楊曉偉，張曉芃，姚連達(dá)

（山東科技大學(xué)，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

近年來，全國各地市火災(zāi)事件頻繁發(fā)生。由火災(zāi)等事故造成的財產(chǎn)和公共設(shè)施建設(shè)等損失不計其數(shù)?；馂?zāi)事件中有相當(dāng)一部分比例是居民在家使用電動車充電裝置不當(dāng)而引發(fā)的。隨著人們生活水平的日益提高，機(jī)動車的代步出行成為當(dāng)今時代的主流方式，但越來越多的環(huán)境污染問題也接踵而至，機(jī)動車尾氣排放量超標(biāo)的整治成為一大重點(diǎn)難題。因此，為了提高城區(qū)環(huán)境質(zhì)量、優(yōu)化城市生活環(huán)境，以電動車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保的智能共享電動車未來將是我國乃至全球發(fā)展的一個趨勢。研究一款現(xiàn)代化的智能共享電動車充電裝置系統(tǒng)，將其安裝于小區(qū)、單位或公共停車棚，對車主自主選擇隨時給電動自行車充電、城市環(huán)境問題的緩解和綜合治理以及電動車的普及發(fā)展等均具有良好的實(shí)際意義和實(shí)用價值。

1 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

1.1 光伏電能的存儲與變換

對于智能共享電動車充電裝置的電源存儲問題，擬采用光伏電能進(jìn)行存儲。其實(shí)現(xiàn)的基本思想為采用交-交電流變換器（即矩陣變換器）實(shí)現(xiàn)DC-AC的電路轉(zhuǎn)換，并在改變換器的輸入端IN和輸出端OUT設(shè)置LC濾波器，從而增強(qiáng)電路的抗干擾能力。矩陣變換器的輸入側(cè)和輸出側(cè)均采用較小的LC濾波器，變壓器工作在高頻狀態(tài)，主電路的雙向開關(guān)由IGBT和二極管組成[1]。

1.2 穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計

對智能共享電動車充電裝置穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計擬采用STM32F103RBT6單片機(jī)作為核心部件?；赟TM32F103RBT6單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的整體設(shè)計，進(jìn)而進(jìn)行智能充電裝置各個子模塊的詳細(xì)功能控制?；诖?，其基本實(shí)現(xiàn)思想為在每一個VDD和VSS之間接一個100 nF的高頻瓷介去耦電容。VDD與VDDA由同一個電源供電。此外，為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，連接位置需要盡量靠近芯片。VBAT接3.3 V電池，作為備用電源接口。VBAT的作用是保證RTC的正常運(yùn)作，維系后備寄存器數(shù)據(jù)的內(nèi)容儲備。

1.3 光伏發(fā)電電路設(shè)計

針對于智能共享電動車充電裝置的光伏發(fā)電電路設(shè)計，在章節(jié)1.1中已經(jīng)簡單介紹了矩陣轉(zhuǎn)換器的工作原理，其電能采集裝置的設(shè)計擬采用光伏電源采集系統(tǒng)，而本文所設(shè)計的光伏電源采集系統(tǒng)主要選用太陽能發(fā)電裝置采集電能，其發(fā)電裝置主要包括矩陣變換器DC-AC、光伏電池陣列、基于STM32F103RBT6的穩(wěn)態(tài)控制電路以及基于此設(shè)計的驅(qū)動電路和信號采集電路。光伏系統(tǒng)原理如圖1所示。該裝置中的光伏陣列將收集的電子信號信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換器后在微處理器部分進(jìn)行內(nèi)核計算，計算算法擬采用最優(yōu)梯度算法來確定PWM模塊脈沖寬度。輸出PWM脈沖信號后，在驅(qū)動電路模塊進(jìn)行電流的驅(qū)動運(yùn)輸以及MOSFET驅(qū)動開關(guān)內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)整個驅(qū)動模塊的整體銜接，保證光伏系統(tǒng)的整體有效運(yùn)行。

圖1 光伏系統(tǒng)原理圖

1.4 儲能蓄電池充放電電路設(shè)計

在智能共享電動車充電裝置的儲能蓄電池充放電的電路設(shè)計中，其儲能裝置通過雙向DC-DC變換器調(diào)控采集的能量，使得電能可以雙向流動。雙向DC-DC變換器是實(shí)現(xiàn)儲能電池充放電的主要功能裝置，通過雙向DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)儲能蓄電池組和直流母線之間的能量流動，達(dá)到局部儲能蓄電池和整體光伏電源系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。

1.5 DC-DC變換器的工作原理

太陽能充電站電池中具有48 V的端電壓和400 V的中間電路電壓。由于這兩個電壓之間的差異相對較大，導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定，因此需要隔離的雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器。電路中的變壓器可防止噪聲，IGBT全局電路的開關(guān)電路比MOSFET更好地滿足了設(shè)計系統(tǒng)的要求。通過調(diào)節(jié)控制信號的相位偏差可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器的IGBT開關(guān)過程會產(chǎn)生循環(huán)能量，對于相移控制可用于實(shí)現(xiàn)零電壓，減少傳輸過程中的功率損耗以及提高IGBT的開關(guān)速度。相移控制過程就是實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，并且充放電的能量傳遞一致，開關(guān)平穩(wěn)，以保證充電和放電之間的功率傳遞是恒定的[2]。

1.6 定時充電系統(tǒng)設(shè)計

共享電動車的驅(qū)動能源來自蓄電池，當(dāng)蓄電池的電量低時，則要通過充電器對蓄電池進(jìn)行電量補(bǔ)充。然而，蓄電池使用時間較長后質(zhì)量有所下降。在充電過程中，可能出現(xiàn)“充不滿”現(xiàn)象，由蓄電池溫度過高導(dǎo)致安全隱患。本裝置主要在不改變電動車充電器電路結(jié)構(gòu)的情況下為其增加定時裝置，可同時為多臺電動自行車充電。既可以輸出直流電直接為電池充電，也可以輸出220 V交流電由用戶充電器充電。通過設(shè)置可以按時間充電也可以按充電量充電，以便“充到規(guī)定時間”即關(guān)閉充電器的工作電源，防止因蓄電池過熱造成安全隱患。這需要一套完善的測控系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)不同充電方式的選擇與控制，又可以實(shí)現(xiàn)對功率電源部分的保護(hù)與控制[3]。定時充電系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

本項目設(shè)計的定時裝置能啟動定時裝置、關(guān)閉定時裝置、設(shè)定“定時時間”以及顯示“定時時間”（含“已充電時間”和“剩余充電時間”）。此外，定時精度高且能以訊響的方式提示開關(guān)機(jī)或其他報警。

圖2 定時充電系統(tǒng)設(shè)計

定時充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括處理器、電源、時間設(shè)定、定時啟/?？刂?、訊響報警、時間顯示以及繼電器等功能電路[4]。

2 共享電動車智能充電服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計

共享充電裝置的盛行普及，除硬件支持外還需要軟件服務(wù)的支撐。因此，對于智能共享電動車充電裝置需要使用軟件服務(wù)進(jìn)行運(yùn)營管理。依照共享充電裝置系統(tǒng)的特點(diǎn)，依托系統(tǒng)中移動端APP與充電樁產(chǎn)生的信息資源，來構(gòu)建延伸至充電樁內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，依照客戶人群的需求搭建基于充電樁裝置的服務(wù)系統(tǒng)，并提供資源共享、靈活互動、管控有力的共享電動車充電服務(wù)與管理手段從而開發(fā)出合適的APP，使軟件更加簡易化和便捷化。

2.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計

共享電動車智能充電服務(wù)系統(tǒng)由智能自助充電云服務(wù)器、智能充電樁系統(tǒng)以及手機(jī)客戶端系統(tǒng)三大部分組成。各子系統(tǒng)分別面向不同的業(yè)務(wù)層及對象完成系統(tǒng)賦予它們的任務(wù)。系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)

2.2 云端服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)服務(wù)層用于滿足目前和未來的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，采用對外發(fā)布服務(wù)接口和提供web服務(wù)兩種方式實(shí)現(xiàn)。移動終端APP基于業(yè)務(wù)應(yīng)用層統(tǒng)一服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)用戶與云終端的互操作具體邏輯功能及業(yè)務(wù)流程分層。

2.3 智能充電手機(jī)客戶端APP設(shè)計

對于該系統(tǒng)的客戶端設(shè)計，作為共享充電裝置系統(tǒng)的重要前端，客戶端的設(shè)計是人機(jī)交互的重要媒介，是客戶群體使用參與該服務(wù)的主流接口。擬采用的系統(tǒng)APP使用C/S體系進(jìn)行前端結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計，通過JAVA語言進(jìn)行編程，為后臺業(yè)務(wù)邏輯處理提供基本保證。APP并不與充電樁直接相連，而是通過系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行指令的處理和管控。其優(yōu)點(diǎn)在于云服務(wù)器端可提供精確的地圖導(dǎo)航和定位服務(wù)等功能，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域和不同時間段內(nèi)各個充電裝置的協(xié)同運(yùn)作，保障共享充電裝置數(shù)據(jù)更新的實(shí)時性。APP提供充電樁狀態(tài)顯示、充電業(yè)務(wù)預(yù)約、充電狀態(tài)查詢、客戶用戶賬戶余額以及用戶信息等各類相關(guān)業(yè)務(wù)的查詢控制功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 結(jié) 論

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的轉(zhuǎn)型，智能電動車為在整體發(fā)電結(jié)構(gòu)中引入更高比例的可再生能源提供了一個切實(shí)可行的機(jī)會。由于人們中短距離出行日益增加，電動車充電相比較于汽車而擁有更小電力需求，故通過可再生能源來實(shí)現(xiàn)共享電動車的充電更為便捷、簡易以及環(huán)保。本文所述的智能共享電動自行車充電裝置采用光伏電能的存儲與變換、光伏發(fā)電電路、儲能蓄電池充放電電路、定時充電系統(tǒng)、云端服務(wù)器架構(gòu)等模塊實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的電路抗干擾能力，更高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度，實(shí)現(xiàn)了整個驅(qū)動模塊的整體銜接，達(dá)到局部儲能蓄電池和整體光伏電源系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作。同時，采用的大數(shù)據(jù)人工智能平臺也可實(shí)時監(jiān)控充電狀態(tài)，確保不會因?yàn)檫^度充電或電壓過強(qiáng)導(dǎo)致電瓶損壞引起火災(zāi)，也可為事故發(fā)生后的火災(zāi)事故調(diào)查提供科學(xué)的依據(jù)。