浅谈电动汽车智能充电桩的设计与应用研究

摘要：随着近年来电动汽车的不断普及和使用，相关充电设备的设计投入和使用管理也成为了人们较为关注的重点。由于充电桩的设计和使用较为新颖，所以在对其使用和设计中存在一定问题和挑战。对电动汽车充电中所涉及的问题进行解决可以有效提高车主的体验效果，满足相关用户的使用需求。对电动汽车智能充电桩的设计和应用进行相关研究，以便提高智能充电桩的使用效率，贴合相关用户应用需求，为电动汽车的充电环境提供便捷性和安全性，保障电动汽车得到普及和推广。
关键词：电动汽车；智能充电桩；设计；应用；创新
0引言
近年来，电动汽车的销量逐渐攀升，充电行业也迎来了快速的发展。然而，随着电动汽车数量的增加，充电基础设施建设以及业务管理面临着诸多挑战与问题。充电效率低下、复杂的业务管理流程等限制了充电体验的便捷性和用户满意度。为了解决这些问题，我们需要思考如何增加充电基础设施的建设，提高充电效率，简化充电业务管理流程，并改善用户体验和服务质量。本文将探讨这些方面的策略与措施，以期为推动电动汽车充电行业的可持续发展贡献智慧与创新。
1电动汽车智能充电桩的概念
为电动汽车安置智能充电桩可以为相关用户提供便捷性和高效性。智能充电桩的使用是利用先进技术，对其工作过程进行监控和管理，还可以对工作期间的故障问题进行诊断和解决。智能充电桩具有较为先进的技术原理，可以根据用户的充电需求进行智能化调改，加强充电资源的使用，有效提高电动汽车的充电效率。同时，智能充电桩的使用具备多种付款方式，不仅可以直接交钱，也可以利用相关程序和公众号等让用户进行充电付款。智能充电桩的使用和推行，有利于电动汽车的推广，可以有效减少二氧化碳排放，保护生态环境
2智能充电桩的设计与应用
2.1充电桩的外观设计
对智能充电桩进行外观设计，不仅要注重智能充电桩的功能要求，还要兼顾智能充电桩的美观和环保。智能充电站的外形设计应重点关注结构、外形、标识和使用材料等。由于充电桩安装环境多为户外，要充分考虑充电桩在不同的环境、不同的工作频率下的使用都具有稳定性和耐久性。对智能充电站进行外形设计要贴合现代、流线形的设计理念，要符合放下市场的发展和需要。通过对外观要素的合理布局，增强整体的美观度。对智能充电站的外形进行设计时，为方便相关用户的识别和使用，要在充电桩外形贴相关标识，起到标识作用。充电站的设计要充分考虑并满足使用者的使用需要，例如，充电桩高度，插座的易操作性等。为满足环保需求，对智能充电站进行外形设计时，要选择具有环保型的材料进行使用，提高环境保护。
2.2充电桩的电力管理系统设计
充电桩的电力管理系统是保障充电过程安全、高效进行的重要组成部分。其设计旨在合理分配电能、监控充电过程、确保设备和用户的安全。以下是充电桩电力管理系统设计中的关键考虑因素：（1）功率管理：电力管理系统需要根据电网供电能力和电动汽车需求，动态调整充电功率。通过智能算法和能量管理策略，实现功率的平衡分配，避免过载和过流。（2）电压管理：电力管理系统需要监测电压波动，确保充电过程中的电压稳定，以保护设备和电池的安全。并通过电压调节功能，适配不同类型和要求的电动汽车。（3）充电过程监控：电力管理系统实时监测充电过程的参数和状态，包括电流、电压、温度等信息。通过建立数据采集与分析平台，提供详细的充电报告以供用户和管理者参考。（4）安全保护：电力管理系统需要具备多重安全保护机制，如过载保护、短路保护、漏电保护等。通过实时监测和断电装置，确保充电过程的安全性和稳定性。
2.3充电桩的用户界面设计
对智能充电桩的用户界面进行合理化、便捷性、直观性设计，可以有效提高用户的使用幸福感。对充电桩的用户界面进行设计时要充分考虑显示屏、操作方式、提示系统和充电指示灯等。为满足用户的使用需求和易操作性，要对充电桩选择清晰明了的显示屏进行使用，将相关应用信息直接反馈在显示屏上，例如，电量、剩余时间等，方便用户进行时间把控和安排。对充电桩进行界面设计时要充分考虑用户的使用需求，对充电桩操作方式进行有效设计，或按钮操作或触屏操作，以便用户可以直观进行操作和使用。要对智能充电桩搭配一套语音提示系统，通过声音对用户的操作流程进行提示和指导，同时，有利于用户直观对充电相关信息进行直观获取。对智能充电桩进行设计时，要考虑充电插座指示灯的使用和设计，以便用户进行直观的辨别和使用，例如，红色代表插座故障，绿色代表插座正常可用。
2.4充电桩的安全性设计
为满足智能充电桩使用的安全性以及用户使用的安全指数，对智能充电桩进行设计要充分考虑其安全性，对其进行设计时要对其过流、过压、短路、漏电、防雷电等进行安全防护，并配置相关安全标示和警告标识。过流保护设施的使用可以在充电桩使用过程中出现的电流异常情况进行监控和保护。当充电桩出现高压过高现象时，可以利用过压保护进行工作，防止车辆和人员遭受电压伤害。短路保护的应用可以有效防止充电桩短路现象的发生，出现短路也可进行及时断绝，防止电池等部件收到损坏。漏电保护可以对智能充电桩使用过程中的漏电情况进行实时监测，当漏电数据超过安全范围，会自动切断电源，为使用者的人身安全进行保护。将防雷电设备安置在充电桩中，在恶劣天气下可以有效防止雷电对系统造成干扰，确保系统的稳定运行。同时，为保障用户的操作安全，要在智能充电桩及其周围张贴相关安全和警告标识。
3智能充电桩的设计与应用中存在的问题与挑战
3.1充电基础设施的不足
目前，我国智能充电站建设面临着充电设施短缺的难题。主要体现在：（1）充电桩覆盖率不高：部分区域尚未普及，尤其是农村、边远地区，充电设施建设严重落后。这在一定程度上制约了电动车的推广与普及。（2）充电站建设的困难：充电站的建立涉及到当地政府、能源供应商和充电设备制造商等多方利益的协调。因此，如何合理的选址、合理的土地利用、合理的建设时间等问题，给充电基础设施的建设带来很大的困难。（3）充电设施规范与规范不统一：不同地区、不同厂家的充电设施规范及规范各不相同，导致用户对充电设施的选购与使用产生了较大的困难。我国目前还没有建立起一个统一的充电站规范与标准，因此急需建立一个统一的充电站技术标准。（4）充电站的运行与管理费用高：充电站的运行与管理包含供电、设备维修、后台管理等一系列工作，其运行与管理费用高昂。
3.2充电效率低下
目前，智能充电站的设计和使用面临着充电效率不高的难题。主要体现在：（1）充电设施匮乏：充电设施供给较少，特别是高峰时段或特殊地区需求较大时，存在等待时间长、充电效率低等问题。这严重限制了其在我国的推广应用。（2）充电装置的功耗限制：充电装置的功耗受限也是造成充电效率较低的主要原因。在某些地区或地区，因设备结构或供电条件等原因，不能很好地满足客户的大功率充电要求，这就严重影响了其充电速率与效率。（3）充电装置的效能不同：目前市场上的充电装置种类繁多，充电效能也不尽相同。一些器件会出现较大的能耗和转换效率，从而造成电池效率的下降。（4）充电桩与电动车的匹配：不同车型的电动车对充电的要求及规范不尽相同，充电桩的选型应兼顾兼容性及匹配度。
3.3充电业务管理的复杂性
充电服务管理是一个复杂的问题，也是智能充电设施设计和使用面临的挑战。主要包括：（1）用户管理：由于充电服务的用户数量庞大，所以如何对用户信息、充电记录和账单等信息进行管理是一个非常困难的问题。要有健全的使用者管理制度，以保证使用者资料的正确纪录，并能为使用者提供方便的服务与交流途径。（2）收费系统：充电服务收费系统要求能精确地计算出用户的使用电量，并能给出清楚的缴费情况。在设计和使用过程中，必须充分考虑不同地区、不同供电公司的收费策略及收费方式，才能更好地满足客户及经营者的要求。（3）运行与管理：充电站的运行与管理包含了设备监测、故障处理和维护等环节。为解决大规模充电站网络中存在的问题，需要构建一套能对充电设施运行状况进行实时监控、及时响应的远程监测和管理系统。（4）充电站网络的安全性：充电站是一种智能化的装置，必须保证它的网络安全。可以有效地防止恶意攻击、信息泄漏、非法操作等意外事件的发生，保证用户资料的安全性，保证充电环境的稳定。（5）合规及监督：充电服务必须符合环保、品质、电力等相关法规及管制规定。
4智能充电桩的设计与应用存在问题的解决策略
4.1增加充电基础设施的建设
要解决智能充电桩设计与应用中存在的充电基础设施不足问题，可以采取以下策略：（1）政府投资支持：政府可以增加对充电基础设施建设的投资，提供资金、土地和其他资源支持，鼓励私人和公共部门参与充电桩建设项目。（2）制定规划与政策：制定明确的充电基础设施建设规划与政策，明确目标和时间表，并为充电设施的布局和建设提供指导和引导。（3）促进多方合作：通过合作机制，吸引能源供应商、充电设备制造商、地方政府等各方的参与，共同推动充电基础设施建设。建立公平、透明的竞争环境，鼓励多方合作、资源共享。（4）协调资源利用：优化现有电力网络和资源配置，协调电力供应，提高充电设施的可用性和可靠性。对于充电桩建设，尽可能选用可再生能源或清洁能源，减少对传统能源的依赖。
4.2提高充电效率的技术创新
为了提高充电效率，可以采取以下技术创新措施：（1）快速充电技术：加快快速充电设备的研发和普及，提高充电功率和充电速度。采用更高功率的充电设备，能够在较短时间内为电动汽车充电，并满足用户对快速充电的需求。（2）高效充电系统设计：优化充电系统的设计，提高能量转换效率，降低充电损耗。通过改进电池管理系统、充电线路和电力传输方式等方面的技术创新，实现更高的充电效率。（3）智能充电调度技术：利用智能充电调度算法，根据需求和供给情况，合理安排充电桩的使用和管理，优化充电资源的分配与利用，提高充电效率。（4）充电桩网络通信技术：采用先进的通信技术，实现充电桩之间和充电桩与后台系统的高效通信，确保充电信息的准确传递和实时监控，提高充电效率和运营管理水平。（5）充电桩智能预测与优化控制：利用大数据分析和人工智能技术，对用户的充电需求进行预测和优化控制，合理安排充电设备的使用，提高充电效率和用户满意度。
4.3简化充电业务管理流程
对智能充电桩的管理流程进行简化，主要简化内容如下：（1）对平台与接口进行结合：将智能充电桩的各个业务创设在统一的一个管理平台中，对用户的使用信息、相关充电数据等进行统一的采集，并对用户的接口和应用流程进行统一和明确。创建统一的管理平台，对相关数据信息进行手机，对相关操作流程进行简化，可以有效提高用户的使用幸福感和便利性。（2）自助服务设施：在充电桩及其周围场地设置智能化服务中心，以便应用用户可以对充电桩的使用、充值或查询等进行智能化操作，有效提高了操作的高效率。（3）移动支付与APP应用：为用户提供多种支付方式，例如手机app或小程序等进行支付结算等业务。以便用户不用排队就可进行支付或查询。（4）对计费系统进行优化：建立一套高效精确的计费体系，利用智能计费算法及计费规则，使计费流程自动化，并向用户提供清楚、明确的计费信息。（5）自动化监测与故障处理：利用智能化监测技术，实现对充电装置的自动监控与故障排除，降低了人工巡检、维修次数。
5、安科瑞充电桩收费运营云平台助力有序充电开展
5.1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。
5.2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。
5.3系统结构 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。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1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。

5.4.2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。

5.4.3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。

 5.4.4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。

5.4.5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。

5.4.6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。

5.4.7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。 5.4.8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。 5.5系统硬件配置 6结束语
充电基础设施的不足、充电效率低下以及复杂的业务管理流程是智能充电桩设计与应用中的问题与挑战。通过加大基础设施建设、技术创新和优化服务流程，我们可以逐步克服这些问题，提升充电体验，促进电动汽车的发展。政府、企业和用户之间的积极合作与共同努力将推动充电行业走向更加可持续、高效的未来。
参考文献：
[1] 李志勇，王圣.电动汽车智能充电桩的设计与应用研究
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[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版