浅谈新能源汽车充电桩的建设及优化分析
安科瑞 顾烊宇
江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405
摘要：在全球倡导低碳减排的大背景下，新能源成为热门行业在全球范围内得以开展。现阶段的新能源汽车以电力汽车为主，与燃油汽车不同的是，电力汽车不再需要或只需少量燃油就可以提供驱动力。新能源汽车的动力补充方式为充电，因此充电桩成为新能源汽车的配套设备。我国现阶段已经拥有大量的充电桩，但是伴随新能源汽车保有量的增加，现有的充电桩不足以满足新能源汽车用户的需求，且部分充电桩的质量存在问题由此导致安全事故。
关键词：电动汽车；新能源；充电桩；安科瑞充电桩收费运营云平台系统
1、前言
在开展新能源汽车充电桩建设与优化工作之前，首先需要对现阶段新能源汽车充电桩建设背景进行分析，包括国际背景、国内背景、使用需求背景。在对新能源汽车充电桩现有问题进行分析，包括运维缺失、安全隐患、分布不均、费用偏高、充电速度。随后在此基础上制定相应的措施，从而更好的满足用户需求并提升充电桩的利用效率，包括从硬件与保护层面出发提升充电桩质量、优惠充电费用、统一充电桩充电速度、充电桩信息线上发布管理，推进新能源汽车快速、持续、稳定发展。
2、新能源汽车充电桩建设背景
2.1国际背景
经济全球化大背景下，全球的生产力水平呈现持续增长趋势，化石能源的消耗量显著增加，而日益紧缺的化石能源难以支撑快速增长的社会生产力水平。确保生产能源稳定持续才是确保生产稳固提升的关键所在，由此探求新能源并确保其持续发展成为全球共同关注的问题。
2.2国内背景
我国长期以来高度重视环境建设与生产能源可持续发展建设，尤其在“十四五”规划当中提出要做好新能源基础设施建设工作，推动我国进一步充分发挥资源节约型、环境友好型社会的积极作用。随着机动车保有量的持续增加，汽车排放成为威胁环境建设与能源持续发展的一大主要原因，因此在新时代背景下我国致力于推进新能源汽车发展。截至目前为止国际上所推出的新能源汽车主要以电力为主，按照动力类型划分可分为纯电动、油电混合，即现阶段的新能源汽车需要将电力作为主要的驱动能源，汽车充电桩产业由此应运而生。
2.3使用需求背景
在我国新能源汽车诞生初期，汽车充电桩建设几乎处于空白状态，但是随着新阶段新能源汽车保有量的持续增长，关于汽车充电桩的建设理念、技术、规模随之不断提升。我国“十三五”规划期间以在全国范围内建成500万座汽车充电桩，满足了新能源汽车的能源供应需求，“十四五”规划预计在全国范围内再建设充电桩1000万座。但是现阶段的汽车充电桩存在一些质量问题，如触摸屏失灵、界面复杂、起火、爆炸等，对人身财产安全造成严重威胁。为了确保我国新能源汽车事业可以长期稳定持续发展，充电桩建设工作不能单纯追求数量更要注重提升质量，因此在建设充电桩的过程中需要同时兼顾规划与优化工作。
3、新能源汽车充电桩建设存在的问题
为了积极响应节能减排与低碳环保的战略要求，我国许多城市建设大量的充电桩，然而现实中许多城市的汽车充电桩存在闲置现象。充电桩利用率低下的现象暴露了许多充电桩建设过程中存在的问题。
3.1运维缺失
充电桩投入使用后需要定期维护与保养，从而确保充电桩的正常使用。而现阶段许多地区的充电桩之所以被闲置，是因为充电桩没有进行及时运维造成充电桩损坏。在一些国道、高速公路服务区都配备新能源汽车专用充电桩，但是其中大部分充电桩已经无法使用，这种现象也是因为充电桩运维缺失造成的。充电桩运维缺失不仅给新能源汽车用户带来不便，还造成了严重的资源浪费。
3.2安全隐患
我国的公共充电桩多为室外充电桩，室外充电桩与加油站的加油机不同，并没有配备相关的管理人员。并且室外充电桩通常情况下处于开放的环境中，因此受到自然环境因素的影响较大，在室外环境的长期影响下容易造成充电桩线路老化、漏电、机体材料氧化等。部分室内充电桩由于处于封闭空间，当出现故障的情况下很容易在短时间内造成人员伤亡。
3.3分布不均
通过分析已有调查结果表明，许多新能源汽车用户都会选择用地图寻找充电桩，但是这种寻找充电桩的方式会浪费许多时间，而问题就表现在充电桩分布不均，具体表现在或部分地区过于密集或过于稀疏，甚至部分区域存在大范围内没有充电桩，这种现象在郊区展现的尤为明显。新能源汽车充电桩市场竞争尤为激烈，即便是这种情况下充电桩依然存在严重的分布不均的问题依然得不到解决，导致充电效率无法得到提升，不仅为用户带来不便，还会导致较为严重的资源浪费现象。
3.4费用偏高
之所以许多用户选择使用新能源汽车，是因为新能源汽车相比燃油汽车价格更加低廉，可以节省车辆使用成本。然而现实情况是，新能源汽车充电的费用普遍偏高，且充电桩分布不均会进一步增加车辆使用成本，结果导致新能源汽车的成本消耗大于燃油汽车。部分城市中心地区的充电桩的充电价格会普遍偏高，且车辆在进行充电时还会收取相应的停车费，综合计算车辆的充电成本超出预算范围。
3.5充电速度
我国的新能源汽车发展尚处于初级阶段，新能源汽车充电桩企业数量有限，由此导致新能源汽车充电市场处于垄断状态。充电桩企业数量不多，且竞争激烈程度日益增加，而汽车充电桩的行业性质决定了低盈利水平，这就使得各充电桩企业抢占市场份额的现象更加显著。
事实上新能源汽车充电难的问题都是技术竞争的结果，不同企业所研制的充电桩使用的技术水平不同，因而给用户带来的实际体验不同。根据许多新能源汽车用户反映，不同企业的充电桩显著的技术差异就在于充电速度不同。充电速度不仅关系到用户的时间使用成本，关系到对车辆的养护效果，过快或过慢的充电速度都会对车辆电池造成直接影响。
4、新能源汽车充电桩优化措施
4.1提升充电桩质量
4.1.1充电桩控制系统的硬件设计与器件选型
新能源汽车充电桩优化的关键在于提升充电桩的质量，因此需要对新能源汽车充电桩控制系统硬件与器件进行合理的设计与选型。
①计费控制单元：
在新能源汽车充电桩控制系统当中，计费控制单元是重要组成部，在控制新能源汽车充电桩正常运行的基础上，还需要确保充电桩信息采集的准确性。
高性能、高质量的计费控制硬件是制造高质量充电桩的关键，经不断实践研究表明，在充电桩计费控制硬件中使用高性能DSP芯片TMS320F28335可以达到对数据分析处理的效果。在选定芯片的基础上，在芯片外部配备MAX3232和MAX3485实现信息显示与通信，另外配备W5500和HR911105A接口设计充电桩以太网模块。
②充电设备控制器：
充电设备控制器的作用多样，包括与计费控制单元的通讯、数字出入量的检测。优化后的充电设备控制器配备3个CAN总线通信接口，3个接口的功能各不相同，分别负责与充电模块的通信、与正在充电车辆的BMS1和BMS2通信。在与充电车辆BMS1和BMS2通信的过程中实现了信息交互，由此充电桩获知充电车辆需要的充电参数，再由CAN向充电模块传递，调整完成后由充电模块直接输出。
4.1.2强化充电桩机体保护
为了防止外界因素对公共充电桩造成的损坏，需要采取一定的措施强化对充电桩机体的保护。充电桩可以效仿加油站的方式，在充电柱上方搭设凉棚，从而防止充电桩受到外力而出现损坏，避免安全事故的发生。
4.2扩大充电桩建设规模
扩大充电桩需要避免盲目性，扩建之前需要对新能源汽车用户的需求进行分析，在此基础上确保充电桩的合理分布。并且要大力宣传、鼓励充电桩建设，通过提供技术帮助、简化审批手续等方式让更多的组织申请充电桩建设。
4.3优惠充电费用
现阶段充电桩的主要付款方式为扫码支付，但是许多系能源汽车用户不仅需要支付充电费，还需要支付停车费，这使得许多用户对充电桩使用价格不满。国家针对充电桩使用费用出台了针对性政策，将全国范围内的新能源汽车充电费用控制在合理的区间，且取消所有的不合理收费，如停车费、附加服务费等。
4.4统一充电桩充电速度
标准的直流充电桩充电速度为1min/4km，大部分新能源汽车的续航里程为300km，因此一台标准的直流充电柱充满一台300km新能源汽车需要持续1h，如果使用慢速充电桩，充满一台300km新能源汽车需要花费7-8h，很多情况下用户没有自主选择充电桩速度的条件，因此统一充电桩的充电速度对于提升用户体验具有重要意义。对于现有的充电桩进行改造，就是将所有的慢速充电桩统一改为快速充电。从技术层面出发需要为慢速充电桩更换充电配件，这种改造方式具有较高的施工成本。因此从全局的角度出发决定将所有的充电桩一律改为标准充电桩，平稳的标准充电更有助于新能源汽车的保养。
5、安科瑞充电桩收费运营云平台系统
5.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的汽车充电站、电动自行车充电站以及各个充电桩进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，资源管理、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应用场合
适用于住宅小区等物业环境、各类企事业单位、医院、景区、学校、园区等公建、公共停车场、公路充电站、公交枢纽、购物中心、商业综合体、商业广场、地下停车场、高速服务区、公寓写字楼等场合。
5.3系统结构
现场设备层：连接于网络中的各类传感器，包括多功能电力仪表、汽车充电桩、电瓶车充电桩、电能质量分析仪表、电气火灾探测器、限流式保护器、烟雾传感器、测温装置、智能插座、摄像头等。
网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。
平台管理层：包含应用服务器和数据服务器，完成对现场所有智能设备的数据交换，可在PC端或移动端实现实时监测充电站配电系统运行状态、充电桩的工作状态、充电过程及人员行为，并完成微信、支付宝在线支付等应用。
5.4平台功能描述
5.4.1充电服务
充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等。
5.4.2首页总览
总览当日、当月开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
5.4.3交易结算
充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表。
5.4.4故障管理
故障管理故障记录查询、故障处理、故障确认、故障分析等管理项，为用户管理故障和查询提供方便。
5.4.5统计分析
统计分析支持运营趋势分析、收益统计，方便用户以曲线、能耗分析等分析工具，浏览桩的充电运营态势。
5.4.6运营报告
按用户指定周期分析汽车、电瓶车充电站、桩运行、交易、充值、充电及报警、故障情况，形成分析报告。
5.4.7APP、小程序移动端支持
通过模糊搜索和地图搜索的功能，可查询可用的电桩和电站等详细信息。扫码充电，在线支付:扫描充电桩二维码，完成支付，微信支付完成后，即可进行充电。
5.4.8资源管理
充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
5.5系统硬件配置
类型 | 型号 | 图片 | 功能 |
安科瑞汽车充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9000 |  | (一)资源管理 充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩异常交易监测 (二)交易结算 充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表 (三)用户管理 用户注册，用户登录，用户帐户管理 (四)充电服务 充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等 (五)微信小程序 扫码充电，账单查询、充电信息监测等功能 (六)数据服务 数据采集，数据存储和解析 (七)收益隔天结转到帐 |
安科瑞电瓶车充电桩收费运营云平台 | AcrelCloud-9500 |  | (一)资源管理 充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩异常交易监测 (二)交易结算 充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报 (三)用户管理 用户注册，用户登录，用户帐户管理 (四)充电服务 充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等 (五)微信小程序 扫码充电，账单查询、充电信息监测等功能 (六)数据服务 数据采集，数据存储和解析 (七)收益隔天结转到帐 |
IC卡汽车充电桩管理系统（本地单价版） | Acrel-AVMS | / | 输入输出：AC220V 1个充电接口，充电线长5米；输出功率7KW;扫码刷卡支付;标配 无线通讯：4G、WIFI、蓝牙三选一 （下单备注规格，无备注默认4G通讯） |
10路电瓶车智能充电桩 | ACX10A系列 |  | 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护。故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 可选配 K(进线漏保) C(每回路测温) J(进线计量，单相电能表) L(进线漏电监测，超限跳开所有回路) ACX10A-TYHN 户内使(IP21),支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN 户内使用(IP21)，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW 户外使用(IP65)，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN 户内使用(IP21)，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW户外使用(IP65),支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW 户外使用(IP65)，仅免费充电，不能刷卡扫码 |
ACX20A系列 |  | 20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。可选配 K(进线漏保) C(每回路测温) J(进线计量，单相电能表) L(进线漏电监测，超限跳开所有回路) ACX20A-YHN 户内使用(IP21),支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN 户内使用(IP21)，支持刷卡，免费充电 | |
2路智能插座 | ACX2A系列 |  | 2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护。故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN 户内使用(IP21)，支持刷卡、扫码充电，单路电流10A ACX2A-HN 户内使用(IP21)，支持扫码充电，单路电流10A ACX2A-YN 户内使用(IP21)，支持刷卡充电，单路电流10A |
落地式电瓶车智能充电桩 | ACX10B系列 |  | 10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W总功率5500W，充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护。故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报可选配 K(进线漏保) C(每回路测温) J(进线计量，单相电能表) L(进线漏电监测，超限跳开所有回路) ACX10B-YHW 户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL 户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告 |
7KW交流充电桩 | AEV-AC007D |  | 额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方式：4G/WIFI/蓝牙 支持刷卡，扫码、免费充电 可选配触摸显示屏（LCD) |
30KW直流桩 | AEV-DC030D |  | 额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
60KW直流桩 | AEV-DC060S |  | 额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
120KW直流桩 | AEV-DC120S |  | 额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电 |
IC充值卡 | ACX10A-IC02 |  | 充电桩配套购电卡 |
充值机 | ACX10A-CZJ01 |  | 电瓶车充电桩开卡读卡器 |
7kw交流充电桩立柱 | AEV-AC007LZ |  | 用于AEV-AC007D立柱安装 |
30kw直流充电桩立柱 | AEV-DC030LZ |  | 用于30kw充电桩AEV-DC030D专用立柱套件，可实现落地式安装安装 |
汽车充电桩IC卡 | M1射屏卡 |  | 通过刷卡控制电动汽车充电桩的启停并扣费 |
汽车充电桩读卡器 | 读卡器 |  | 汽车充电桩开卡读卡器 |
电气防火限流式保护器 | ASCP200-40B |  | 壁挂式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能；1路RS485通讯，1路NB 无线通讯(选配)；额定电流为0~40A，额定电流菜单可设。 |
导轨式电能表 | ADL200 |  | 单相U、I 、P、Q、S、PF、F 等全电参量测量， 有功无功电能统计；LCD显示；可选配 RS485 通讯功能，方便用户电瓶车充电桩汽车充电桩进行用电监测计量。 |
导轨式直流电能表 | DJSF1352-RN |  | 直流电压、电流、功率测量及正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录；红外通讯，电压输入1000V,电流外接分流器接入（75mV)或霍尔元件接入（0-5V)导轨式安装，电能精度1级，8位LCD显示，标配2路开关量输入，2路开关量输出，1路 RS485 通讯，1路直流电能计量，AC/DC85-265V，供充电桩直流计量。 |
6、结语
新能源汽车相比燃油汽车具有更高的环保意义，许多用户考虑到充电比燃油价格更低，因此选择使用新能源汽车。而实际上由于充电桩存在的诸多问题，导致新能源汽车后续使用过程中存在诸多麻烦，其中不同企业充电桩的收费、充电速度没有为用户带来理想的体验感。由此可见要推行新能源汽车大范围普及，就需要确保充电桩的质量与有效性。充电桩的优化需要充分结合用户的实际使用需求以及电网的状况，从而确保充电桩分布、收费的合理性，减少用户寻找充电桩时存在的麻烦，更是对我国新能源事业建设具有积极意义。
【参考文献】
[2]朱国海.西部城市新能源汽车充电桩建设现状及建议[J].建设科技，2022
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.
