电动汽车智慧共享充电系统的设计与探索

徐鸿杰　曲博　薛今超　李廷章　田彬

摘 要：针对当前电动汽车的充电难和充电安全问题，设计了一种智慧共享充电系统。该系统包含5个子系统17个功能模块，通过“一桩多车”技术降低安装成本，利用“全时段预约”提高充电设备的利用效率并降低闲置率，采用“智慧启停”技术提高充电过程的安全性，以及实现“自主充电”以达成无人值守的目标。模型实践结果表明，该系统的使用可以降低电动汽车的充电成本，提高充电便利性，同时也可以减少充电安全事故的发生，推动电动汽车产业的发展。

关键词：电动汽车 充电难 充电安全 智慧共享

1 引言

随着全球气候变化的嚴峻挑战和“双碳”目标的提出，我国新能源汽车产业在政策支持下取得了蓬勃的发展。目前，全国新能源汽车保有量已突破1000万辆，其中纯电动汽车占比高达80%。然而，充电设施作为电动汽车的重要配套基础设施，却远远不能满足电动汽车车主的使用需求。在充电过程中，过热、爆炸、着火等安全事故时有发生，这使得“充电难”、“充电安全”问题成为了影响消费者购买意愿的重要因素。

为了解决“充电难”的问题，众多车企提出了三类解决方案：增加续航里程、开发超级快充、建设换电站。然而，这些方案普遍存在投入大、研发难、使用成本高等问题。政府和社区主要采取安装个人充电桩、建设公共充电停车场的方式，这在一定程度上缓解了充电紧张的局势。但是，小区容量不足、安装困难以及公共充电场建设周期长、投入大等问题仍然存在。更为重要的是，已安装好的充电桩普遍存在较高的闲置率，这成为了众多学者和企业关注的热点问题。为了解决“充电安全事故”，使用者需要正确操作充电设备，管理人员需要定期检查设备的安全性能，并使用符合标准的充电设备。此外，还应遵守充电设备和电动汽车的使用说明书，避免过载充电、长时间无人看管等不安全行为。然而，这些措施仍然难以解决电动汽车长时间充电带来的危害。

鉴于此，本文提出了一种智慧共享安全充电系统。该系统能够在充分发挥已建充电桩的使用效率的同时，有效解决过充问题，从而在一定程度上解决电动汽车的充电难和充电安全问题。

2 系统原理及设计

2.1 系统工作原理

为了实现充电桩的多车位、任意时段、智慧共享、过充保护等功能，设计了一种全新的电动汽车智慧共享安全充电系统，其工作原理如图1所示。用户可以通过手机端进行预约，之后充电设备会自动移动到目标车位，对目标车位进行自动充电。当电池充满电或预约时段结束后，充电设备会自动复位。同时，根据系统监测指令，充电桩会前往下一个用户预约的车位，并循环执行上述操作。

2.2 系统构成

为实现系统目标，设计的电动汽车智慧共享安全充电系统包含了用户、移动、定位、充电和控制五个子系统，其具体构成如图2所示。

2.2.1 用户子系统

主要用于管理用户信息，包括登录验证、车位和时段查询、充电预约、缴费等信息管理，该子系统可以通过APP、小程序或网页等方式实现。其包含四个功能模块：

（1）登录模块：用于收集和存储用户个人信息，包括用户名、联系方式、车辆信息以及支付方式等。

（2）查询模块：允许用户查询空闲车位和充电桩情况，也可以查询充电桩的空闲时段以及实时充电状态。

（3）预约模块：允许用户预约所需的充电时长、充电量以及充电金额，并可预约具体的充电时段。

（4）缴费模块：用于在充电完成后自动生成账单并进行支付。

2.2.2 移动子系统

主要用于实现充电设备的移动，可以通过XY轴平移的方式进行。其可以由三相动力电机配合2040型标准导轨，组成基本移动导轨，并提供系统动力。该子系统包含以下三个功能模块：

（1）导轨模块：由系统XY轴构成，使机械臂能够通过导轨移动到指定位置。

（2）齿轮模块：固定在导轨XY轴的交点处，起到动力分配的作用。

（3）动力电机模块：固定在导轨上并与齿轮相连接，为整套移动子系统提供动力来源。

2.2.3 定位子系统

辅助移动设备定位到目标车位、充电设备定位充电车辆和充电口位置。当用户扫描停车位二维码后，工控系统会调动机械臂通过滑轨移动到指定车位，并激活单目视觉识别模块来识别车辆的充电口位置，控制机械臂移动至充电口，完成充电准备工作。该子系统包含以下四个功能模块：

（1）车辆定位模块：根据用户扫描的二维码所设定的车位，将机械臂移动至相应的停车位。

（2）车辆识别模块：当机械臂移动至停车位后，激活置于机械臂前方的摄像头进行车牌号识别。

（3）充电口定位模块：车辆识别无误后，工控系统调动机械臂启动单目视觉识别模块，对车辆的充电口进行识别，控制机械臂移动至充电口，完成充电准备工作。

（4）机械手臂模块：用于模拟手动充电的过程。工控系统通过滑轨移动后进行车辆充电口的精准定位。

2.2.4 充电子系统

当定位子系统对接无误后，机械臂的发射端会尝试与车载接收端模块进行通信，获取车辆剩余电量和VIN码等信息后反馈至工控配电箱。根据VIN码，配电箱会下发充电电流电压等方案，并结合用户在用户子系统中设定的阈值电量和充电时间等进行充电作业。该子系统包含以下三个功能模块：

（1）发射端模块：固定在机械臂的前端，与配线箱连接，并通过无线线圈与接收端线圈构成回路。

（2）接收端模块：安装在车辆的充电接口处，其中的线圈固定在保护盖之内。当识别到发射端的线圈后，开始进行充电作业。

（3）通信模块：负责在发射端和接收端之间进行信息交互，获取车辆剩余电量和VIN码等信息后反馈至工控配电箱，并根据这些信息以及用户预设的阈值电量和充电时间等执行充电作业。

2.2.5 控制子系统

在系统安装的停车场内，每个停车位都配备有独立的二维码。用户通过扫描二维码进入交互页面后可以在用户子系统中设定充电信息。这些信息会通过网络上传至服务器中，并根据停车场设备的运行情况和用户的参数要求，在目标时间下发至停车场工控系统中，以调动智慧共享安全充电系统完成充电任务。该子系统包含以下三个功能模块：

（1）二维码模块：将用户通过小程序设定的信息转化为二维码，用户扫描后可进入交互页面并联动用户子系统。

（2）服务器模块：采用租赁的方式部署在云端，负责将用户手机端与设备工控端进行链接，并根据用户预设参数来下发指令至本地工控系统，构成系统的闭环控制。

（3）工控模块：部署在设备配电箱中，用于接收服务器指令并与移动子系统、定位子系统和充电子系统实时通信，保障系统能够按照用户的指令正常运行。同时，它还负责监测设备的运行状态，并在发生漏电等突发事故时自动控制电力断开以保障安全。

3 系统实践与探索

为验证方案的可行性，我们以图3商超的公共停车场为例，布设智慧共享安全充电系统。在图中，红色横条代表移动导轨，绿色方块代表可移动的充电装置。该停车场共有6个区域，可容纳52辆车。如果采用智慧共享充电系统，只需铺设6条导轨并安装6个或7个共享充电装置，便能够实现为全部车位的车辆进行充电，与传统每个停车位安装一个充电桩相比，极大地降低了建设成本。

3.1 功能实现

3.1.1 用户子系统

在每个停车位处，我们都设置了二维码。用户只需扫描这个二维码，就可以使用相关的查询、预约等功能。扫描的结果如图4所示。

3.1.2 移动子系统

在停车场的地面上，我们采用了卡槽导轨进行固定，并使用了2040型铝材和两相混合式42步进电机17HS4401S组合而成。通过该子系统，机械臂可以移动到预定的充电车位进行充电作业，同时也能起到底部固定的作用。

3.1.3 定位子系统

定位子系统包含停车位定位、车辆定位和充电口定位。停车位定位采用了工控系统，系统会根据用户预约的车位自动计算距离目标的距离，然后按照命令在导轨上水平移动。车辆定位主要采用了四自由度机械臂，模型的主体框架是由复合型亚克力板制作而成，控制方向和完成动作的是模拟舵机，而整体的控制则是由STM32控制板来完成。机械臂的效果图如图5所示。充电口定位主要采用了摄像头单目识别模块，安装在机械臂的头部上方。我们采用了OV7670系列硬件识别方案，并配合预设程序将视觉图片转为数字信号。这样就可以识别车辆的充电区域，并调动机械臂对接以便后续的充电作业达到最佳位置。

3.1.4 充电子系统

我们的模型使用了无线充电模式，包括发射端和接收端。无线充电模块的发射端被安装在了机械臂的前方，使用的是等比例缩小的线圈模拟。当进行充电作业时，通过机械臂以及视觉识别模块的联合调动，使其对准车载无线充电的接收端后，进行电路链接并构成回路。无线充电模块的车载端则被安装在车辆的充电接口上，固定在车辆的顶部。这个部分主要用来读取车辆数据并与充电系统进行交互以及电量的接收。通过联动工控系统，充电协议和充电方案得以确定。考虑到目前大多數车辆并未配备无线充电接收元件，我们设计了一个解决方案：用户在扫码预约时可以从智能柜领取一个充电模块，直接插在充电口即可。我们相信，随着方案的成熟和推广，越来越多的电动汽车将在出厂时配备无线充电器件，或者在后期进行增配安装。

3.1.5 控制子系统

我们的控制子系统是与系统的电力部分连接的，通过物联网与服务器进行外部通讯。模型中使用了esp8266局域网内控制的方式，用户使用手机端便可以进行整套系统的操控。扫码后按照要求设定，系统会自动进行充电作业。

3.2 实物模型实践

模型实物图和部分重要模块实物照片见图6-11所示。

4 系统优点

4.1 “一桩多车”，降低安装成本

智慧共享系统打破传统“一车一桩”模式，将固定的充电桩形态转变为移动式。这一变革极大地减少了充电桩的安装和使用成本，同时提高了充电桩的利用效率。

4.2 “全时段预约”，降低设备闲置率

智慧共享系统打破了传统的“蹲守”充电模式，实现了电量、时长、费用等多种形式的充电选择，更实现了空闲时段的智能预约。用户在停车时无法充电，可以选择当前车辆充满或停止后的空闲时段进行充电，这样真正实现了充电桩的高效利用，降低了设备的闲置率，同时提高了投资收益。

4.3 “智慧启停”，提高安全性

智慧共享系统可以根据实际使用情况选择充电方案，当到达阈值后，系统会自动断电并移走充电器。这种设计有利于降低电池循环次数，保持电池包处在最佳工作状态和高容量，从而提高安全性。

4.4 “自主充电”，无人值守

智慧共享系统在设计之初就以便捷充电为主要设计目标。利用高度集成的工控系统、视觉识别以及电量通信传感器等技术，在硬件方面已经达到了“无人值守”的标准。同时，通过手机端和服务器的托管控制，可以实现“自动操作、无人干预”的效果，真正意义上实现了自动化智能充电。

5 结语

智慧共享系统是一种创新的充电解决方案，通过“一桩多车”技术降低安装成本，利用“全时段预约”提高充电设备的利用效率并降低闲置率，采用“智慧启停”技术提高充电过程的安全性，以及实现“自主充电”以达成无人值守的目标。该系统不仅提高了充电的便捷性和效率，同时也注重了成本效益和安全性，是一种全面且实用的充电解决方案。

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号202310356007X）。

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