电力系统保护与控制 第 49 卷 第 23 期 2021 年 12 月 1 日 Power System Protection and Control Vol.49 No.23 Dec. 1, 2021 DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.CDZ005 可移动式电动汽车充电桩的设计 吴钟鸣，卢军锋，孙 丽，胡 天，汪岚昕 (金陵科技学院机电工程学院，江苏 南京 211169) 摘要：电动汽车快速发展对充电桩提出了更高的要求。为更好地满足电动汽车充电需求，研究一类可移动式电动 汽车充电桩具有重要的意义。通过分析移动式充电桩的环境要求和技术需求，设计了可移动充电桩的硬件结构和 软件系统。移动充电桩结构采用了 CATIA 进行建模，通过有限元软件 ANSYS Workbench 进行仿真分析验证强度 和可行性。充电桩控制系统与车辆 BMS 及充电模块采用 CANBUS 总线通信，并由 ADUM1412 构成 CAN 隔离电 路避免干扰。采用北斗 GPS 模块 ATK-1218-BD 构成无线定位系统，系统设计了充电急停安全模块和充电枪的检 测模块。研究结果表明，硬件结构最大变形值为 3.07 mm，最大应力为 134.41 MPa，充电桩重心点的垂线在结构 底面范围内，结构符合强度和稳定性要求。控制系统功能完备，安全急停模块和充电枪安全模块保障了充电桩使 用的安全，有一定的工程实践参考价值。 关键词：移动式充电桩；结构设计；优化；控制系统；设计 Design of a mobile electric vehicle charging pile WU Zhongming, LU Junfeng, SUN Li, HU Tian, WANG Lanxin (Department of Mechanical & Electronic Engineering, Jinling Institute of Technology, Nanjing 211169, China) Abstract: The rapid development of electric vehicles has posed higher demands for charging piles. It is important to investigate a class of mobile charging piles for electrical vehicles to better satisfy the charging demands. By analyzing the environmental and technical requirements of mobile charging piles, the hardware and software system for a mobile charging pile are designed. CATIA is used to mimic the model of the mobile charging pile structure, while ANSYS Workbench, which is a finite software, is used to simulate and analyze strength and feasibility. The CANBUS bus is applied to establish the communication between the charging pile control system, vehicle BMS and the charging module. A CAN isolation circuit including ADUM1412 is used to avoid interference. ATK-1218-BD, which is a module of Beidou GPS, is employed to constitute the wireless positioning system, followed by a designed emergency charging stop safety module and a charging gun detection module. Results show that the maximum deformation value of the hardware structure is 3.07 mm, while the maximum stress is 134.41MPa. The vertical line of the charging pile gravity center is within the range of the structure bottom. This meets the requirements of strength and stability. The control system has shown complete functions. Specifically, the safety emergency stop module and charging gun safety detection module ensure safety while using the charging pile, providing a useful guideline for future engineering practice. This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51515072). Key words: mobile charging pile; structural design; optimization; control system; design 0 引言 随着环保和能源问题日益受到全社会的重视，新 能源汽车产业成为社会可持续发展的必然要求[1-3]。 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51515072) 以电动汽车为代表的新能源车发展迅速，截至 2020 年底，中国新能源汽车保有量达 492 万辆。作为电 动汽车运行的必备条件，充电设施的发展是关键的 要素，充电设备的质量、性能和工艺水平等，将直 接影响到电动汽车的使用与推广[2,4]。至 2020 年底 中国公共类和私人类充电桩数量为 168.1 万台，车 吴钟鸣，等 可移动式电动汽车充电桩的设计 桩比接近 3:1。部分停车场固定公共充电桩存在充 电速度慢、布局不合理、重建设轻运维等问题，同 时在人群流动密集换乘区域和大型活动举行时，对 充电桩的需求量会更大。 随着电动汽车的销量上升， 根据电动汽车充电的需要，设计一类可移动式充电 桩十分必要。可移动充电桩可快速布置、移动便捷、 体积小可弥补固定式充电桩不足，在需要布置时可 方便投放安装，响应快速，提升充电桩布置速度[5-6]。 1 2 - 149 - 充电桩整体设计 2.1 系统硬件组成 可移动充电桩主要包含数据采集模块、显示模 块、打印机和读卡器、控制模块等，其整体框架如 图 1 所示。 充电桩技术要求 1.1 充电桩的环境要求 电动汽车充电桩主要在户外使用，在设计时， 需要考虑天气环境因素的影响。材质上应选择防腐 防锈材料，不锈钢材料较好地做到防尘、防雨、防 极端恶劣天气的影响，可选择作为结构材料。同时， 电动汽车充电桩的显示区、刷卡区应采用 PC 材料， 该材料具有很强的抗腐蚀性，并具有阻燃、自熄等 优点，其韧性和强度都较好，满足功能区材料要求。 国家电网 Q/GDW485-2010《电动汽车交流充电 桩技术条件》 标准中对环境要求有明确具体的规定。 充电桩的设计应满足户外使用环境要求， 环境温度： -20℃~+50 ℃；湿度：5%~95%(无凝结)；海拔高度 不大于 2 000 m。IP 防护设计上应满足《GB42081993 外壳防护等级(IP 代码)》IP54 等级的防护等级 要求，并满足 GB/T4797.6-1995 中《电工电子产品 自然环境条件尘、沙、盐雾》的要求，以保证充电 桩能在户外潮湿、含盐雾的环境下正常运行[6-7]。考 虑到移动安装布置的需要，在充电桩的底部可设 计移动装置。 1.2 充电桩能耗评价标准 中国新能源汽车评价规程建立了一个关于能效 的指标“30 min 快速充电效能”，即在车辆行驶的 过程中，电池电量接近“无”的状态时，用功率为 120 kW 的充电桩对电动汽车进行 30 min 的持续充 电，检测充入的电量换算为一般工况下可以行驶的 里程数。该“充电效能”的评分标准如表 1 所示。 表 1 充电效能的评分标准 Table 1 Charging efficiency rating standard 30 min 快充常温 WLTC 续驶里程/km 评分标准 S(百分制) D＜45 S=0 分 45≤D＜110 0 分≤S＜60 分线性插值 110≤D＜155 60 分≤S＜80 分线性插值 155≤D＜225 80 分≤S＜100 分线性插值 D≥225 S=100 分 图 1 充电桩系统整体框架 Fig. 1 Overall frame of the charging pile system 充电桩由电网提供 380 V 交流电，计费电表通 过交流接触器与 380 V 电源联接，确保实时监控记 录，并进行计费结算工作。380 V 电源输入主电路 后，分别进行稳压整流、高频变压、二次整流后， 对电动汽车的蓄电池组进行充电。在进行充电时， 数据采集模块把实时监控充电单元的温度、电流、 电压等相关信息反馈给充电桩控制模块。监控数据 出现异常时可以直接反馈给报警锁止模块，立即停 止充电并使系统锁止，等待工作人员进一步处理。 读卡器和打印机形成数据输出的直接通道，构成用户 的消费刷卡方式，并用打印机输出消费记录凭证[8]。 2.2 控制系统软件 充电桩控制系统软件采用模块化开发方式，方 便管理维护和后期升级。控制系统管理各主要功能 模块的工作，包括电费计量、CAN 端口控制、RS485 模块的通信、人机交互控制和环境安全监测等。 系统控制软件采用 Keil Software 公司的 Keil uVision5 软件作为充电桩控制系统软件开发平台， 通过 C 语言编写相应的充电桩控制系统程序代码。 3 可移动式充电桩结构设计 充电桩结构采取模块化设计方式进行，由智能 电力系统保护与控制 -