1、1.1 课题的研究背景及意义随着社会经济的不断发展，人们对于环境问题与能源危机有了越来越清晰的认识，这已经成为人类继续向前发展的道路上必须要解决的两个问题，节能减排已经成为的当今世界的一个主题。而电动汽车作为一种新能源交通工具，具有较高的资源利用率和无废气排放等特点，是实现节能减排和解决环境问题与能源危机的一种重要手段，也是汽车工业未来发展的重点。一方面，全球石油资源储量的稀缺性毋庸置疑，几个大国能源紧缺问题严重，现阶段仍以石油为主要燃料的汽车产业的发展受到极大威胁。因此，发展新能源汽车成为世界汽车持续发展的必然选择。在2008年上半年石油价格从80美元一路飘升到147美元，汽车燃料的使用也随
2、之水涨船高。在这一轮石油价格上涨期间，部分新能源汽车显示出相对使用成本优势。部分消费者为免于负担过高的燃油费用而放弃原本欲购买的传统车型，而选择石油燃料消耗相对较低的新能源汽车。汽车制造厂商也看到了新能源汽车的发展空间，开始加大研发和推广的力度。各国政府也适时推出了一些优惠政策对新能源汽车的购买和销售予以补贴，新能源汽车行业获得了前所未有的发展良机。虽然近期石油价格受全球经济衰退影响出现严重下跌，但新能源汽车技术的不断发展仍可以使部分新能源汽车保持一定的使用成本优势。另一方面，世界各国家和地区汽车尾气排放标准越来越严格。现今汽车尾气己成为组成温室气体的重要污染物。针对汽车污染问题，世界各个国家
3、和地区针对汽车尾气排放的标准也越来越严格，而为了应对不断严格的汽车尾气排放标准，各大汽车厂商目前主要采取提高传统能源汽车发动机相关技术的方法，以提高排放质量，但技术提升的难度将会越来越大。此时，发展新能源汽车成为各大厂商的新选择，因为新能源汽车的生产和使用会从根本上解决汽车尾气排放问题。因而大力发展新能源汽车用以取代化石燃料汽车成为当代社会的共识。而新能源汽车中又以电动汽车的发展最为迅速，成为各个国家重点的发展对象。在我国，虽然对电动汽车的研究及推广的时间较主要发达国家起步较晚，但近年来在国家的大力推广下，发展极为迅速，已经走到了电动汽车行业发展的第一集团。而保障电动汽车正常运行的充电基础设施
4、也得以快速发展，2015年，国家发展及改革委员会印发了电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020年），该指南对我国当前的充电基础设施的现状进行了总结并给了肯定，同时指出了当前充电基础设施发展过程中所存在的问题与挑战，并预测与展望了充电基础设施未来的需求以及发展方向，为我国的电动汽车充电基础设施提供了发展目标、指导思想与原则。该指南指出了我国充电基础设施的现状，截至2014年底,全国共建成充换电站780座，交直流充电桩3.1万个，为超过12万辆电动汽车提供充换电服务，电动汽车与充电桩的比例约为4:1，这显然不能满足当前电动汽车行业快速发展所产生的需求；同时，该指南指出，根据当前的新能源推广
5、政策以及当前的发展速度，到2020年，我国的电动汽车保有量会在500万辆左右，而充电桩与电动汽车的比例要达到1:1左右，这就要求在5年内新建近500万台各类充电桩，显然这个需求是十分巨大的。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展现状虽然受全球经济不景气的影响，各国都减少了对基础设施的投入及产品的更新换代，但是依然重视研发，不断加大对研发的投入。在美国，近几年来，为了推广电动汽车行业的发展，美国联邦政府一直联合科研机构和汽车厂商开展充电基础设施的相关研究，并投资了一系列电动汽车充电基础设施的规划项目，电动汽车产业已基本进入商业化运营阶段。到目前为止，充电基础设施已基本覆盖美国全境，而在加州、
6、伊利诺伊州和纽约州充电基础设施更是随处可见，如图1.1所示。这些充电基础设施主要是在露天或者室内停车场安放，从而实现停车和充电的一体化管理。截止到2016年9月份，美国的充电桩个数已经超过44000台。而在这其中，美国最大的充电基础设施运营商ChargePoint公司运营着超过16800台充电桩。美国的主流充电设施主要分为3大类：交流Level1充电设施、交流Level2充电设施和直流FastCharger充电设施。其中已经具有一定规模且充电网络完善的是交流Level2充电设施，它的安装数量最多，分布也最为广泛；而直流FastCharger充电设施主要分布在高速公路附近，主要对长途驾驶的电动汽
7、车进行充电。在德国，Ubitricity公司正在推广一种通过改造路灯给电动汽车进行充电的充电设施，如图1.2所示。该充电设施只需对路灯进行稍微调整，就能在路灯杆上安装充电插头，然后只需一根特制的充电线，就可以通过该插头为电动汽车充电并完成结算。相比其他充电桩近万元的成本，该设施只需花费1000元左右对路灯进行改造，并且不会增加额外的空间。现阶段，该公司正对柏林的近一千个路灯进行改造以便其能作为充电桩使用，预计在不久的将来柏林的每一个路灯都能够为电动汽车提供充电功能。不过现阶段该模式还不太成熟，依然受到诸多因素的影响。在日本，其充电基础设施主要有两个体系：一是代表日本充电行业的CHAdeMO体系
8、，是由众多经过CHAdeMO第三方认证的充电设备生产商组成；另一个是由丰田、日产、本田、三菱等四家汽车生产企业出资设立的日本充电服务公司（NCS），目的是为电动汽车驾驶员提供一个更加方便有效的充电网络，在这种模式下，NCS会承担充电设施的建设费用及运营成本（电费、运营开支），车企某种意义上成为充电服务的购买方与享受方。1.2.2 国内发展现状在国家的新能源政策的推动下，我国的充电基础设施的建设正在火热的推进中。为了保证车桩在充电工程中的安全性以及充电接口的一致性等，国家及能源局等相关部门出台了一系列的标准规定并将之不断更新。在国家标准方面，现行的是2015版国标，该国标从通用要求、交流与直流、
9、充电机与BMS通信等方面进行了规定，同时规定了电动汽车与充电桩的充电接口标准以及在使用中的安全防护方面的要求，从而保证整个充电流程是确定的，让每一个充电桩都能为每一台电动汽车安全可靠的进行充电；在行业标准方面，主要有以下两个：NBT 33008.1-2013 电动汽车充电设备检验试验规范 第1部分：非车载充电机和NBT 33008.2-2013 电动汽车充电设备检验试验规范 第2部分：交流充电桩，这两个标准主要规定了充电桩的充电功能、通信方式、安全防护、电磁兼容性等检测方法和检测要求，是充电桩投入运营之前必须要通过的标准。截止到2017年，全国公共类充电基础设施约为21万个，私人类充电基础设施
10、约为23万个，而纯电动汽车的保有量约为80万辆，这距离2020年各类充电基础设施要达到450万个目标仍相距甚远。一方面，我国目前的充电基础设施的数量仍然严重不足，电动汽车与充电桩的比例高达4:1，完全满足不了电动汽车的日常行驶需求；而另一方面，当前充电基础设施的建设仍处于无序状态，很多车主需要充电时找不到近的充电桩，而同时很多建成的充电桩却没有电动汽车充电长时间闲置。同时，随着2015版的新国标出台，一些已经建成的充电桩不再满足现有的标准，而市场上同时充斥着新旧国标的充电桩与电动汽车，这些设备之间的接口并不兼容，导致充电过程无法正常进行。本文研究和设计的交流充电桩是采用单相交流电为供电电源，通
11、过在交流充电桩控制模块的控制下为电动汽车进行充电的一种充电装置，交流充电桩一般分散放置在室外，以便电动汽车能够及时且方便的进行充电。交流充电桩要能够为用户提供方便、快捷、安全、可靠的充电服务，用户在使用充电卡给电动汽车进行充电时，操作要简洁有效，提高用户的体验感；同时交流充电桩要接入后台管理系统，以便后台进行充电数据上报、交易结算以及设备故障信息的上报，方便技术人员及时处理各种问题，从而方便运营商进行集中化的管理。2.1 系统的功能要求在2011版的充电接口及通信协议标准刚刚实施不到四年的情况下，2015年新标准就横空而出。因为2011版的老标准与2015版的新标准不匹配，老标准的车插在新标准
12、的桩上，充电枪很可能会被锁住。这就要求我们必须清晰地明确新旧国标之间的区别。在安全性方面，新标准增加了充电接口温度监控、电子锁、绝缘监测和泄放电路等功能，细化了直流充电车端接口安全防护措施，明确禁止不安全的充电模式应用，能够有效避免发生人员触电、设备燃烧等事故，保证充电时对电动汽车以及使用者的安全；在兼容性方面，交直流充电接口型式及结构与原有标准兼容，新标准修改了部分触头和机械锁尺寸，但新旧插头插座能够相互配合，直流充电接口增加的电子锁止装置，不影响新旧产品间的电气连接，用户仅需更新通信协议版本，即可实现新供电设备和电动汽车能够保障基本的充电功能。交流充电占空比和电流限值的映射关系与国际标准兼
13、容，并为今后交流充电的数字通信预留拓展空间。通过分析新旧国标的联系与区别、国内外的各种产品以及合作企业提出的各项功能需求，本文设计的交流充电桩的各项功能与指标如表2.1所示。根据上述的功能需求，本文设计的充电桩系统的总体方案如图2.1所示。总体方案主要包括四个部分：充电桩系统、服务器、后台管理客户端以及后台管理网页端。其中充电桩主要负责供用户充电，满足充电桩的基本功能，同时可通过无线通信模块将自身的状态信息和充电数据以及交易结算数据上传到服务器；服务器主要将充电桩上传的数据保存到数据库，同时根据后台管理人员的请求向客户端和网页端提供数据；客户端和网页端主要根据管理人员的操作向用户显示充电桩以及
14、用户的状态及信息。根据上文的系统功能需求分析，按照系统的模块化设计原则，如图2.2所示，将交流充电桩分为以下几个功能模块：微控制器模块，用于控制整个系统的功能模块以及数据的处理；控制导引模块，用于充电过程中，对充电桩和电动汽车的连接状态进行确认、控制导引充电过程的开始及结束过程并实时监控充电过程中的电流电压等信息，并将信息提供给微控制器模块，进而控制整个充电过程；人机交互模块，用于用户与充电桩的交流，并进行各种操作，展示当前界面、充电的各项参数及将用户的操作反馈给微控制器模块，然后微控制器再控制下一步的操作；数据通信模块，用于充电桩将用户数据上传及验证，上报充电桩状态信息，上报充电过程信息以及
15、后台对充电桩进行参数配置及数据的更新；电能计量模块，用于充电电流电压的测量，以及充电电量的计算，并将数据以供给微控制器模块，用于费用的计算；电气防护模块，用于充电桩出现各种危险情况时的紧急保护，包括水平检测、充电温度检测及漏电、过流、浪涌检测及保护，当出现上述情况时，充电桩能及时断电，保护设备安全；读写器模块，用于充电射频卡的读写，充电卡充值与充电结束时的交易结算；电源模块，用于提供能使整个设备正常工作的电源模块。本文设计的交流充电桩是采用单相交流电供电的，即无论是为电动汽车充电还是充电桩控制电路及外部模块的电源的来源都是单相交流电。而充电桩的控制电路以及外围模块的供电电源都属于弱电，为了整个
16、系统的安全及防干扰，或者保护后端设备不受雷击，浪涌或电压尖峰破坏，强电部分应和弱电部分隔离开来，因此，在电路的设计上，为了将强弱电隔离，采用将强电部分和弱电部分分别放在两块电路板上的方式，并在两板之间加上隔离电源，如图3.2所示。3.2.1 电源模块的需求分析进行电源模块设计前，首先要明确本设计中各个模块的电源需求，然后再根据具体要求选择电源模块。本文设计的交流充电桩的各模块的电源电压需求如表3.1所示。因为是单相交流电供电，而控制模块及各个功能模块的供电电源要求是直流电，所以首先要将单相交流电转换为所需要的12V直流电。从稳定性以及可靠性方面进行考虑，本文选择市场上现有的开关电源作为单相交流电转换为12V直流电的电源模块。经过比较，最终选择了深圳市普德新星电源技术有限公司生产的型号为GZM-H40D12-12R的双路电源变压模块，如图3.3所示。该模块的技术参数如下：1) 工作类型：AC-DC2) 输入电压范围：176VAC264VAC3) 额定功率：40