電動汽車智慧共享充電系統的設計與探索

徐鴻杰　曲博　薛今超　李廷章　田彬

摘 要：針對當前電動汽車的充電難和充電安全問題，設計了一種智慧共享充電系統。該系統包含5個子系統17個功能模塊，通過“一樁多車”技術降低安裝成本，利用“全時段預約”提高充電設備的利用效率并降低閑置率，采用“智慧啟?！奔夹g提高充電過程的安全性，以及實現“自主充電”以達成無人值守的目標。模型實踐結果表明，該系統的使用可以降低電動汽車的充電成本，提高充電便利性，同時也可以減少充電安全事故的發生，推動電動汽車產業的發展。

關鍵詞：電動汽車 充電難 充電安全 智慧共享

1 引言

隨著全球氣候變化的嚴峻挑戰和“雙碳”目標的提出，我國新能源汽車產業在政策支持下取得了蓬勃的發展。目前，全國新能源汽車保有量已突破1000萬輛，其中純電動汽車占比高達80%。然而，充電設施作為電動汽車的重要配套基礎設施，卻遠遠不能滿足電動汽車車主的使用需求。在充電過程中，過熱、爆炸、著火等安全事故時有發生，這使得“充電難”、“充電安全”問題成為了影響消費者購買意愿的重要因素。

為了解決“充電難”的問題，眾多車企提出了三類解決方案：增加續航里程、開發超級快充、建設換電站。然而，這些方案普遍存在投入大、研發難、使用成本高等問題。政府和社區主要采取安裝個人充電樁、建設公共充電停車場的方式，這在一定程度上緩解了充電緊張的局勢。但是，小區容量不足、安裝困難以及公共充電場建設周期長、投入大等問題仍然存在。更為重要的是，已安裝好的充電樁普遍存在較高的閑置率，這成為了眾多學者和企業關注的熱點問題。為了解決“充電安全事故”，使用者需要正確操作充電設備，管理人員需要定期檢查設備的安全性能，并使用符合標準的充電設備。此外，還應遵守充電設備和電動汽車的使用說明書，避免過載充電、長時間無人看管等不安全行為。然而，這些措施仍然難以解決電動汽車長時間充電帶來的危害。

鑒于此，本文提出了一種智慧共享安全充電系統。該系統能夠在充分發揮已建充電樁的使用效率的同時，有效解決過充問題，從而在一定程度上解決電動汽車的充電難和充電安全問題。

2 系統原理及設計

2.1 系統工作原理

為了實現充電樁的多車位、任意時段、智慧共享、過充保護等功能，設計了一種全新的電動汽車智慧共享安全充電系統，其工作原理如圖1所示。用戶可以通過手機端進行預約，之后充電設備會自動移動到目標車位，對目標車位進行自動充電。當電池充滿電或預約時段結束后，充電設備會自動復位。同時，根據系統監測指令，充電樁會前往下一個用戶預約的車位，并循環執行上述操作。

2.2 系統構成

為實現系統目標，設計的電動汽車智慧共享安全充電系統包含了用戶、移動、定位、充電和控制五個子系統，其具體構成如圖2所示。

2.2.1 用戶子系統

主要用于管理用戶信息，包括登錄驗證、車位和時段查詢、充電預約、繳費等信息管理，該子系統可以通過APP、小程序或網頁等方式實現。其包含四個功能模塊：

（1）登錄模塊：用于收集和存儲用戶個人信息，包括用戶名、聯系方式、車輛信息以及支付方式等。

（2）查詢模塊：允許用戶查詢空閑車位和充電樁情況，也可以查詢充電樁的空閑時段以及實時充電狀態。

（3）預約模塊：允許用戶預約所需的充電時長、充電量以及充電金額，并可預約具體的充電時段。

（4）繳費模塊：用于在充電完成后自動生成賬單并進行支付。

2.2.2 移動子系統

主要用于實現充電設備的移動，可以通過XY軸平移的方式進行。其可以由三相動力電機配合2040型標準導軌，組成基本移動導軌，并提供系統動力。該子系統包含以下三個功能模塊：

（1）導軌模塊：由系統XY軸構成，使機械臂能夠通過導軌移動到指定位置。

（2）齒輪模塊：固定在導軌XY軸的交點處，起到動力分配的作用。

（3）動力電機模塊：固定在導軌上并與齒輪相連接，為整套移動子系統提供動力來源。

2.2.3 定位子系統

輔助移動設備定位到目標車位、充電設備定位充電車輛和充電口位置。當用戶掃描停車位二維碼后，工控系統會調動機械臂通過滑軌移動到指定車位，并激活單目視覺識別模塊來識別車輛的充電口位置，控制機械臂移動至充電口，完成充電準備工作。該子系統包含以下四個功能模塊：

（1）車輛定位模塊：根據用戶掃描的二維碼所設定的車位，將機械臂移動至相應的停車位。

（2）車輛識別模塊：當機械臂移動至停車位后，激活置于機械臂前方的攝像頭進行車牌號識別。

（3）充電口定位模塊：車輛識別無誤后，工控系統調動機械臂啟動單目視覺識別模塊，對車輛的充電口進行識別，控制機械臂移動至充電口，完成充電準備工作。

（4）機械手臂模塊：用于模擬手動充電的過程。工控系統通過滑軌移動后進行車輛充電口的精準定位。

2.2.4 充電子系統

當定位子系統對接無誤后，機械臂的發射端會嘗試與車載接收端模塊進行通信，獲取車輛剩余電量和VIN碼等信息后反饋至工控配電箱。根據VIN碼，配電箱會下發充電電流電壓等方案，并結合用戶在用戶子系統中設定的閾值電量和充電時間等進行充電作業。該子系統包含以下三個功能模塊：

（1）發射端模塊：固定在機械臂的前端，與配線箱連接，并通過無線線圈與接收端線圈構成回路。

（2）接收端模塊：安裝在車輛的充電接口處，其中的線圈固定在保護蓋之內。當識別到發射端的線圈后，開始進行充電作業。

（3）通信模塊：負責在發射端和接收端之間進行信息交互，獲取車輛剩余電量和VIN碼等信息后反饋至工控配電箱，并根據這些信息以及用戶預設的閾值電量和充電時間等執行充電作業。

2.2.5 控制子系統

在系統安裝的停車場內，每個停車位都配備有獨立的二維碼。用戶通過掃描二維碼進入交互頁面后可以在用戶子系統中設定充電信息。這些信息會通過網絡上傳至服務器中，并根據停車場設備的運行情況和用戶的參數要求，在目標時間下發至停車場工控系統中，以調動智慧共享安全充電系統完成充電任務。該子系統包含以下三個功能模塊：

（1）二維碼模塊：將用戶通過小程序設定的信息轉化為二維碼，用戶掃描后可進入交互頁面并聯動用戶子系統。

（2）服務器模塊：采用租賃的方式部署在云端，負責將用戶手機端與設備工控端進行鏈接，并根據用戶預設參數來下發指令至本地工控系統，構成系統的閉環控制。

（3）工控模塊：部署在設備配電箱中，用于接收服務器指令并與移動子系統、定位子系統和充電子系統實時通信，保障系統能夠按照用戶的指令正常運行。同時，它還負責監測設備的運行狀態，并在發生漏電等突發事故時自動控制電力斷開以保障安全。

3 系統實踐與探索

為驗證方案的可行性，我們以圖3商超的公共停車場為例，布設智慧共享安全充電系統。在圖中，紅色橫條代表移動導軌，綠色方塊代表可移動的充電裝置。該停車場共有6個區域，可容納52輛車。如果采用智慧共享充電系統，只需鋪設6條導軌并安裝6個或7個共享充電裝置，便能夠實現為全部車位的車輛進行充電，與傳統每個停車位安裝一個充電樁相比，極大地降低了建設成本。

3.1 功能實現

3.1.1 用戶子系統

在每個停車位處，我們都設置了二維碼。用戶只需掃描這個二維碼，就可以使用相關的查詢、預約等功能。掃描的結果如圖4所示。

3.1.2 移動子系統

在停車場的地面上，我們采用了卡槽導軌進行固定，并使用了2040型鋁材和兩相混合式42步進電機17HS4401S組合而成。通過該子系統，機械臂可以移動到預定的充電車位進行充電作業，同時也能起到底部固定的作用。

3.1.3 定位子系統

定位子系統包含停車位定位、車輛定位和充電口定位。停車位定位采用了工控系統，系統會根據用戶預約的車位自動計算距離目標的距離，然后按照命令在導軌上水平移動。車輛定位主要采用了四自由度機械臂，模型的主體框架是由復合型亞克力板制作而成，控制方向和完成動作的是模擬舵機，而整體的控制則是由STM32控制板來完成。機械臂的效果圖如圖5所示。充電口定位主要采用了攝像頭單目識別模塊，安裝在機械臂的頭部上方。我們采用了OV7670系列硬件識別方案，并配合預設程序將視覺圖片轉為數字信號。這樣就可以識別車輛的充電區域，并調動機械臂對接以便后續的充電作業達到最佳位置。

3.1.4 充電子系統

我們的模型使用了無線充電模式，包括發射端和接收端。無線充電模塊的發射端被安裝在了機械臂的前方，使用的是等比例縮小的線圈模擬。當進行充電作業時，通過機械臂以及視覺識別模塊的聯合調動，使其對準車載無線充電的接收端后，進行電路鏈接并構成回路。無線充電模塊的車載端則被安裝在車輛的充電接口上，固定在車輛的頂部。這個部分主要用來讀取車輛數據并與充電系統進行交互以及電量的接收。通過聯動工控系統，充電協議和充電方案得以確定?？紤]到目前大多數車輛并未配備無線充電接收元件，我們設計了一個解決方案：用戶在掃碼預約時可以從智能柜領取一個充電模塊，直接插在充電口即可。我們相信，隨著方案的成熟和推廣，越來越多的電動汽車將在出廠時配備無線充電器件，或者在后期進行增配安裝。

3.1.5 控制子系統

我們的控制子系統是與系統的電力部分連接的，通過物聯網與服務器進行外部通訊。模型中使用了esp8266局域網內控制的方式，用戶使用手機端便可以進行整套系統的操控。掃碼后按照要求設定，系統會自動進行充電作業。

3.2 實物模型實踐

模型實物圖和部分重要模塊實物照片見圖6-11所示。

4 系統優點

4.1 “一樁多車”，降低安裝成本

智慧共享系統打破傳統“一車一樁”模式，將固定的充電樁形態轉變為移動式。這一變革極大地減少了充電樁的安裝和使用成本，同時提高了充電樁的利用效率。

4.2 “全時段預約”，降低設備閑置率

智慧共享系統打破了傳統的“蹲守”充電模式，實現了電量、時長、費用等多種形式的充電選擇，更實現了空閑時段的智能預約。用戶在停車時無法充電，可以選擇當前車輛充滿或停止后的空閑時段進行充電，這樣真正實現了充電樁的高效利用，降低了設備的閑置率，同時提高了投資收益。

4.3 “智慧啟?！?，提高安全性

智慧共享系統可以根據實際使用情況選擇充電方案，當到達閾值后，系統會自動斷電并移走充電器。這種設計有利于降低電池循環次數，保持電池包處在最佳工作狀態和高容量，從而提高安全性。

4.4 “自主充電”，無人值守

智慧共享系統在設計之初就以便捷充電為主要設計目標。利用高度集成的工控系統、視覺識別以及電量通信傳感器等技術，在硬件方面已經達到了“無人值守”的標準。同時，通過手機端和服務器的托管控制，可以實現“自動操作、無人干預”的效果，真正意義上實現了自動化智能充電。

5 結語

智慧共享系統是一種創新的充電解決方案，通過“一樁多車”技術降低安裝成本，利用“全時段預約”提高充電設備的利用效率并降低閑置率，采用“智慧啟?！奔夹g提高充電過程的安全性，以及實現“自主充電”以達成無人值守的目標。該系統不僅提高了充電的便捷性和效率，同時也注重了成本效益和安全性，是一種全面且實用的充電解決方案。

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目（項目編號202310356007X）。

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