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一种新能源汽车充电桩预充值计费方法

一种电动汽车充电桩的预充值计费方法

摘要 在新能源汽车中，纯电动、插电式混合汽车目前为主要的动力形式，这类车辆都有共同的特点，需要对车辆进行充电。共用充电设施通常需要对充电进行计量并进行计费结算，本文尝试采用了一种预充值计费扣费的方法，在充电桩和汽车之间建立通讯链路，使充电桩可以识别汽车的动力要求、充电参数，并能够进行从汽车的预充值计费卡中扣除充电费用，从而实现充电过程的全程可控，方便充电服务实现自动化、智能化。
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关键词：新能源汽车，充电桩，预充值计费，电力载波（PLC）

A prepaid billing method for the electric vehicle charge pile

In the new energy vehicles, pure electric and plug-in hybrid cars as the main form of power at present, this kind of cars all have a common characteristic, need to charge to a vehicle.Common charging facilities often need to measure and charge for billing, this paper tries to adopt a kind of the preloaded deduction of billing methods, sets up a communication link between pile and car in charge, make charging pile can identify the auto power requirements, parameters, and can be deducted from the car the preloaded billing card charge fees, so as to realize controllable in the whole process of the charging process and convenient charging, automatic and intelligent service implementation.

Key Words: New energy vehicles, charging pile, prepaid, power line carrier(PLC)

引言：现有电动汽车充电桩分为不计费充电桩、计时计费充电桩和计量计费充电桩等几种形式。不计费的充电桩局限性很大，仅限于给有针对性的用户群体使用。计时计费只是粗略的根据充电时间长短收取费用，不能科学的计量，误差太大。计量计费的方式是比较精确计算用户使用量，并根据充电的电量来收取费用的，在计费方法上是更加公平合理的。
目前计量计费的充电过程是，启动充电并开始计量，充电结束后根据计量结果进行收费结算，可以是刷卡方式结算也可以是现金或者其他方式结算。但由于电动汽车的充电过程相对较长，中间的充电过程尚且做不到全程受控，多个环节仍然需要人工处理，难以实现智能化、自动化的控制和计费结算。本文尝试使用电力载波PLC技术实现充电桩和汽车之间通讯，实现整个充电过程受控，精确计量计费的一种计费方法。
（一）系统构成
本文中的预充值计费系统由两个部分构成，分别是：充电桩部分和车辆部分。充电桩部分和车辆部分使用充电电缆为介质，采用电力载波通讯技术进行实时通讯，这样可以在普通的三线单相交流电源插座上实现车辆和充电桩之间的相互通讯。对于新国标中，使用带有辅助电源和通讯弱电接口的充电枪，则不需要采用电力载波模块。图1是整个系统的原理框图。
图1系统构成的原理框图

1.充电桩部分
充电桩部分由充电适配器、辅助电源、信号分离器、计量和控制和智能化控制器构成，其功能如下：
1）电力适配器
电力适配器是从市电向车辆充电机所需要的电能进行转换的适配器。
2）辅助电源
辅助电源是在控制器控制充电设备向车辆提供电力输出之前，为车辆部分的车辆识别应答器（储值器）提供临时电源的。
3）信号分离器
信号分离器是将通讯信号从电力线缆上分离出来并和电力线网络隔离的，在发送通讯指令时将通讯信号合并到电力线上。
4）计量和控制
计量和控制是用来计量充电所消耗的能源总量，并且允许智能化控制器根据计费情况控制启动充电和终止充电过程的。
5）智能化控制器
智能化控制器是充电桩的核心部分，主要用来对车辆进行识别，有效的控制充电过程，并根据充电消耗的电量进行计费、扣费、结算。
2.车辆部分
车辆部分是配合原有充电电缆，完成车辆身份识别和应答，并且能够存储用户预交费金额、结算方式、结算明细信息的设备，主要由：电力适配器、信号分离器和车辆识别应答器（储值器）构成。
1）充电机
充电机有车载和非车载的区分，主要是将外部电力转换成电池组所需要的直流电压，并提供给车辆的充电电路完成充电的。
2）信号分离器
同充电桩部分类似，信号分离器是将通讯信号和电力线进行合成与分离的，同时有将通讯信号和电力网络隔离的作用。
3）车辆应答识别器
车辆部分的车辆识别应答器（储值器）作为充电管理的应答设备，主要负责同充电桩之间的身份验证、车辆类型识别，存储用户预充值明细、余额及充电扣费明细等信息。
（二）充电控制过程
当车辆充电电缆连接到充电桩时，充电桩并不向车辆输出动力电源，而是通过辅助电源提供给车辆应答识别器工作所需要的电源。车辆应答识别器开始和充电桩的智能化控制器进行通讯，确定该车辆是否能够在本充电桩进行充电，获取车辆充电所需要的动力要求等，并根据计费规则确定本次充电是合法的。在确定本次充电合法的情况下，充电桩通过计量和控制设备控制启动充电过程，向车辆输出合乎要求的动力电源。
充电过程中，智能化控制器实时的根据计量和控制设备的计量结果，进行费用计算，并且将数据传送到车辆部分的车辆应答识别器上，进行扣费操作。
一旦车辆应答识别器中的预充值余额不足或者充电电缆和充电插座分离，通讯中断时，则充电桩自动停止动力电源输出。
当用户结束充电过程，断开充电电缆的连接时，智能化控制器自动控制充电桩不再向外输出动力电源，完成一个充电过程。
整个充电过程，充电桩和车辆应答识别器保持着实时的通讯，并且将实时的计费金额从储值器内扣除。因此整个充电过程受控，不需要人工干预，充电开始和结束均不需要额外的人工操作，真正做到即插即用。
（三）实验情况
根据图1中的结构，分别设计了充电桩的部分和车辆部分的电路和控制程序，对系统的工作原理进行验证。
1. 充电桩部分
1）智能化控制器采用了STM32F103处理器配合4.3吋电容式触摸屏，完成整个充电过程的控制。
2）计量控制部分使用了通用的带有485接口的电表，和交流接触器，交流接触器开关受智能化控制器的控制。
3）辅助电源采用电容分压，对外提供小电流的交流电，在交流接触器开启之前，可以想歪提供车辆识别应答器临时工作的电源。
4）信号分离器由大功率的LC滤波网组成，可以将PLC电力载波信号从电力线上分离或合成到电力线上，并且阻止载波信号从电力线泄漏到市电网络上。
5）实验中不使用电力适配器，按照220v交流电提供给车辆的充电机。
2. 车辆部分
1）车辆识别应答器采用STC15W408AS作为处理器，256Kflash存储器作为外部存储，小功率宽输入范围的开关电源从电力线以获取工作电源，当充电桩对外不供电是，由辅助电源提供的电力可以确保STC15W408AS正常工作。
2）信号分离器和充电桩部分类似，可以将PLC电力载波信号有效的分离与合成。
3）本次实验充电机用其他用电设备替代。
3. 电缆及电力载波
本次实验中，使用单相交流电，模拟充电桩和模拟车辆之间使用标准的三线单相交流电力线缆，插座采用国际电工标准的三芯插座，电力载波选用了MI200EX电力载波芯片，具有过零发送能力，最大通讯速率为1600bps。
4. 控制程序流程
图2是充电桩的智能控制器和车辆识别应答器的程序流程。
充电桩程序流程 车辆识别应答器程序流程
图2充电桩智能控制器和车辆识别应答器程序流程

（四）实验结果
1．模拟充电桩接入市电，正常启动运行，模拟对外充电口插座无动力输出，仅由辅助电源可以对外提供不超过20ma的交流电流。
2．将模拟汽车充电部分使用标准三芯插座，接入模拟充电桩的动力输出插座（模拟充电口），充电桩部分的智能控制器正确读取车辆识别应答器信息，获取车辆类型和供电信息等，并确认是否可以提供动力输出。
3．对于合法的充电设备，智能控制器启动充电过程，通过模拟对外充电口向模拟车辆充电部分输出动力，不合法的用电器接入插座，则智能控制器控制不对外输出动力。
4．车辆部分的模拟充电机（其他用电器）获得动力电源，开始工作。
5．拔掉车辆部分的插座，模拟充电站的智能控制器通讯失败，尝试通讯后确认连接断开则停止对外输出动力。
6．对模拟充电桩上存储的数据进行提取，和实际模拟充电过程进行对比，可以有效的记录充电过程和充电电量以及计费、扣费金额。
7．对模拟车辆部分的车辆识别应答器存储器上数据进行提取，和实际模拟充电过程进行对比，可以有效的记录充电时间、充电时长、充电桩信息、计费费率、充电电量和扣费金额以及余额等数据。
8．重复模拟充电过程，均能够准确实现充电过程的工作和计费扣费，并存储扣费金额等数据，存储的数据将作为资金结算的依据。
（五）结论
本文以实验的方式验证了使用电力线载波通讯用于充电桩和汽车之间的通讯技术，在车辆端增加了和充电桩之间进行通讯的设备，用于充电桩对车辆的识别和认证，同时用于预充值计费。实验结果表明：
1． 基于电力载波的通讯技术，用于充电桩和车辆之间的通讯是完全可行的。
2． 车辆识别应答器和充电桩之间的配合，可以实现充电桩的智能化控制管理，对于不同的车辆类型和供电要求等，在充电桩如果有适合的电力适配器与之配合，则充电桩可以实现对不同动力要求的车辆进行充电。
3． 采用本文的方案，预充值计费扣费系统可以真正做到即插即用，可以有效杜绝盗电、盗充，使整个充电过程受控，计量计费和充电过程严格一致。
本文所讲述的方案，其缺点是必须在车辆端安装有车辆识别应答器，增加了设备成本。要实现本文的计费扣费模式，还必须有充值管理系统和后台实时在线的系统作为支持，同时在充电计费扣费后还需要有结算系统，完成每个充电桩和用户之间的实际资金结算。
作为一种新型的预充值计费方式，本文所述的方案完全可以替代现有比较流行的预充值卡，和使用充值卡在充电桩刷卡结算的方式。