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【摘要】本文结合电动汽车交流充电桩原理、系统设计以及充放电优势进行分析，供参考。
【关键词】电动汽车；交流充电桩；系统设计
中图分类号：U469.72文献标识码： A
一、前言
2012年11月1日，国家标准GB/T28569-2012《电动汽车交流充电桩电能计量》正式实施，对于推进汽车产业低碳循环发展具有重要意义。
二、充放电模式优势分析
1、充电模式优势
（1)综合成本相对较低。用户可以利用晚间时间自行充电，对用户来说节约了使用成本，对充电本身来说节约了大建充换电站的土地、人力成本，而且利用夜间用电低峰时间充电，不会对电网安全增加新的压力。此外，直充是常规充电模式，所用的功率和电流的额定值不是关键因素，因此充电器和安装成本低，对于高成本的纯电动车来说从各个环节和各个角度降低成本是目前电动车发展的关键问题。
（2）充电简单便捷。方便高效是用户对车辆的使用基本要求，也是电动汽车和其它任何车辆发展的基础。充电模式可以在用户的公司和家庭安装充电桩，用户上班时可以选择在公司充电，或者下班之后，开车回家，然后随手在停车库里面插上插头就可以充电了，早上起床，拔下插头就可开车上班。这种模式比较理想，简单而不失高效性，不需要增加额外的负担。
2、换电模式优势
（1)用户购车成本低，电能补给时间快。在国家电网的换电模式下，用户只要购买“裸车”而不再承担电池的购买、维护和折旧成本，使得电动汽车购车支出费用低于传统车型。同时一辆电动汽车驶进换电站，取下耗尽电量的电池，再更换已充满电的电池，所需时间仅为3～5min，与传统汽油车加油时间相差无几。另外还有移动式换电车，可以为紧急用户随时随地更换电池，为用户解决燃眉之急。在成本和使用的双重便利下，用户更容易接受，从而有利推动电动汽车的进一步推广普及。
（2)有利于电动汽车电池标准统一及寿命延长。在国家电网的换电模式下，由运营商对电动车的电池充放电过程进行集中处理和应用，因此更容易实现电池标准统一，同时运营商专业规范的维护大大的延长了电池使用寿命。
（3)解决了电动汽车大规模发展的电能供给问题，是实现社会效益最大化的有效途径。在变电站附近建充换电站可避免对配电网造成大的冲击，同时在土地资源紧张或电网难以扩建改造的城市中心区，可依托近郊区的变电站建设电池集中充电站。智能充换电服务网络运营模式充分利用城市及就近110kV及以上变电站资源，开展电网梯次利用，有序充电；通过物流网络统一配送电池到充换电服务网点；便于集中治理谐波污染，减少治理费用；实现削峰填谷，提高设备利用效率和电网负荷率。
三、交流充电桩的控制原理
电动汽车交流充电桩是一种辅助设备，与交流电网链接在一起，专门为电动汽充电机提供电源的供电装置，并具备相应测控保护功能的专用装置，功率一般不大于7kW。充电桩应具备以下功能：提供友好的人机操作界面，进行相应的控制操作、计量计费、和通信管理的电动汽车专用交流供电装置。在本次设计过程中严格考虑了交流充电桩的实用性、安全性、智能化和可靠性。
本系统的设计流程图如图1所示，它呈现了一些参与者和一些用例，以及它们之间的关系，主要用于对系统、子系统或类的功能行为进行建模。用流程图展示了系统工作的原理以及同用例参与者之间是怎样相互联系的。
图1交流充电桩工作设计流程
充电桩的正常运行如本图1的运行流程图。设备上电后，通过系统自适应调整，进入工作状态，用户使用时，若操作不合法或校验不通过，则重新刷卡。若操作合法，则显示器上显示用户信息，保护查询余额。账号明细等；用户正确连接后，选择充电模式既按电量充电，按时间充电，按金额充电和自动充电进行充电，计费表开始上传直到用户结束充电。同时，在充电过程中，DSP实时监控系统并显示相关信息，判定充电结束或用户定义的任务完成后则结束充电，另外，在充电过程中，用户可随时结束充电过程。
四、系统设计
DSP控制系统用于实施监控交流充电桩的运行，并通过人际交互界面向用户提供人工接口。整个系统按不同的功能科划分为人机交互单元，控制单元，计量单元，安全防护单元组成。其中，人机交互单元其中：桩体、LCD触摸屏、读卡模块、充电插头；控制单元主要包括：主监控与辅助模块；计量单元为电能表；安全防护单元包括；漏电保护开关、防倒开关以及急停开关、过压保护功能、欠压保护。人机交互单元主要用于充电桩的工作信息显示和控制参数的输入，控制单元式系统的核心，控制充电桩的运行，计量单元用于计、量所用电能，安全防护单元主要用于系统的安全保护。
图2系统结构图
五、硬件构成
本产品主要采用微电子技术，采用TI公司的高速数据处理器DSP（TMS320F2812）作为主控芯片，结合强大的外设功能（包括威伦通的人机界面、微型打印机、非接触式IC卡读卡装置、多功能智能电能表等）完成计量收费、安全保护、系统通讯等功能。为此，需要一些基础的电气试验和测量器材和设备，以及相应的软件开发环境，系统的相关构成如图3所示。
图3系统构成示意图
在上述研究的基础上我们对硬件电路进行了设计研究，硬件设计完成后应具备以下功能：
1、计量功能
充电桩应为计量表计预留电气接口和安装空间，计量表计应采用电子式有功电能表。电能表的通讯规约应符合DL/T645-1997或DL/T645-2007，电能表有功计量精度不低于1级。充电桩应能通过RS485/RS232总线读取在充电前后电能表的电量止度，结合用户选用的充电模式计算出相关数据（包括电能使用量、消费金额、充电时间等等），并将该数据上传给后台系统存储显示。
2、人机交互界面功能
(1)具有液晶屏显示，显示面积应大于3.2寸；
(2)具有运行状态指示灯，能对应显示交流充电桩各状态下的相关信息；
(3)具有查询功能，可通过人机操作界面进行相关信息查询；
(4)查询余额：使用普通卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余金额；
(5)查询里程：使用里程卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余里程；
(6)消费明细查询：充电桩应采用LCD显示屏，能够显示用户最近一次充电的时间、金额（普通卡）、里程（里程卡）、电量等信息；
(7)具有不同充电服务选择，交流充电桩能显示各种充电模式，并进行充电服务，充电桩应具有以下多种充电模式：
模式1：定电量充电，即在人机界面上输入所需电量，充电桩开始充电直到达到电量设定值。
模式2：定时间充电，即在人机界面上输入设定时间，充电桩开始充电直到达到时间设定值。
模式3：自动（充满为止）充電，即在人机界面上选择自动充电，充电桩会开始充电直到用户手动结束充电为止。显示的字符应清晰、完整，没有缺损现象，不依靠环境光源即可辨认。键盘能正常输入，并拌有按键声。
在充电过程中，充电桩显示时间(已充电时间、剩余时间等)、电量（已充电电量、待充电电量）等信息。充电结束后，充电桩显示用户的用户号、剩余金额、剩余里程、本次充电金额等信息。
3、非接触式IC卡功能
交流汽车充电桩配备非接触式IC卡读卡装置，能够识别符合ISO14443标准的非接触IC卡。用户能够在交流充电桩完成充电等各项功能。
4、通讯功能
交流充电桩能利用CAN总线技术完成与BMS和集中器的通讯，以及和人机界面、智能电能表、IC卡模块、微型打印机的实时在线通讯。
5、安全防护功能
充电桩应具备急停开关。按下急停开关后，应能立刻切断充电桩内整个供电回路的电源。充电桩应具备平衡开关。充电桩在受外力（如被汽车撞断）破坏时，应能立刻切断充电桩内整个供电回路的电源。安全防护系统设计，包括充电电缆的控制导引单元、紧急停止单元、电气防护及静电防护单元，倾斜保护单元。
电气防护单元能够通过断路器、漏电保护装置、电涌保护装置等相关装置实现过流保护、漏电保护、防雷击功能。静电防护功能主要从接地和电路抗静电放电(ESD)设计两方面着手。
6、故障及报警功能
充电桩在工作过程中，出现故障，充电桩应能及时作出故障报警动作。充电桩控制器应具有自检功能，自检程序应能实时检测内部和外部电路或通讯通道，确保充电桩可靠工作，当自检程序发现错误或故障时，应能立刻做出故障报警动作。
六、结束语
《电动汽车交流充电桩电能计量》是对电动汽车行业的规范准则，促进了电动汽车行业的发展。该标准的实施将为充电设施商业化运营提供标准支撑，促进电动汽车和充电设施产业的发展和应用。
参考文献
[1]鲁莽,周小兵,张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力,2010,23(5):16-20.
[2]程博,叶敏.电动汽车电池管理CAN总线通讯系统设计[J].电源技术,2012(8):10
【关键词】电动汽车；交流充电桩；系统设计
中图分类号：U469.72文献标识码： A
一、前言
2012年11月1日，国家标准GB/T28569-2012《电动汽车交流充电桩电能计量》正式实施，对于推进汽车产业低碳循环发展具有重要意义。
二、充放电模式优势分析
1、充电模式优势
（1)综合成本相对较低。用户可以利用晚间时间自行充电，对用户来说节约了使用成本，对充电本身来说节约了大建充换电站的土地、人力成本，而且利用夜间用电低峰时间充电，不会对电网安全增加新的压力。此外，直充是常规充电模式，所用的功率和电流的额定值不是关键因素，因此充电器和安装成本低，对于高成本的纯电动车来说从各个环节和各个角度降低成本是目前电动车发展的关键问题。
（2）充电简单便捷。方便高效是用户对车辆的使用基本要求，也是电动汽车和其它任何车辆发展的基础。充电模式可以在用户的公司和家庭安装充电桩，用户上班时可以选择在公司充电，或者下班之后，开车回家，然后随手在停车库里面插上插头就可以充电了，早上起床，拔下插头就可开车上班。这种模式比较理想，简单而不失高效性，不需要增加额外的负担。
2、换电模式优势
（1)用户购车成本低，电能补给时间快。在国家电网的换电模式下，用户只要购买“裸车”而不再承担电池的购买、维护和折旧成本，使得电动汽车购车支出费用低于传统车型。同时一辆电动汽车驶进换电站，取下耗尽电量的电池，再更换已充满电的电池，所需时间仅为3～5min，与传统汽油车加油时间相差无几。另外还有移动式换电车，可以为紧急用户随时随地更换电池，为用户解决燃眉之急。在成本和使用的双重便利下，用户更容易接受，从而有利推动电动汽车的进一步推广普及。
（2)有利于电动汽车电池标准统一及寿命延长。在国家电网的换电模式下，由运营商对电动车的电池充放电过程进行集中处理和应用，因此更容易实现电池标准统一，同时运营商专业规范的维护大大的延长了电池使用寿命。
（3)解决了电动汽车大规模发展的电能供给问题，是实现社会效益最大化的有效途径。在变电站附近建充换电站可避免对配电网造成大的冲击，同时在土地资源紧张或电网难以扩建改造的城市中心区，可依托近郊区的变电站建设电池集中充电站。智能充换电服务网络运营模式充分利用城市及就近110kV及以上变电站资源，开展电网梯次利用，有序充电；通过物流网络统一配送电池到充换电服务网点；便于集中治理谐波污染，减少治理费用；实现削峰填谷，提高设备利用效率和电网负荷率。
三、交流充电桩的控制原理
电动汽车交流充电桩是一种辅助设备，与交流电网链接在一起，专门为电动汽充电机提供电源的供电装置，并具备相应测控保护功能的专用装置，功率一般不大于7kW。充电桩应具备以下功能：提供友好的人机操作界面，进行相应的控制操作、计量计费、和通信管理的电动汽车专用交流供电装置。在本次设计过程中严格考虑了交流充电桩的实用性、安全性、智能化和可靠性。
本系统的设计流程图如图1所示，它呈现了一些参与者和一些用例，以及它们之间的关系，主要用于对系统、子系统或类的功能行为进行建模。用流程图展示了系统工作的原理以及同用例参与者之间是怎样相互联系的。
图1交流充电桩工作设计流程
充电桩的正常运行如本图1的运行流程图。设备上电后，通过系统自适应调整，进入工作状态，用户使用时，若操作不合法或校验不通过，则重新刷卡。若操作合法，则显示器上显示用户信息，保护查询余额。账号明细等；用户正确连接后，选择充电模式既按电量充电，按时间充电，按金额充电和自动充电进行充电，计费表开始上传直到用户结束充电。同时，在充电过程中，DSP实时监控系统并显示相关信息，判定充电结束或用户定义的任务完成后则结束充电，另外，在充电过程中，用户可随时结束充电过程。
四、系统设计
DSP控制系统用于实施监控交流充电桩的运行，并通过人际交互界面向用户提供人工接口。整个系统按不同的功能科划分为人机交互单元，控制单元，计量单元，安全防护单元组成。其中，人机交互单元其中：桩体、LCD触摸屏、读卡模块、充电插头；控制单元主要包括：主监控与辅助模块；计量单元为电能表；安全防护单元包括；漏电保护开关、防倒开关以及急停开关、过压保护功能、欠压保护。人机交互单元主要用于充电桩的工作信息显示和控制参数的输入，控制单元式系统的核心，控制充电桩的运行，计量单元用于计、量所用电能，安全防护单元主要用于系统的安全保护。
图2系统结构图
五、硬件构成
本产品主要采用微电子技术，采用TI公司的高速数据处理器DSP（TMS320F2812）作为主控芯片，结合强大的外设功能（包括威伦通的人机界面、微型打印机、非接触式IC卡读卡装置、多功能智能电能表等）完成计量收费、安全保护、系统通讯等功能。为此，需要一些基础的电气试验和测量器材和设备，以及相应的软件开发环境，系统的相关构成如图3所示。
图3系统构成示意图
在上述研究的基础上我们对硬件电路进行了设计研究，硬件设计完成后应具备以下功能：
1、计量功能
充电桩应为计量表计预留电气接口和安装空间，计量表计应采用电子式有功电能表。电能表的通讯规约应符合DL/T645-1997或DL/T645-2007，电能表有功计量精度不低于1级。充电桩应能通过RS485/RS232总线读取在充电前后电能表的电量止度，结合用户选用的充电模式计算出相关数据（包括电能使用量、消费金额、充电时间等等），并将该数据上传给后台系统存储显示。
2、人机交互界面功能
(1)具有液晶屏显示，显示面积应大于3.2寸；
(2)具有运行状态指示灯，能对应显示交流充电桩各状态下的相关信息；
(3)具有查询功能，可通过人机操作界面进行相关信息查询；
(4)查询余额：使用普通卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余金额；
(5)查询里程：使用里程卡能够在充电桩上查询用户账户内的剩余里程；
(6)消费明细查询：充电桩应采用LCD显示屏，能够显示用户最近一次充电的时间、金额（普通卡）、里程（里程卡）、电量等信息；
(7)具有不同充电服务选择，交流充电桩能显示各种充电模式，并进行充电服务，充电桩应具有以下多种充电模式：
模式1：定电量充电，即在人机界面上输入所需电量，充电桩开始充电直到达到电量设定值。
模式2：定时间充电，即在人机界面上输入设定时间，充电桩开始充电直到达到时间设定值。
模式3：自动（充满为止）充電，即在人机界面上选择自动充电，充电桩会开始充电直到用户手动结束充电为止。显示的字符应清晰、完整，没有缺损现象，不依靠环境光源即可辨认。键盘能正常输入，并拌有按键声。
在充电过程中，充电桩显示时间(已充电时间、剩余时间等)、电量（已充电电量、待充电电量）等信息。充电结束后，充电桩显示用户的用户号、剩余金额、剩余里程、本次充电金额等信息。
3、非接触式IC卡功能
交流汽车充电桩配备非接触式IC卡读卡装置，能够识别符合ISO14443标准的非接触IC卡。用户能够在交流充电桩完成充电等各项功能。
4、通讯功能
交流充电桩能利用CAN总线技术完成与BMS和集中器的通讯，以及和人机界面、智能电能表、IC卡模块、微型打印机的实时在线通讯。
5、安全防护功能
充电桩应具备急停开关。按下急停开关后，应能立刻切断充电桩内整个供电回路的电源。充电桩应具备平衡开关。充电桩在受外力（如被汽车撞断）破坏时，应能立刻切断充电桩内整个供电回路的电源。安全防护系统设计，包括充电电缆的控制导引单元、紧急停止单元、电气防护及静电防护单元，倾斜保护单元。
电气防护单元能够通过断路器、漏电保护装置、电涌保护装置等相关装置实现过流保护、漏电保护、防雷击功能。静电防护功能主要从接地和电路抗静电放电(ESD)设计两方面着手。
6、故障及报警功能
充电桩在工作过程中，出现故障，充电桩应能及时作出故障报警动作。充电桩控制器应具有自检功能，自检程序应能实时检测内部和外部电路或通讯通道，确保充电桩可靠工作，当自检程序发现错误或故障时，应能立刻做出故障报警动作。
六、结束语
《电动汽车交流充电桩电能计量》是对电动汽车行业的规范准则，促进了电动汽车行业的发展。该标准的实施将为充电设施商业化运营提供标准支撑，促进电动汽车和充电设施产业的发展和应用。
参考文献
[1]鲁莽,周小兵,张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究[J].华中电力,2010,23(5):16-20.
[2]程博,叶敏.电动汽车电池管理CAN总线通讯系统设计[J].电源技术,2012(8):10