基于Arduino 的智能共享充電系統的設計與實現

李潔 李亞飛 劉乙

(國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇蘇州，215004)

0引言

19世紀末以來，汽車工業的發展對人類社會的發展產生了重大影響[1]。有關數據顯示，2024年全球汽車產量將達到7761萬輛，2024年全球電動汽車保有量將超過3100萬輛，新能源汽車取代傳統能源汽車已經成為一種趨勢[2-3]。大規模、多數量場景的電動汽車充電會面臨諸多問題，例如電池型號的適配、充電樁用戶信息共享等等，都影響著電動汽車的充電安全性和充電效率[4]。本文提出了基于Arduino的智能共享充電系統，通過分段式充電策略和電池管理系統提高充電效率。測試表明，本系統能夠快速響應充電申請，進行高效安全充電，同時可以容納多用戶的并發請求，有效解決了大規模、多數量場景的電動汽車充電問題。

1 整體方案設計

如圖1所示，智能充電系統主要由智能充電、防盜報警和計費管理三大模塊構成。智能充電模塊通過充電控制算法，對電池型號進行識別，對充電過程進行控制，保證充電安全，并與控制中心進行用戶數據交互。防盜報警模塊通過識別充電時的異常情況（例如，充電槍非正常拔出等），進行斷電處理和信息上報。計費管理模塊通過電量統計計算充電費用，并通過無線射頻識別（RFID）自動識別車輛所屬的用戶信息進行付費。

圖1 整體方案功能圖

2電池快速充電算法

2.1電池快速充電原理

蓄電池可接受的最佳充電電流特性曲線隨時間的延長呈指數遞減[5]，表達式如下：

圖2 蓄電池最佳充電電流特性曲線

為了實現最高效率的充電，馬斯發明了三定律[6-7]。馬斯三定律成為快充技術的理論基礎，其表達式如下：

2.2充電方法設計

目前市面上比較成熟的主流充電方法主要有四種，分別是恒流充電法、恒壓充電法、脈沖充電法以及反射式充電法[8-9]，其優缺點如表1所列。

表1 主流充電方法比較

本論文提出的充電管理算法通過融合電池管理系統（BMS）對各類電池信息，包括電力類型、容量以及電池健康狀況（SOH）等進行上傳，在充電數據庫中將上述參數準確代入，并與當前電池對應的標準充電曲線進行計算，最終生成三段式充電模式。當電池剩余容量（SOC）小于15%時，采用小電流恒流充電模式；當SOC 在15% ～85%時，采用分段橫流充電；當電池SOC 大于85%時，采用恒壓脈沖充電。在充電過程中，通過BMS 并根據充電數據庫中的值與電池實時的電壓電流狀態計算獲得電流、電壓值。分段式充電策略曲線如圖3 所示。

圖3 分段式充電策略曲線

2.3軟件功能設計

2.3.1充電控制端設計

軟件系統的主要功能是接收用戶輸入，評估是否正確進行適當的操作，與控制中心進行通信和交互，并將電氣信息發送回充電控制器收集的能量到控制中心。系統上電后會執行信息獲取程序，向上位機發送指令，上位機接收指令后進行處理，然后將數據信息通過下位機傳遞給用戶，因此可以獲取充電線路上的電流信息。充電控制端的設計流程如圖4所示。

圖4 充電控制端的設計流程圖

2.3.2控制中心端軟件設計

上電后，控制中心循環運行程序，持續接收負載控制終端的信息輸入。當讀取到用戶當前的收費費用時，將會從用戶的賬戶中提取信息，完成整個計費流程，實現過程如圖5所示。

圖5 控制中心端軟件設計流程圖

3系統測試與應用分析

為了證明本文設計系統的有效性，筆者搭建了模擬停車場，并部署了智能共享充電系統，通過對測試數據的分析，驗證了智能充電系統在停車場中能夠對大規模、多數量場景的電動汽車進行充電管理。

3.1充電指令響應測試

充電指令響應測試的目的是驗證系統的用戶端、充電數據中心和充電控制端之間在不同并發數量下的應答響應正確率和信息準確率。實驗環境中設置了5臺充電樁作為控制終端，通過CAN（控制器局域網）總線與數據中心相連，數據中心的服務器通過Internet與一臺用戶終端進行通信。為了模擬批量用戶的操作請求，用戶終端將以軟件腳本的形式下發充電申請等指令，通過軟件腳本可以模擬多個用戶同時或者依次對充電樁下發指令，實現對系統的批量用戶操作的測試。5臺充電控制終端會預先設置好不同時間段的充電狀態信息，在接收到充電請求后，會將當前的充電狀態反饋給用戶界面，用戶界面將記錄下反饋的信息，并與預先設置的充電狀態進行比對，從而驗證系統交互的效率和準確率，如表2所列。

表2 快捷充電頁面請求結果

通過表2的測試結果可以看出，當用戶并發數量較少的情況下，系統的性能表現優秀，應答響應錯誤率為0，隨著并發請求數量的提高，應答響應錯誤率上升，在并發用戶數為5000個的條件下，應答響應錯誤率達到1.83%，但是信息對比錯誤率為0.00021%，接近于0，說明系統在高并發數量下仍能正確傳輸充電信息，系統性能表現良好。

3.2 充電啟動響應測試

充電啟動響應實驗的目的是測試充電樁在接收到充電指令后響應充電執行的啟動時間。實驗方法是記錄充電樁接收到充電指令的時間t1和電池進入充電模式的時間t2，計算t1和t2的時間差，獲得充電樁的啟動時間，本次實驗重復進行10000次指令下發，統計充電啟動時間，結果如表3所列。

表3 充電啟動時間結果

通過記錄10000次充電啟動時間，可以看到大部分的啟動時間在1s以內，少部分在1 ～1.5s的時間內。在重復10000次充電指令下發測試中，充電啟動時間大多數是集中在[0.4, 0.8]區間內，均值為0.6s，基本能夠滿足用戶的需求。用戶能夠在交互界面上實時查看充電的狀態，并且控制充電完成。

3.3 靜電抗干擾實驗

靜電對充電樁的影響較大，為了測試其靜電抗干擾能力，筆者使用靜電發生器對充電控制端進行靜電防護實驗[10]。實驗方法為使用充電樁給單體鋰電池進行充電。每次充電前將電池放電至電壓2.5V；采用分段式快充法充電直到電池電壓達到3.2V；記錄在不同時刻下的電池電量；同時對充電控制端的金屬機身進行5kV的靜電放電干擾，記錄其充電狀態變化，并且保障測試結果準確性；進行10次重復實驗，記錄將電池充滿電量的時長，進行比較。不同充電時間電池的電壓如表4所列。

實驗結果表明，10次靜電放電測試后，智能充電樁依舊可以正常充電，整個充電過程很順暢，沒有出現卡頓、死機等現象，并且充電狀態能夠實時反饋在用戶界面上。

通過對系統的多方位測試，可以驗證本論文提出的智能充電系統符合功能要求，性能穩定且操作方便，能夠滿足高并發條件下的充電管理需求，達到了預期的設計目的。

4 結束語

本設計將傳統停車場和自動化實時信息跟蹤設計結合在一起，針對當今常見的電動汽車成本管理問題提出了合理的解決方案。該智能充電系統分為用戶端、收費控制終端和控制中心終端。三者相結合，解決了監控用戶和汽車充電各類情況下的難題。該系統無需使用高成本的監控設備，具有成本低的特點。此外，采用無線射頻識別技術，當電動汽車停在停車場時，智能充電系統會自動識別并設置車輛及用戶信息，具有高度隨機性，確保系統的安全性。在支付方面，用戶可以通過實時通訊支付功能，更加便捷地于應用端實現在線充值，省去了傳統支付方式中繁瑣的支付過程。目前，大多數充電系統僅在硬件層面滿足用戶的充電需求，而無法達到便利性、低成本、高效性和安全性共存的要求[11]。這種基于物聯網核心技術的智能電動汽車充電管理系統解決了大部分此類問題，適合在日常生活中廣泛應用。