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电动汽车充电管理系统的设计与研究
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电动汽车(BEV)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。其工作原理为：蓄电池—电流—电力调节器—电动机—动力传动系统—驱动汽车行驶。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。
一、充电桩简介及发动机类型
在全球节约资源、绿色经济发展背景下，新能源汽车发展迅速，充电桩作为新能源汽车的动力保障受到政府和业界的高度关注。而随着整个新能源汽车产业链的逐渐成熟以及市场需求的逐步释放，但充电基础设施结构性供给不足、整体规模滞后的问题却日益凸显，补齐短板，充电桩等配套基础设施建设再提速已成燃眉之急。
汽车充电桩是为新能源(电动)汽车提供有效能源保障的重要配套设施。其作用类似于传统能源汽车加油站中的加油机。但与传统能源汽车的加油机所不同的是，它并不依赖深埋于地下的储油设备，亦不需依赖输油管线或油料运输车的能源输送，汽车充电桩在地面或者墙壁均可安装，无需刻意建设独立的基站，设备可安装在公用空间(如公共写字楼、商业区、住宅等)及任何符合条件的空间当中，从技术上也可实现使用多种规格电压等级为不同型号的电动汽车充电。
现今，开发中或己投入使用的充电桩一般均具有常规充电和快速充电两种充电方式，用户可在充电桩的交互界面实现如选择充电方式、充电时长、查询信息等功能的操作。
1）以电动汽车的充电方式分类
分为交流充电桩和直流充电桩。交流充电桩由于内部器件构成比较简单，体积相对较小，电流较小，充电时间较长，适用于小型电动汽车。而直流充电桩电流大，充电时间快，体积较大，占地面积大，适用于电动大巴等大型电动汽车。
2）以充电桩的安装方式分类
分为立式充电桩和壁挂式充电桩。立式充电桩多固定于地面，而壁挂式充电桩则固定于墙体，一般多使用在地下停车场和室内。
3）以服务对象进行分类
根据充电桩的用途及服务对象人群，可分为公共充电桩、专用充电桩和私人充电桩。其中，公共充电桩的服务对象较为广泛，多针对于政府及企业，私人充电桩安装于个人活动空间，不对外开放。
4）以充电接口的数量进行分类
分为一桩多充和一桩一充。
1）交流充电动机
目前最常见的充电动机就是姜交流转换为直流对电池组进行充电，称之为交流电源充电动机，根据不同的分类方式，可以将交流电源充电动机分为多种类型。
2）直流充电动机
由于充电的电源不仅有交流电，还有部分直流电。对于采用直流电源的充电动机来说，其工作原理就是一个可控DC/DC，即将直流电根据需求进行整流变压之后直接对电池进行充电。这种模式多见于一些储能设备对电动汽车进行充电的过程。
充电过程大致可分为三个阶段，分别是恒流阶段、恒压阶段和截止阶段。
1）恒流阶段
恒流阶段是电池充电的前期阶段，这个阶段占充电过程的绝大多数时间，一般达到整个充电过程的80%以上。在这个过程中，充电动机首先根据电池的电压设定充电初始电压，然后电压随着电池的电压变化不断进行调整，使充电压差基本保持不变，从而保证充电的过程能够以一个相对恒定的电流进行，因而称之为恒流阶段。
2）恒压阶段
随着电池电量的不断增加，电池的电压也会随之上升。在达到一定的电池电压之后，如果再继续保持稳定的充电压差，则会导致充电过压而损坏电池。因此在此阶段，通过控制电池的电压，将充电电压提升到充满状态并保持恒定，以合理的电压控制充电电流，因而称之为恒压阶段。
3）截止阶段
截止阶段实际上在电池充电过程中属于对电池是否已充满的判断过程。电池在最后的恒压充电阶段内，充电的电流不断降低，如果不去管理，电流将持续降低。当电流降低到定阶段，电压压差非常小，再继续充电，电流变化和充电压差变化都变得非常缓慢，如果持续充电到电流变为零，理论上需要无穷长的时间，因而再继续充电变得毫无意义。将判断充电结束的阶段称之为截止阶段。
为了保证充电的效率，减少不必要的浪费，当电池充电的电流降低到一定的数值的时候，认为该电池组接近充满，可以结束充电。在这个阶段，需要对充电动机进行参数设置，通过合适的充电电流作为充电结束标志，对充电动机发出充电结束指令。
二、各种充电解决方案的特点分析
对于为动力电池充电来说，往往关注的是充电时间。对以不同类型或不同材料的电池，充电时间自然需求不同；但对于同一种电池，充电的时间也往往有很多种方案，充电方案不同，称之为电池的充电模式不同。充电模式般可分为三类：正常充电模式、快速充电模式和更换电池模式，以及最新的非接触式充电模式。
正常充电电流的选取是在保证电池使用寿命的情旷下，参考电池的性能和结构等因素，所设定的一个充电范围。在这个范围下充电，既能够保证电池达到所设定的电池使用性能和容量，又能保证动力电池长期使用时的寿命。对于不同的电池，其正常充电模式是不同的。对于不同容量的电池，其充电电流也不相同。对于同一类电池，充电电流的大小与其容量相适应。
快速充电模式快速充电模式是指对电池充电的过程采用较大电流，实现对电池快速补充电能。对于动力电池来说，快速充电必须是在满足电池的基本性能和安全的前提下，又对电池不能造成损伤的最大允许充电电流。为了实现较大充电电流，般都是通过提高充电压差来实现。在快速充电的过程中，电池与充电动机的压差增大，电流加大，同时造成电池的充电热量增加。
虽然多数的动力电池厂家都提供了快充标准，但是相对于动力电池来讲，如果不是情况特殊，且在规定时间内能够充满电能，一般不允许快速充电。需要说明的是，动力电池偶尔快速充电，对使用寿命影响不明显，但长时间快速充电，会影响动力电池的使用寿命，缩短动力电池的循环次数，降低动力电池的容量，而且容易引发安全事故。
快速充电不但受到电池性能影响，还与充电动机的性能有关。快速充电需要充电动机提供更大的电流来满足充电需要，充电动机就会处于高负荷运转，其至容易造成超负荷运转，导致充电动机的毁坏。因此，在选择快速充电时必须要慎重。
换电模式是目前解决电池不能快速充电的一种过渡模式。由于动力电池不允许频繁快速充电，平常充电又不能满足需求；且电动汽车受到制造和使用成本的影响，配备的电池的容量有限，这就形成了一对矛盾。为此，更换动力电池就成了解决这一问题的过渡方案。更换电池是指在电动汽车电能不足的时候，通过吏换动力电池的方式实现电动汽车更大的续驶里程。
非接触充电装置有电磁感应、磁共振、微波三种方式。电动汽车不但充电时间长，更换电池或利用充电桩等通过电缆充电的模式，也存在操作上的不便，而且雨天作业的安全性问题，更是令人担忧。
相比而言，非接触充电装置不需要用电缆将车辆与供电系统连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在停车场、住宅、路边等多种场所，又可以为各种类型的电动汽车（包括插电式混合动力汽车）提供充电服务，使电动汽车随时随地充电变为可能。对于公交车，可以将充电设施布置在终点站、枢纽站、换乘站等地点，利用短暂的停车时间便可以完成快速充电。但这项技术仍存在一些需要克服的缺陷，还不成熟。
三、充电系统的布局和充电设备
充电基础设施是指为电动汽车提供电能补给的各类充换电设施，是新型的城市基础设施。充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求，结合电动汽车充电模式进行相应的规划和设计。
家庭充电设施的推广和应用是电动汽车发展的重要推动力。由于电动汽车充电一般都安排在晚上，如果电动汽车应用量较大，势必会造成充电集中现象，既没有如此庞大的充电场地，也容易造成交通的拥堵。家庭充电设备的建设能够解决这一难题。
由于小型电动汽车的充电动机一般为车载式，只需要将车载充电动机的插头插到停车场或者附近的电源插座上即可进行充电，而且车载充电动机的充电功率较低，一般只有几千瓦。对于家庭电动汽车而言，在晚上用电的低谷进行充电可以降低电动汽车使用成本，而且有利于电能的有效利用。因而，将充电桩布置到家庭用户是可取的方案。
家用充电设施的基本要求是有一个配有电源的车库或者停车场。可有两种不同的方式：对有私人车库的家庭来说，只需要安装一个专用的充电电源插座即可。对于带有停车场的公寓和集中住宅用户来说，可安装带保护回路的室外电源插座，保证独立运行。而且这类插座要求安全可靠，不易损坏，一般居民不能靠近接触。家庭充电设施的方案简单，计费方便，分散的充电模式解决了城市用地紧张的矛盾，适合大规模电动汽车发展。
公共充电设施基本上就是一些公共充电站，公共充电站应分布广泛，以保证电动汽车用户能够随时为电动汽车充电。能够支撑电动汽车商业化的公共充电站不是简单的多台充电动机的集合，而是一项规模庞大的系统工程。
充电站的建设必须严格考虑电动汽车的种类和分布、充电系统的总体需求和对电网的影响等因素，必要时还要考虑用电的安全性、天气情况和交通状况等因素。建设充电站需要区额的资金投入，对充电站的基本要求是：高效、节能、低制造成本、安全、可靠、维修性良好。公共充电站又可分为标准充电站、快速充电站和电池更换站等。
充电接口是指用于连接活动电缆和电动汽车的充电部件，由充电插座和充电插头两部分构成。由于是连接电缆使用，因面充电插口是传导式充电动机的必备设备。充电插头在充电过程中，与充电插座结构进行耦合，从而实现电能的传输。
在电动汽车的产业化过程中，充电接口的标准化至关重要。充电接口应该满足以下几个方面要求：
1）能够实现较大电流的传输和传导，避免因电流过大引起插座发热和故障；
2）插头能够与插座充分耦合，接触电阻小，避免接触不良引起火花烧蚀或虚接；
3）能够实现必要的通信功能，使于电动汽车CAN通信或者电池管理系统与充电动机对接；
4）具备防误插能力，由于电动汽车使用的充电设备或者电池的型号和性能不同，因而所需要的电源就不一样，同时，由于各插头的性能不同，插头的电极不能插错，这就要求不同的电源插头要有定的识别能力；
5）具备合理的外形，便于执行插拔作业。
充电接口种类主要有三种，即单相交流充电接口、三相交流充电接口和载流充电接口。单相交流充电接口主要是用于家庭用户充电设施和些标准的袋共充电设规这吴充电插头比较简单，用于单相交流电使用，一般插头有三个端子，分别是交流火线、交流零线和接地线。与传统的电源插座类似，只是形体和额定电流较大。三相交流充电接口和直流充电接口相对于单相交流接口要复杂得多，这类充电接口一般用于较大的充电站，为较大型的电动车辆进行充电服务，而且充电电流相对较大，外形也较大，其功能复杂。由于这类插头较大，设计的形状类似于枪，所以一般称之为充电枪。
四、充电桩的设计
充电桩的设计主要分为硬件电路设计和软件设计，下面我们来一一详细分析一下：
充电桩系统总体框架图如下：
1）控制电路
电动汽车充电器的控制部分是通过调节主功率电路的MOSFET开关管的PWM驱动波形的移相角来实现对主功率电路输出电流、输出电压的控制的。基于DSP的快速、精确、高效等优点，硬件部分包括主功率电路MOS管驱动电路，主功率电路温度、输出电流、输出电压的采样及A/D转换电路，控制系统电源电路。软件部分包括主功率电路输出电流信号、输出电压信号的PI调节，移相PWM驱动信号的产生。
2）主控板
以微控制器为核心，需要设计的电路包括电源变换电路、存储电路、看门狗及下载电路、两组接口连接检测电路、两组继电器控制电路以及通信接口电路。
3）电源变换电路
主控板上采用的大部分集成电路芯片均通过+3.3V电源供电，包括MCU、存储器、复位监控芯片等。开关电源为主控板提供的是+5V电源，因此需要进行电源变换。电源变换电路采用低压差的三端线性集成稳压芯片AS1117-3.3，当输入电压在+4.75V~+10V范围内时，输出稳定的+3.3V电压，最大可提供1A的输出电流。综合估算各单元电路的总体功耗，该电源芯片满足主控板电路的功率需求，其中大电容并联小电容用于抑制低频到高频的干扰信号，LC滤波用于消除电源纹波。
4)充电电源主功率电路
充电电源主功率电路一般包括整流桥、高频隔离DC/DC变换器、LC滤波电路等部分。对于中小功率充电电源，一般采用二极管整流桥对输入的额定电压为20V的单相交流电整流，其高频隔离DC/DC变换器大多采用全桥LLC谐振变换器、反激变换器、半桥变换器等。下图为全桥LLC谐振电动汽车充电系统主功率电路图。4个功率MOSFET开关管及其寄生二极管、并联电容构成全桥逆变电路，逆变电路实现了电压的DC/AC变换，并使器件工作在高频条件，减小了开关损耗、EMI噪声。
寄生电容管的设计实现了开关管的软开关技术，减小了开关应力，提高了变换器的转换效率；LLC谐振电路由电容与两电感串并联构成，它兼顾了串联谐振和并联谐振的优点，使开关管的开关控制频率在极小的变化范围内就能实现输出电压的大范围变化，并实现了开关管在全负载范围内的ZVS，非接触式感应电能传输电路的实现主要依靠高频藕合磁线。它解决了传统导线直接接触式供电在安全性和可靠性方面的一些问题，是一种有效、安全的电能传输方式，因而电动汽车领域具有广泛的应用前景。
近年来，随着材料科学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，非接触式感应电能传输技术的实际应用己经成为了现实。二极管整流桥的输出具有很大的电压纹波和电流纹波。而电动汽车的动力电池组对充电电流纹波极其敏感，因而需要设计滤波电路以减小充电电流纹波，实现安全充电。LC滤波则是利用电感与电容并联，滤除高次谐波，是目前最为常用的滤波方式。并联级联越，对高次谐波的抑制能力越强，实际应用中常根据设计要求，设计合适的级联数和电感、电容参数。
5）充电控制技术
目前对于全桥变换器的控制方式最为常用的是移相控制方式，它充分利用了谐振电路和开关器件的寄生电容来实现zvs，器件应力小、控制方法简单，在功率MOSFET管上运用的比较成功。
6）数字化控制系统
电动汽车充电系统的控制系统大都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统己成为当前发展的方向。传统的数字控制系统通常以单片机或微机为核心，而由信号处理器(Digital Signal Processor DSP)构成的控制系统相对于单片机或微机具有更高的精度和速度，它的逻辑判断能力更为丰富。其丰富的数字输入输出口、通信口、专用PWM输出口等，可以实现复杂的控制规律，可简化控制系统的硬件设计，使得整个控制系统体积减小，重量减轻，能耗降低，可靠性提高。由DSP构成的控制系统是成为目前研究的热点。
软件是充电桩系统的核心组成部分，控制管理各个硬件资源，提供各种应用服务，而越人性化、越完善的服务功能恰恰是用户最关心的部分。设计的充电桩应以国内外现有产品为基础，实地调研现有充电站的工作环境，综合大量充电车主的使用反馈，并能有良好的用户体验，完成的各项应用功能，包括多模式充电、人机交互、计量计费功能、身份认证、历史信息保存、远程信息交互等。
1）充电功能
充电功能是系统最基本的功能，目前国内市场上的充电桩大多只提供一个充电接口，这样就需要为每个停车位配备一台充电桩。采用一桩双充的模式两个相邻的停车位共享一台充电桩，可同时为两辆电动汽车提供电能补给，大大降低了用户成本。为了满足不同用户群体的充电需求，多样化的充电模式也是必不可少的。设计采用“充满为止”、“按电量充”、“按金额充”、“预约充电”四种充电模式，基本满足当前大部分充电车主的充电需求。
其中，“充满为止”模式指当启动充电桩为电动汽车充电时，充电桩会持续提供电能输出直到动力电池容量达到100%。“按电量充”模式指用户在启动充电之前，手动输入需要为动力电池充入的电量，充电桩为用户提供所需的电量之后，停止电能输出。“按金额充”模式需要使用到充电桩的计费功能，用户提前在运营商处购买对应的电能消费卡，充电桩根据用户输入的消费金额提供相应的电能。“预约充电”模式指用户可以通过车联网或者直接操控设备让充电桩在指定时间为电动汽车提供电能，这种方式可以使用户预约在电价较低的晚间进行充电，从而减轻电网在用电高峰期的负荷。
2）人机交互
要提高用户的使用体验，最直接的方式就是提供先进的人机交互功能，通过降低用户的操作步骤，以最简单实用的方式理解用户需要充电的需求并迅速响应。本系统采用的人机交互硬件设备包括触摸屏和语音播放器，通过声音、图形相结合的方式为用户提供智能的交互手段。用户操作触摸屏时，触摸屏上的图形界面应能够正确引导用户完成充电过程，当需要用户完成某个动作时，能通过语音提示的方式提醒用户。
3）计量计费
用户在使用充电桩时，需要提前在运营商处购买相应的电能消费卡。因此，电能计量精度必须达到国家计量部门认证的等级要求。计费模式采用多费率模式，或者管理员自主设定的模式，以方便运营商对充电桩进行合理的运营。
4）身份认证
当前市场上布设充电桩面临的一个巨大难题就是管理。充电桩是一个面向社会大众开放的基础设施，这就意味着任何人都有机会去操作充电桩，从而增加了设备出现故障的机率。为了解决这个问题，除了搭建完善的后台管理系统、配备专门的管理人员之外，严密的身份认证体系也是必不可少的。通过对用户身份的识别，赋予用户不同的使用权限，限制用户的操作行为，即方便了运营商的管理，也降低了设备故障的风险。
5）历史信息保存
充电桩作为消费类电子产品，需保证整个交易过程的安全性与可靠性。当出现交易纠纷等问题时，能够提供可靠的消费记录。同时，在遇到系统断电、设备失灵等故障因素时，能够保存当前的状况信息，为管理维护人员提供检修线索，当系统恢复正常时可继续故障前的工作状态。
6）远程信息交互
远程信息交互系统能够对分散布设的充电桩进行智能化的监控管理，大大降低了运营商的运营和维护成本。目前，国家尚未出台充电桩与后台设备之间的信息交互标准。为了保证后台系统能够充分的获取设备的现场信息，远程交互的内容需包含设备配置参数、充电控制参数、历史交易记录、设备运行状态等内容。
新能源汽车充电设施不完善，难以满足现有新能源汽车充电续航要求，已成为当前和未来一段时期内推广新能源汽车的主要障碍。
在充电桩的研究与开发中，还有许多亟待解决的技术难关和可以优化的方面。相信在不久的将来，电动汽车充电将变的更加快捷，方便。
写在最后
我用持续不断的
努力写作与分享
希望换来你
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