费运营云平台

     安科瑞Acrelcloud-9000充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预；用户通过微信/支付宝小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。

     充电桩可选配WIFI/4G/以太网接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，包括财务管理、变压器监控和运营分析等功能。

平台结构

平台主要功能

■资源管理

充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。

■交易结算

充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表。

■用户管理

用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理。

■充电服务

充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等。

■微信小程序

扫码充电，账单支付等功能。

■数据服务

数据采集，短信提醒，数据存储和解析。

■变压器监控

监控充电站变压器负荷，超负荷时对充电桩的调度管理。

现场软硬件配置

产品介绍

1、互联网版智能交流桩系列

2、产品性能

注：*为通信方式，可选。

产品功能

1）智能监测：充电桩智能控制器对充电桩具备测量、控制与保护的功能，如运行状态监测、故障状态监测、充电计量与计费以及充电过程的联动控制等。

2）智能计量：输出配置智能电能表，进行充电计量，具备完善的通信功能，可将计量信息通过RS485分别上传给充电桩智能控制器和网络运营平台。

3）云平台：具备连接云平台的功能，可以实现实时监控，财务报表分析等等。

4）保护功能：具备防雷保护、过载保护、短路保护和漏电保护等功能。

5）远程升级：具备完善的通讯功能，可远程对设备软件进行升级。

6）适配车型：所有符合GB/T 20234.2-2015国标的电动汽车，适应不同车型的不同功率。

7）资产安全：产品全部由中国平安保险承保，充分保障设备、车辆、人员的安全。

产品特点

     智能、安全、稳定、云平台、移动支付、远程升级、导航、保险、用户管理、适配车型广泛、急停、体积小

ASCP系列电气防火限流式保护器

国内电气火灾统计和分析

随着社会经济的飞速发展，社会电气化程度不断提高，用电负荷过大、线路短路等原因导致电气火灾发生越来越频繁，使得火灾数量呈上升趋势。

据5年的统计分析，电气火灾发生的场所中，住宅发生火灾事故的数量高居前列（占比51%），线路短路及线路老化是诱发事故的主要原因。

通过对5年电气火灾故事原因分析发现，主要有电线短路、过负荷用电、接触不良等几种原因导致事故发生。其中，电线短路占比48%。

配电线路短路特点

线路短路时，短路电流在很短时间内能达到额定电流的十几倍甚至几十倍。根据焦耳定律∶Q=I²Rt，在短路点产生的热量成指数倍增加，使短路点瞬间熔化并火星四溅，很易引发火灾事故。

传统短路保护手段

传统保护方式采用电磁脱扣式断路器，检测到短路时，脱扣器动作，分断时间在毫秒级，无法控制短路电流。好的方式是采用响应速度快的限流技术和器件。

ASCP10-1电气防火限流式保护器

额定电流：0~20A可设置

主要功能

短路限流：当线路发生短路故障时，能在150μs内实现快速限流保护，控制因短路电流过大所引起的电气火灾事故。

过载限流：当被保护线路的电流超过额定电流，线路过载且过载持续时间超过设定时间（3-60秒）时，保护器进行限流保护。

超温限流：当保护器的内部元器件温度超过设定值时，产品启动超温限流保护功能，防止因温度过高造成产品损坏。

通讯功能：一路RS485接口，Modbus-RTU协议。

ASCP200-1电气防火限流式保护器

额定电流：0~63A可设置

主要功能：

短路限流：当线路发生短路故障时，能在150μs内实现快速限流保护，控制因短路电流过大所引起的电气火灾事故。

过载限流：当被保护线路的电流超过额定电流，线路过载且过载持续时间超过设定时间（3-60秒）时，保护器进行限流保护。

超温限流：当保护器的内部元器件温度超过设定值时，产品启动超温限流保护功能，防止因温度过高造成产品损坏。

过/欠压保护：当保护器检测到线路电压欠压或过压时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

ASCP200-1电气防火限流式保护器

额定电流：0~63A可设置

主要功能：

线缆温度监测：当被监测线缆温度超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

漏电流监测：当被监测的线路漏电超过报警设定值时，保护器发出声光报警信号，可预先设置是否启动限流保护。

通讯功能：具有1路RS485接口，1路2G无线通讯，可以将数据发送到后台监控系统，实现远程监控。监控后台可以是     安科瑞Acrel-6000/B电气火灾监控主机，也可以是安科瑞Acrel-6000安全云平台，或三方监控软件或平台。

技术参数：

ASCP系列电气防火限流式保护器—安装与接线

尺寸与安装：

接线方式：

选型及使用说明：

保护器设定的额定电流应该与其前级的断路器的额定电流保持一致。

注意保证产品正常的通风和散热。

保护器内部带有交流电，严禁非专业人士擅自打开产品外壳。

保护器后方可接多个负载，需要保证负载的额定电流小于保护器的额定电流。

ASCP200为功能型，标配温度监测和漏电流监测。

ASCP200-1电气防火限流式保护器—过载功能演示

微断保护下，线路过载测试试验

现象：线路过载发热，绝缘损坏致使短路，微断跳闸保护，损坏点火星四溅。

限流式保护器保护下，线路过载测试

现象：线路过载发热，绝缘损坏致使短路，保护器限流保护并报警，损坏点无火星产生。

微断保护下，线路短路测试试验

现象：模拟线路短路，微断跳闸保护，短路点火星四溅。

限流式保护器保护下，线路短路测试

现象：模拟线路短路，保护器限流保护并报警，短路点无火星产生。

ASCP200-1电气防火限流式保护器—典型系统图

ASCP200-1电气防火限流式保护器设计与使用误区

限流式保护器有小电流的产品，就可以有大电流的产品，所以在设计时为了减少使用数量，尽可能选择大电流的产品。

限流保护器的短路保护功能，应需遵守分级保护的要求，电流越大，末端短路灭弧效果越差；

线路短路时，尽可能减少停电范围。

限流式保护器既然用在末端线路保护中，就一定可以装在末端配电箱里。

限流式保护器采用固态开关，正常工作时有一定功耗，会产生热量，不应安装在密闭空间内。

限流式保护器和故障电弧探测器的区别

限流式保护器在有的场合也叫作灭弧式保护器，因此有时候容易和故障电弧探测器混淆，但限流式保护器主要用于故障短路后的快速切断，相当于空气开关瞬间脱扣功能的加强版，属于事后保护。

故障电弧探测器则通过对接入线路中的串并联故障电弧的监测，及时发现线路中的异常状态和隐患，主要作用是事前防护。

限流式保护器和故障电弧探测器可以配合使用。

限流式保护器和传统微断的区别

ASCP200-1电气防火限流式保护器-证书报告

ASCP200-1电气防火限流式保护器-安装图片

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电气防火限流式保护器可有效克服传统断路器、空气开关和监控设备存在的短路电流大、切断短路电流时间长、短路时产生的电弧火花大，以及使用寿命短等弊端，发生短路故障时，能以微秒级速度快速限制短路电流以实现灭弧保护，从而能显著减少电气火灾事故，保障使用场所人员和财产的安全。

ASCP200-1 型电气防火限流式保护器是单相限流式保护器，大额定电流为 63A。可广泛应用于学校、医院、商场、宾馆、娱乐场所、寺庙、文物建筑、会展、住宅、仓库、幼儿园、老年人建筑、集体宿舍、电动车充电站及租赁式商场商铺、批发市场、集贸市场、甲乙丙类危险品库房等各种用电场所末端干、支路的线路保护。

2 结束语

     通过分析市面上的充电桩在服务过程中存在的不足,并结合无人驾驶技术的发展背景,本课题设计了一款集成手动充电方式和自动充电方式的新式充电桩。该新式充电设备既兼容现有的电动车辆,同时又可以为无人驾驶车辆直接提供充电服务,在一定程度上降低了充电桩更新换代的成本,为充电基础设施的发展提供了新思路。

参考文献

[1]端木庆玲,阮界望,马钧.无人驾驶汽车的先进技术与发展[J].农业装备与车辆工程,2014,52(3):30-33.

[2]潘福全,亓荣杰,张璇,张丽霞.无人驾驶汽车研究综述与发展展望[J].科技创新与应用,2017,(2):27-28.

[3]孙扬,杨贺.无人驾驶车辆智能水平等级划分[J].科技导报,2017,35(17):80-83.