自动控制 信息技术与信息化
电动汽车智能充电桩的设计与实现
Design and Implementation of Electric Vehicle Intelligent Charging Pile
孟祥军* 梁 涛＊＊ 王兴光 陈 杰 李建祥* MENG Xiang － jun LIANG Tao WANG Xing － guang CHEN Jie LI Jian － xiang
桩体结构及工艺设计采用交叉覆盖工艺，既保 证了桩体的防护等级达到 IP54 标准，在雨雪、水溅 等情况下，水珠不能进入桩体及桩体内部； 又能够在 工作时形成良好空气流动，保证充电桩内部元件的 散热；
桩体主体采用镀锌钢板，外表面采用汽车烤漆 工艺，保证了充电桩在潮湿、盐雾等恶劣天气环境下 不锈蚀；
元件选型时，所有零部件采用工业级元器件，保 证充电桩在工业环境温度范用环境大多在室外，工作环 境比较恶劣，需要适应雨、雪、雾、风吹、日晒、高温、 低温等恶劣天气的考验； 同时，电动汽车作为一个充 电设备，还必须能够承受各种电磁干扰的考验，在典 型的工 业 电 磁 骚 扰 环 境 下 能 够 正 常 提 供 充 电 服 务［7 ～ 10］。
充电桩软件系统主要完成的功能是将各功能模 块有机的结合起来，实现各模块的协调调用，系统整 体控制流程图如图 3 所示。
图 1 充电桩硬件系统组成框图 主控板是硬件系统的核心组成部分，完成充电 过程的启动、运行、实时监控以及关闭，并可通过多 种通讯方式将数据实时传输至后台。主控板的主要 功能特点包括： 具备 6 个串口，一个以太网口，动态 的 SDRAM 控制器，NAND 控制器，以及多路 IO 口， 具备工业级的温度范围等［6］。 为了实时监测充电桩的运行状态，保证充电过 程的安全、可靠，设计了监控保护单元。监控保护单 元组成框图如图 2 所示。该单元对充电桩的进线输 入电压，充电输出电压、电流，充电接口连接状态，车 载电池管理系统状态，车载电池状态等进行实时监 测，一旦出现异常，能够及时切断电源输出，保护电 动汽车、电池及充电桩本身的安全。 1． 2 软件系统设计 1． 2． 1 系统工作流程 当电动汽车需要充电时，用户将充电卡放置刷 卡区，根据画面提示通过键盘进行相应操作，连接充 电接口，选择充电模式，启动充电过程。 在上述过程中，控制保护单元检测充电接口连 接状态，如果连接状态不正常，则无法启动充电。同 时，在充电过程中，显示区的充电指示灯点亮，监控 单元实时监测充电电压、充电电流、充电接口连接状 态、充电开 关 状 态 等，在 异 常 或 故 障 时 断 开 充 电 开
针对目前市场上电动汽车和充电设备接口不统 一、功能、性能设计标准不统一，质量良莠不齐的现
山东电力集团公司科技项目（ 编号： 2011A － 04） 国网公司科技项目（ 编号： SGKJ［16］） * 山东电力研究院 山东济南 250002 ＊＊ 山东鲁能智能技术有限公司 山东济南
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状，国家先后出台了一系列的规范和标准［5］。电动 汽车充电桩作为电动汽车充电的主要渠道，其性能、 工艺水平和质量直接影响到电动汽车的推广。因 此，非常有必要根据国家相关标准的要求，进行了电 动汽车充电桩的设计。电动汽车充电桩设计时，不 仅要满足电动汽车充电的基本功能，还需要强化充 电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性 能的设计。
doi： 10． 3969 / j． issn． 1672 － 9528． 2011． 06． 14
摘要 关键词
针对国内电动汽车充电桩规范化和标准化的需求，设计并实现了一种符合国网公司标准的 电动汽车智能充电桩。首先介绍了国内电动汽车充电桩的现状、需求，然后以国网公司标 准为设计原则，进行了硬件系统、主控板及监控单元的设计，采用了模块化设计原则进行了 软件系统的设计，针对充电桩恶劣工作环境进行了环境及电磁兼容设计。本充电桩已在山 东临沂、济南等众多充换电站运行使用，运行结果表明该装置安全、稳定、可靠，必将为电动 汽车的发展提供强有力的保障。 电动汽车 充电桩 硬件系统
电气设计时，采用防雷器，电路设计上采用压敏 电阻、瞬变抑制二极管、磁环、磁珠等措施，保证充电 桩在典型工业骚扰环境下正常工作。 2 项目实施情况
本项目开发完成的电动汽车充电桩，于 2010 年 12 月 27 日通过了电力工业电力系统自动化设备质 量检验测试中心的型式试验； 目前，本项目已通过有 关专家的鉴定，并在山东临沂焦庄充电站、义堂充电 站，山东济 南 英 贤 充 电 站、葛 家 庄 充 电 站 等 推 广 应 用，得到一致好评。现场应用图片如图 5 所示。
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块、后台通讯模块、远程通信模块等功能模块。其主 要功能框图如图 4 所示。
图 4 软件系统功能框图 当软件系统启动时，主控程序根据系统配置文 件加载程序配置信息，并根据配置信息完成各通信 模块的加载。软件平台强大的多线程处理能力，主 控程序能够轻松的完成与各通信模块的交互。主控 程序通过各模块通信能够完成用户信息采集与展 示、实时数据采集与展示、充电流程控制、计量计费 功能等功能，同时该主控程序还具备后台通信功能， 能够把充电过程中的实时数据、充电记录等信息上 送到远方后台系统。 人机交互模块设计时，界面显示单元显示的内 容非常丰富，其中主要界面有欢迎界面、连接确认界 面、充电参数设定界面、启动充电界面、充电界面、停 止充电界面、结账界面、打印界面等。人机交互模块 通过与主控模块的交互，获取控制命令完成界面切 换； 获取用户信息与实时数据信息并进行信息展示。 安全模块由带安全存取模块（ SAM） 的读卡器， 密钥管理系统，数据加密、解密模块组成。带安全存 取模块（ SAM） 的读卡器采用硬件加密技术，对用户 卡与充电桩数据交互过程中所使用的临时变量进行 加密处理，并对传递过程进行线路加密，保证了用户 卡与充电桩进行数据交互的过程中，信息不会被外 界窃取。密钥管理系统的主要功能是提供各种密钥 的生成机制和加密算法，并将生成的密钥存储在具 有密钥导 出 功 能 的 CPU 智 能 卡，即 SAM （ Security Access Module） 卡中。数据加密模块用于把用户数 据按照事先约定的加密方式加密并存储在用户卡的 用户数据区域。解密模块用于将读取的用户卡数据 还原为原始数据并进行相关的用户识别，扣费等操 作。 1． 3 环境及电磁兼容设计
1 电动汽车充电桩设计
本项目设计的电动汽车智能充电桩依据《NB / T 33002 － 2010 电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q / GDW 485 － 2010 电动汽车交流充电桩技术条件》、 《Q / GDW 478 － 2010 电动汽车充电设施建设技术导 则》、《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意 见》相关要求进行设计。该产品在满足相关标准对 电动汽车充电桩的技术要求基础上，强化了充电桩 电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的
桩浅析［J］． 农村电工，2010． 9
桩的技术水平和实用化水平，有力的推动了电动汽 ［7］ 崔玉峰，杨晴，张林山，王骏． 国内外电动汽车
车充电行业的发展。
发展现状及充电技术研究［J］． 云 南 电 力 技
术，2010，2
［8］ Scotland WWF． The Role of Electric Vehicles in
图 3 充电桩软件系统主程序流程图
1． 2． 2 功能模块设计 充电桩软件设计时采用了模块化的编写原则，
这样既能保证电动汽车充电桩软件系统高效可靠的 运行，又能使该软件系统具有良好的扩展性，对产品 升级换代具有非常重要的意义［6 － 7］。
按充电桩软件系统的功能可以把系统分为主控 模块、人机交互、读卡器模块、计量计费模块、打印模
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设计，增加了视频拍照、微型热敏打印、无线组网等 功能。 1． 1 硬件系统设计
电动汽车充电桩硬件系统主要由主控板、监控 板、IC 卡读写器、数字电表、移动通信模块、触摸屏、 指示灯、按键等组成。硬件系统的硬件组成如图 1 所示。
关，并报警。
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图 2 监控单元组成框图
图 5 临沂焦庄充换电站现场照片 充电桩操作界面如图 6 所示。 3 结论 本充电桩严格遵守国网公司相关标准，并根据 电动汽车产业发展的规划和发展方向，研制了一种
信息技术与信息化 自动控制
稳定、可靠、安全、实用的电动汽车智能充电桩。运 ［6］ 齐文炎，霍明霞，杨延超． 电动汽车交流充电
行结果表明，本充电桩的使用提高了电动汽车充电
Keywords Electric vehicle Charging pile Hardware system
随着国家新能源战略的推动和电动汽车行业的 发展，电动汽车充电行业的发展非常迅速［1 ～ 2］。目 前，我国电动汽车充换电设施试点工程已建成并投 运 87 座标准化充换电站、5179 台充电机和 7031 台 交流充电桩，覆盖全国 26 个省市，杭州初步建成电 动汽车充换电服务网络。充换电站及充电桩数量已 居世界第一，我国成为世界上电动汽车充电装置最 多的国家［3 ～ 4］。为适应电动汽车发展要求，国家电 网将在“十二五”期间建设充换电站 2351 座，充电 桩 22 万个，初步建成覆盖公司经营区域的智能充换 电服务网络。
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