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低成本、智能电动汽车交流充电系统
摘 要
对于电动汽车产业的发展，除了电动汽车的发展问题，我们还需要考虑充电设施建设的问题。本文首先介绍了交流充电桩对于电动汽车发展的重要性。然后，对当前交流充电桩的结构和存在的问题进行了讨论之后，又提出了一个新的电动汽车充电系统，并对其结构组成，功能锁定图，充电付款过程和系统的可靠性进行了详细讨论。通过对现有市场上的交流充电桩的研究，本文提出了一种智能的，低成本的电动汽车交流充电系统，以减少电网公司和执行机构在建设大量电动汽车交流充电桩时候的投资成本。与传统技术相比，该系统具有成本低，占地面积小，低投资的突出特点。
关键词：充电设施；交流充电；电动汽车；低成本；智能充电
1、绪论
2000年至2009年，中国的汽车产量已经取得了27.6％平均增长率，并且目前的汽车产量已经超过了美国和日本，成为世界上最大的汽车生产国和消费国。中国传统汽车产量的增长必然增加了人们对石油的依赖性，并且会加剧空气污染。中国的石油探储量只有世界平均水平的7.7%。据“2009年BP世界能源统计数据”表明：以现在石油的年开采率，2008年世界原油的剩余探储量还可以开采42年。石油资源日趋枯竭，传统的汽车发展面临着越来越大的阻力。中国国家发展改革委员会表示：目前，中国的石油对外依存度已经超过52％。电动汽车（EV）的发展将会改变传统的汽车形式，它可以大大降低油耗和空气污染，保护环境。努力发展新能源汽车是保证中国汽车产业可持续发展的必由之路。根据以上分析，环境问题和能源短缺将鼓励中国大力发展电动汽车行业。
经过十多年的努力，中国的新能源汽车技术已取得重大突破，电动车行业也已经有了进一步发展的良好基础。但从总体上看，目前，由于电动汽车的价格高，性能不稳定，销售停滞等原因新能源汽车产业还处于起步阶段。因此，迫切需要我们加强技术创新和促进汽车产业链的和谐发展。能源供应设施对电动汽车的发展具有重要意义，其建设模式也与电动汽车的发展密切相关。电动汽车的能源供应设施包括交流充电桩，充电站和电池更换站。目前，由于缺乏相应的充电设施中国电动汽车的应用受到限制，而充电设施最大的问题是投资回报较低。电动汽车的应用将在不久的将来以更大的发展规模有所突破。因此，电动汽车产业的发展战略，除了关注电动汽车本身，还必须考虑加快充电设施建设。
为贯彻落实国家节能减排政策，促进电动汽车的应用，延长电力服务的价值链，指导和规范电动汽车充电设施建设，中国南方电网有限责任公司相继出台了一系列的充电技术用于电动汽车的标准，部分如下所示：
1.Q/ CSG11516.1-2010，电动汽车充电设施的通用技术要求;
2.Q/ CSG11516.2-2010，电动汽车充电站和充电桩的设计规格;
3.Q/ CSG11516.3-2010，电动汽车非车载充电机的技术规范;
4.Q/ CSG11516.4-2010，电动汽车交流充电器的技术规范;
5.Q/ CSG11516.5-2010，电动汽车非车载充电机的接口规范;
6.Q/ CSG11516.6-2010，电动汽车非车载充电机的显示器，控制单元和电池管理系统（BMS）的通信协议;
7.Q/ CSG11516.7-2010，电动汽车充电站显示器和控制单元的技术规范;
国家电网公司也开发了一系列的电动汽车充电标准，如下所示：
1. Q / GDW233-2009，电动汽车非车载充电机的总体要求;
2. Q / GDW234-2009，电动汽车非车载充电机的电气接口规范;
3. Q / GDW235-2009，电动汽车非车载充电机的通信协议;
4. Q / GDW236-2009，电动汽车充电站通用技术要求;
5. Q / GDW236-2009，电动汽车充电站的布局设计准则;
6. Q / GDW236-2009，电动汽车充电站的电源规范。
2010年，国家出台的国家标准-电动汽车充电站通用要求，对中国电动汽车充电站的设计有指导和规划作用，也能推动电动汽车的充电基础设施的发展。 2、电动汽车交流充电系统的重要性
电动汽车在中国的发展必将增加对电动汽车充电设施的需求。来自深圳供电局的比亚迪E6出租车经营报告中表明，为了保证E6电动车正常运营，出租车公司一般需要配备中速充电设备(约0.5C）。比亚迪E6的规格如下所示：标称电池电压：316.8V，标称电池功率容量：200Ah，电池电压：3.3V和电池电池容量：200Ah。根据该规范，30kW的中速充电器为满足汽车的业务需求充满电池大致需要两个小时。
需求调查还显示，90％的电动车消费者，他们会选择两个地方来为他们的电动汽车充电：可以使用交流充电桩的停车场和家。交流充电对于电动汽车是慢速充电，完全充电时间通常为6至8小时。充电时间较长，但对电池的损害少，因此电池寿命得以延长。这种充电方法与快速直流充电相比也可以减少对电网的冲击。
目前，中国住房电功率通常为2-5kW，但随着现代家用电器的增加，功率消耗也在持续增加，许多家庭用电功率接近饱和，甚至在夜间，空调，冰箱和其他动力设备仍在工作，这意味着家庭的电力供应已经不足够再支持一个2-3KW充电功率的电动汽车。特别是在城市中，大多数电动汽车都停在一个固定的小区车位或商业停车场，因此大多数情况下他们的现有的交流电源端口不能被用来为电动汽车充电。此外，使用自身动力充电时一般也需要外部接线，但该充电方法有很大的安全隐患。
虽然传统家电插头可直接用于交流充电，但对于电动汽车，有很多需要考虑的问题，如充电安全，人身安全，充电保护，网络通信，偷电问题等等，所以为了满足电动汽车的充电需求，消费者，电网公司和电动汽车运营商必须遵守交流充电桩的所有标准。除了国家标准，国家电网和中国南方电网也纷纷推出了一系列电动汽车交流充电技术标准。
低速交流充电桩可以安装在停车场，商场，甚至是路边，如果我们这样做的话电动汽车充电将会非常方便。用户可以白天使用他们的电动车，晚上用低速交流充电桩为其充电。此外，交流充电和快速充电相比较有很多优点，如投资小，安装快速，对电网的影响不大，且适合大范围推广。
3、中国的交流充电结构
近年来，由于对交流充电桩的高需求，市场上出现了不同种类的交流充电产品，并且他们的一般结构如图1所示。通过分析，支付交易的部分包括卡读写器，打印机和其相应的驱动器模块是目前国内交流充电桩的关键部分。每个充电桩都具有一个键盘和显示模块。所有的功能模块集成到一个充电桩上将会增加材料，施工和维护的成本。目前，没有多少充电桩在公共场合应用，但随着电动汽车的发展，越来越多的交流充电桩被使用，现存交流充电桩的缺点也会越来越多的被暴露。因此，目前，最重要的任务不是促进其规模，而是选择合适的交流充电系统。
图1中国交流充电桩结构图
4、低成本智能交流充电系统
目前充电市场的需求主要包括以下几个方面：
1）充电单元的大小应尽可能地小，以及下列方法应考虑，如简化充电单元，功能一体化设计。
2）为了减少投资费用，充电桩应安装在路边停车场，小区场所，购物中心停车场，高速公路的服务区等，而不是租用专门的场所。
3）目前充电系统的结构应该被改进。
为了满足当前充电市场的上述要求，本论文提出了一种智能，低成本的电动汽车交流充电系统。
4.1系统结构
低成本，智能充电系统的框图如图2所示，包括以下主要组件：
- 中央服务器：电网公司现有的中央服务器可以使用。
- 充电系统的主机。图3示出其功能框图，包括支付，印刷，通信和其他功能
- 充电系统的辅助机：图4示出它的功能性框图，其包括功率表，继电器，寄存器，通信模块等。
中央服务器
......
充电主机
充电主机
.... .....
充电辅助机
充电辅助机
充电辅助机
充电辅助机
图2低成本智能交流充电系统结构图
显示器
键盘
指示器
打印机
主机CPU
扩展模块
读卡器
通信模块
图3低成本、智能交流充电系统主机结构图
指示器
喇叭
充电辅助机CPU
急停按钮
功率表
继电器
寄存器
通信模块
图4低成本、智能交流充电系统辅助机结构图
4.2系统的优点
新的计费系统有很多优势，主要体现在以下几个方面：
1）成本低：本论文提出的的充电系统，一台主机连接多个辅助机。配备在主机上的一个支付交易系统，就可以操作所有与其连接的辅助设备的付款。因此每个辅助设备就不需要再配备支付模块，大屏幕液晶显示模块和印刷设备，与目前的充电桩进行比较，由于其结构简单总成本显著降低。
2）占地面积小：辅助机结构简单可以使充电桩体积减小，这意味着充电桩将占用较少的空间，就不需要专用场地来放置。
3）投资少：材料成本低和小型建筑面积可大大降低施工成本。
4）低待机功率：在充电桩建设初期，充电桩的利用率低并且大部分时间将处于待机状态，而不是工作状态，因为现在很少电动汽车被使用。所以，目前有众多功能模块的充电桩的大部分能量将会被浪费。本文提到的这个系统，由于每个辅助机结构简单和低功耗的设计使其在待机状态下的功耗大大降低。
5）网络的通信功能：在整个充电系统，它只需要主机拥有网络通信功能，可以周期性上传数据至中央服务器和备份数据
6）灵活性好，低成本的的维护和更新：支付交易系统仅配备在主机，以后的更新比传统容易得多，并且也降低了维护和更新成本。
7）易添加协调充电功能：参考文献15中讨论了电动汽车的充电特性，并且电动汽车的充电对电网的影响很大。尤其是当电动汽车被广泛应用于公共场合，这个问题会更明显。因此，目前的充电设施应合理规划，从而为今后的大规模推广电动汽车打下一个良好的基础。在所提出的充电系统中，一台主机与许多充电辅助机协调使用，并且主机仅仅接收来自电网的配电中心的协调充电指令。因此该系统是简单，并且方便加入协调充电功能。
4.3支付计费过程
这个过程被描述如下：
1）首先检查车位和充电桩的充电状态，确定电动汽车可以停放在有交流充电桩的空闲车位。
2）通过主机ID或者路面指引找到充电桩的主机。
3）将卡插入主机的读卡器，然后设置预计充电能量或充电交易费拥（按照供电局的付款设置的相应要求，在价格较低阶段为了确保有足够的电量可以在期望的充电时间段被选择使用，因此充电的费用可相应地保存下来）。
4）打开充电桩的门，将充电插头连接在充电插座上，然后关闭充电桩的大门。
5）按下充电开关，检查充电桩的状态，如果状态是“充电”，用户可以安全地离开，否则返回到这一过程的步骤4，如果重复次数超过三个，可请求帮助。
6）取车前，用户需要去充电桩的主机前并支付充电电费，在这之后，主机显示交易信息和打印收据。
上述充电过程仅仅是一个例子，在实践中，它可以根据实际需要来改变。
5、系统可靠性分析
所提出的系统由一个主机和若干辅助机组成。辅助机主要是高电流部分，被设计的更简洁和更高的可靠性，并且其他复杂的零件，如通讯，控制，结算和支付，都是由主机来实现。很明显在新的系统中，高电流部分和低电流部分被完全分离。主机包括本系统的主要功能模块，因此主机的可靠性是非常重要的。以下方面可以提高主机的可靠性：
1）处理器采用业界标准设备;
2）对主机系统进行各种测试，以保证它的可靠性，如EMC / EMI测试，IP54 / 65防护测试。
3）应添加异常报警指示使得故障可以及时得到通知。
4）统一主机和辅助机之间的界面，如果故障发生时，维修时间可以被减少。
我们相信通过上述措施，主机的可靠性可以得到保证，从而提高整个系统的可靠性。
6、结论
随着全球能源紧缺和人们环保意识的增强，毫无疑问电动汽车将是汽车未来的发展方向，但中国仍然是电动车发展的初期阶段，如今电动汽车的使用仍是极少数。充电系统的建设要求应遵
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