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摘要：新能源汽车的优越性日益显著，与之相配套的电动汽车充电桩迅猛发展。电动汽车交流充电桩利用标准的充电接口为车载式充电机提供电源，具有电能计量、计费、通信、控制等功能。直流充电桩则采用CAN通讯接口，直接接入蓄电池进行充电。目前充电桩系统采用的三种主流技术方案各有优劣，用户可以根据设计要求和成本，选择相对应的设计方案。
关键词：电动汽车；充电桩；技术方案
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0255-02
Analyses the Electric Car Charging Pile System Design
ZHAO Hui-juan
（Jiuzhou Polytechnic， Xuzhou 221116， China）
Abstract： The advantages of new energy vehicles is increasingly significant， and the rapid development of electric vehicle charging pile. The electric car ac rechargeable pile USES the standard charging port to provide the power supply for the car carrier charger， which has the functions of power measuring， charging， communication and control. The dc charging pile USES the CAN communication interface， which is connected directly to the battery. Currently， the three main technology schemes adopted by charging pile system have the advantages and disadvantages， and the user can choose the corresponding design plan according to the design requirement and cost.
Key words： the electric car； charging pile； technical solution
国务院办公厅提出“我国的新能源汽车产能在未来五年要突破90万辆，新能源汽车的保有量计划占乘用车总量的8%左右”[1]。新能源汽车的推广示范点正逐渐扩大，参与节能减排的城市愈来愈多。在新能源汽车的推广中，电动汽车充电桩的发展也迎来了春天[2]。在电动汽车的产业王国里，电动汽车充电桩起着重要的支撑作用，发展前景十分广阔。
1 电动汽车及其电池
通常来讲，当前的电动汽车外观上与普通汽车是一致的，区别主要在于动力源及其驱动系统。也就是说，电动汽车中的发动机变为电动机，没有了油箱，将蓄电池安装在里面。因此电动汽车就是靠电力来驱动的，这种汽车有很多的优点，所用的蓄电池是采用全球最流行的锂电池。目前将电充入到电动汽车中的做法有很多，使用最多的有常规充电、更换电池以及快速充电[3]。常规充电具有简便易行，适应范围广的特点，但是充满电消耗的时间较长。换电池的做法具有减少电费的优势，但是需要尽量安置相当多的充电地点。使用快速充电的方法，可以保证顺利且时间短地将电充入电池，但是充电的时候电流过大，容易损坏电池。目前，各公司主要研究移动式充电、无线式充电，还处于研究阶段。
2 充电桩
2.1 充电桩简介
充电桩一般采用专用充电接口，给电动汽车的车载充电机充电，固定在某个位置，在电动汽车充换电系统中充电桩是最重要的设施。充电桩可以通过投币、IC卡、手机支付等方式进行计费[4]。充电桩分直流充电桩和交流充电桩两种。直流充电桩是一种小功率直流供电装置，可以直接给蓄电池充电并实时监控蓄电池的充電状态，对充电的电量计费。交流充电桩与交流电网连接，输出是220V的交流电。交流充电桩使用车载充电机对电动汽车蓄电池进行充电。
2.2 交流充电桩功能概述
交流充電桩采用交流三相四线380V输入，220V交流输出，具有可定时、充满自断电的充电模式；交流充电桩采用触摸屏进行人机交互。在界面上可以设置充电的模式、电量、充电及剩余实间、计费信息等。交流充电桩具有IC身份识别功能，能够自识别充电连接的情况，确定是否充电[5]。交流充电桩采用国家电网的标识，安装有漏电保护器，具有安全防护保护功能。
图1 典型交流充电桩的充电原理框图
交流充电桩的核心是CPU控制器，采用主流的ARM9处理器，主回路由输入保护空气开关、交流控制接触器、交流智能电能表、充电接口连接器组成。输出端与充电机相连接；车载充电机将输出的交流电220V整流、功率转换，转换后的直流电输出给蓄电池。CPU控制器控制显示模块，一般采取触屏式LCD显示，读卡器读IC卡信息，打印机主要用于打印票据。二次回路中设有急停按钮、充电桩智能控制器、计量表等。CPU控制器控制的引导线接电池管理系统，主要目的是实时监控充电的状态[6]。
2.3 直流充电桩功能概述
直流充电桩的相关的性能跟与交流情况基本一致。然而只是电流不一样，一个是直流，一个是交流。
首先，交流电源要在整流滤波的作用下，将交流电整流成直流电，然后输入到IGBT桥。此时的控制部分必须要在驱动电路的基础上让IGBT启动，将直流变为所需要的脉宽调制的交流。最后需要进行相关的隔离，再经过整流滤波进一步获得直流充电方式。但是此时需要在相关控制电路的反馈下完成检查功能，主要是针对实时的电压以及电流。同时获得相关的端电压，就能够保证相关的控制装置能够处理。通常情况下，如果出现了很高的电压，那么就会启动放电电路，这样就能够保证电池不受损坏。相关的充电桩要包括辅助电路，这样就能够保证其他电路元件能够正常工作。同时还需要相关的保护电路，这样能够保证系统在工作的时候稳定。在控制装置上必须要有相关的数据信息，例如电量值、时间、用户信息等等。 直流充电桩加入了电流调控模块，可以按用户选择需要进行快速充电及慢速充电，一般电流可达到DC150-400A，10分钟内可将电池电量冲至80%，与交流充电桩相比大大缩短了充电时间。
3 三种充电桩主流技术方案的比较
3.1 电源部分 采集部分 单片机主控电路 人机交互部分
经过调查研究发现，电动汽车智能充电桩电路主要包括电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。
电源：电源涉及多种电路，例如电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路等等。这样的电源装置通常是为了满足单片机以及系统进行其他任务时的电压需要；
采集：通常包括电压、电流以及温度检查装置。
主控电路：在电压检测取样电路的基础上，获得电池两端的电压值，然后将数值情况输给单片机进行处理，进一步决定使用什么样的充电方式。通过使用PWM脉宽调制中的占空比进一步控制相关的电流大小，保证能够进行相关的充电环节。
人机交互：主要包括显示装置、报警以及按键装置。主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。当故障出现和充满电时要发出声光报警，该部分信息交换以中断方式进行。
3.2 充电主电路 检测电路 DSP控制芯片 保护电路 显示部分
图4 充电桩技术方案框图2
通常情况下，此电路有主电路和控制回路两部分。充电主电路主要包括三相输入整流滤波电路以及DC-DC全桥功率变换电路，主要保证蓄电池进行充电的时候有电力支持[7]。控制回路包括DSP控制器、扩展RAM、保护电路、IGBT温度监测电路以及去极化放电回路等，主要是保证能够智能操作充电环节。只有两种电路互相配合才能够保证充电过程顺利进行。
3.3 主充电电路单元 主控制电路单元 计费单元 人机交互单元 刷卡单元
使用ARM9处理器，主要是为了能够智能化控制充电环节。通常情况下，包含五个串口，两个从通用串行总线接口，一个主通用串行总线接口以及以太网接口、动态SDRAM、NAND控制器和多路输入输出口，这样就能够得到相关的信息，并能够满足实验需求。
4 总结
使用这些控制系统主要是因为它们有很多的优势，例如控制效率高，界面良好等，用户可以根据设计要求和成本，选择相对应的设计方案。通常情况下，为了能够达到使用者的需求，應对环境的保护以及能源的充分利用情况，进一步设计相关的系统，这样才能够在市场上占有利地位，并且能够促进电动汽车行业的快速发展。
参考文献：
[1] 陈良亮，张浩.电动汽车能源供给设施建设现状与发展探讨[J].电力自动化系统，2011，35（14）：11-17.
[2] 朱光欢.电动汽车车载充电机及其相关技术研究[D].广州：华南理工大学，2011（8）.
[3] 刘小平，郭峰，劉宁一.一种实现动力锂电池组充放电管理的主动均衡方案[J].电动自行车，2010，10（4）：18-22.
[4] 张允，陆佳政，李波.利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩[J].高压电技术，2011，37（1）：150-156.
[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（01）.
[6] 周志坚，赵阳，马浩，等.高速公路电动汽车充电桩现场检测方法[J].智能电网，2016（04）.
[7] 刘永红，肖文婧，石一辉，等.湖北省电动汽车智能充换电服务网络发展规划研究[J].价值工程，2015（27）.
关键词：电动汽车；充电桩；技术方案
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0255-02
Analyses the Electric Car Charging Pile System Design
ZHAO Hui-juan
（Jiuzhou Polytechnic， Xuzhou 221116， China）
Abstract： The advantages of new energy vehicles is increasingly significant， and the rapid development of electric vehicle charging pile. The electric car ac rechargeable pile USES the standard charging port to provide the power supply for the car carrier charger， which has the functions of power measuring， charging， communication and control. The dc charging pile USES the CAN communication interface， which is connected directly to the battery. Currently， the three main technology schemes adopted by charging pile system have the advantages and disadvantages， and the user can choose the corresponding design plan according to the design requirement and cost.
Key words： the electric car； charging pile； technical solution
国务院办公厅提出“我国的新能源汽车产能在未来五年要突破90万辆，新能源汽车的保有量计划占乘用车总量的8%左右”[1]。新能源汽车的推广示范点正逐渐扩大，参与节能减排的城市愈来愈多。在新能源汽车的推广中，电动汽车充电桩的发展也迎来了春天[2]。在电动汽车的产业王国里，电动汽车充电桩起着重要的支撑作用，发展前景十分广阔。
1 电动汽车及其电池
通常来讲，当前的电动汽车外观上与普通汽车是一致的，区别主要在于动力源及其驱动系统。也就是说，电动汽车中的发动机变为电动机，没有了油箱，将蓄电池安装在里面。因此电动汽车就是靠电力来驱动的，这种汽车有很多的优点，所用的蓄电池是采用全球最流行的锂电池。目前将电充入到电动汽车中的做法有很多，使用最多的有常规充电、更换电池以及快速充电[3]。常规充电具有简便易行，适应范围广的特点，但是充满电消耗的时间较长。换电池的做法具有减少电费的优势，但是需要尽量安置相当多的充电地点。使用快速充电的方法，可以保证顺利且时间短地将电充入电池，但是充电的时候电流过大，容易损坏电池。目前，各公司主要研究移动式充电、无线式充电，还处于研究阶段。
2 充电桩
2.1 充电桩简介
充电桩一般采用专用充电接口，给电动汽车的车载充电机充电，固定在某个位置，在电动汽车充换电系统中充电桩是最重要的设施。充电桩可以通过投币、IC卡、手机支付等方式进行计费[4]。充电桩分直流充电桩和交流充电桩两种。直流充电桩是一种小功率直流供电装置，可以直接给蓄电池充电并实时监控蓄电池的充電状态，对充电的电量计费。交流充电桩与交流电网连接，输出是220V的交流电。交流充电桩使用车载充电机对电动汽车蓄电池进行充电。
2.2 交流充电桩功能概述
交流充電桩采用交流三相四线380V输入，220V交流输出，具有可定时、充满自断电的充电模式；交流充电桩采用触摸屏进行人机交互。在界面上可以设置充电的模式、电量、充电及剩余实间、计费信息等。交流充电桩具有IC身份识别功能，能够自识别充电连接的情况，确定是否充电[5]。交流充电桩采用国家电网的标识，安装有漏电保护器，具有安全防护保护功能。
图1 典型交流充电桩的充电原理框图
交流充电桩的核心是CPU控制器，采用主流的ARM9处理器，主回路由输入保护空气开关、交流控制接触器、交流智能电能表、充电接口连接器组成。输出端与充电机相连接；车载充电机将输出的交流电220V整流、功率转换，转换后的直流电输出给蓄电池。CPU控制器控制显示模块，一般采取触屏式LCD显示，读卡器读IC卡信息，打印机主要用于打印票据。二次回路中设有急停按钮、充电桩智能控制器、计量表等。CPU控制器控制的引导线接电池管理系统，主要目的是实时监控充电的状态[6]。
2.3 直流充电桩功能概述
直流充电桩的相关的性能跟与交流情况基本一致。然而只是电流不一样，一个是直流，一个是交流。
首先，交流电源要在整流滤波的作用下，将交流电整流成直流电，然后输入到IGBT桥。此时的控制部分必须要在驱动电路的基础上让IGBT启动，将直流变为所需要的脉宽调制的交流。最后需要进行相关的隔离，再经过整流滤波进一步获得直流充电方式。但是此时需要在相关控制电路的反馈下完成检查功能，主要是针对实时的电压以及电流。同时获得相关的端电压，就能够保证相关的控制装置能够处理。通常情况下，如果出现了很高的电压，那么就会启动放电电路，这样就能够保证电池不受损坏。相关的充电桩要包括辅助电路，这样就能够保证其他电路元件能够正常工作。同时还需要相关的保护电路，这样能够保证系统在工作的时候稳定。在控制装置上必须要有相关的数据信息，例如电量值、时间、用户信息等等。 直流充电桩加入了电流调控模块，可以按用户选择需要进行快速充电及慢速充电，一般电流可达到DC150-400A，10分钟内可将电池电量冲至80%，与交流充电桩相比大大缩短了充电时间。
3 三种充电桩主流技术方案的比较
3.1 电源部分 采集部分 单片机主控电路 人机交互部分
经过调查研究发现，电动汽车智能充电桩电路主要包括电源部分、采集部分、主控电路部分、人机交互部分。
电源：电源涉及多种电路，例如电源变压器、桥式整流电路、滤波电路和稳压电路等等。这样的电源装置通常是为了满足单片机以及系统进行其他任务时的电压需要；
采集：通常包括电压、电流以及温度检查装置。
主控电路：在电压检测取样电路的基础上，获得电池两端的电压值，然后将数值情况输给单片机进行处理，进一步决定使用什么样的充电方式。通过使用PWM脉宽调制中的占空比进一步控制相关的电流大小，保证能够进行相关的充电环节。
人机交互：主要包括显示装置、报警以及按键装置。主要功能是接收来自系统的电压、温度、电流大小、电池充满百分比以及故障信息，并按要求给予实时显示。当故障出现和充满电时要发出声光报警，该部分信息交换以中断方式进行。
3.2 充电主电路 检测电路 DSP控制芯片 保护电路 显示部分
图4 充电桩技术方案框图2
通常情况下，此电路有主电路和控制回路两部分。充电主电路主要包括三相输入整流滤波电路以及DC-DC全桥功率变换电路，主要保证蓄电池进行充电的时候有电力支持[7]。控制回路包括DSP控制器、扩展RAM、保护电路、IGBT温度监测电路以及去极化放电回路等，主要是保证能够智能操作充电环节。只有两种电路互相配合才能够保证充电过程顺利进行。
3.3 主充电电路单元 主控制电路单元 计费单元 人机交互单元 刷卡单元
使用ARM9处理器，主要是为了能够智能化控制充电环节。通常情况下，包含五个串口，两个从通用串行总线接口，一个主通用串行总线接口以及以太网接口、动态SDRAM、NAND控制器和多路输入输出口，这样就能够得到相关的信息，并能够满足实验需求。
4 总结
使用这些控制系统主要是因为它们有很多的优势，例如控制效率高，界面良好等，用户可以根据设计要求和成本，选择相对应的设计方案。通常情况下，为了能够达到使用者的需求，應对环境的保护以及能源的充分利用情况，进一步设计相关的系统，这样才能够在市场上占有利地位，并且能够促进电动汽车行业的快速发展。
参考文献：
[1] 陈良亮，张浩.电动汽车能源供给设施建设现状与发展探讨[J].电力自动化系统，2011，35（14）：11-17.
[2] 朱光欢.电动汽车车载充电机及其相关技术研究[D].广州：华南理工大学，2011（8）.
[3] 刘小平，郭峰，劉宁一.一种实现动力锂电池组充放电管理的主动均衡方案[J].电动自行车，2010，10（4）：18-22.
[4] 张允，陆佳政，李波.利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩[J].高压电技术，2011，37（1）：150-156.
[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（01）.
[6] 周志坚，赵阳，马浩，等.高速公路电动汽车充电桩现场检测方法[J].智能电网，2016（04）.
[7] 刘永红，肖文婧，石一辉，等.湖北省电动汽车智能充换电服务网络发展规划研究[J].价值工程，2015（27）.