安科瑞 陳聰

摘要：針對國內(nèi)電動汽車充電樁規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種符合國網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)的電動汽車智能充電樁。首先介紹了國內(nèi)電動汽車充電樁的現(xiàn)狀、需求，然后以國網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計原則，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)、主控板及監(jiān)控單元的設(shè)計，采用了模塊化設(shè)計原則進(jìn)行了軟件系統(tǒng)的設(shè)計，針對充電樁惡劣工作環(huán)境進(jìn)行了環(huán)境及電磁兼容設(shè)計。本充電樁已在山東臨沂、濟(jì)南等眾多充換電站運行使用，運行結(jié)果表明該裝置安全、穩(wěn)定、可靠，必將為電動汽車的發(fā)展提供強(qiáng)有力的保障。

關(guān)鍵詞：電動汽車充電樁硬件系統(tǒng)

0引言

隨著新能源戰(zhàn)略的推動和電動汽車行業(yè)的發(fā)展，電動汽車充電行業(yè)的發(fā)展非常迅速。目前，我國電動汽車充換電設(shè)施試點工程已建成并投運87座標(biāo)準(zhǔn)化充換電站、5179臺充電機(jī)和7031臺交流充電樁，覆蓋全國26個省市，杭州初步建成電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。充換電站及充電樁數(shù)量已居世界前列，我國成為世界上電動汽車充電裝置國家電網(wǎng)將在“十二五”期間建設(shè)充換電站2351座，充電樁22萬個，初步建成覆蓋公司經(jīng)營區(qū)域的智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

針對目前市場上電動汽車和充電設(shè)備接口不統(tǒng)一、功能、性能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，質(zhì)量良莠不齊的現(xiàn)狀，先后出臺了一系列的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。電動汽車充電樁作為電動汽車充電的主要渠道，其性能、工藝水平和質(zhì)量直接影響到電動汽車的推廣。因此，非常有必要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行了電動汽車充電樁的設(shè)計。電動汽車充電樁設(shè)計時，不僅要滿足電動汽車充電的基本功能，還需要強(qiáng)化充電樁電氣安全、數(shù)據(jù)安全設(shè)計和環(huán)境及電磁兼容性能的設(shè)計。

1電動汽車充電樁設(shè)計

本項目設(shè)計的電動汽車智能充電樁依據(jù)《NB/T33002－2010電動汽車交流充電樁技術(shù)條件》、《Q/GDW485－2010電動汽車交流充電樁技術(shù)條件》、《Q/GDW478－2010電動汽車充電設(shè)施建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》、《國家電網(wǎng)公司電動汽車充電設(shè)施建設(shè)指導(dǎo)意見》相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計。該產(chǎn)品在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對電動汽車充電樁的技術(shù)要求基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了充電樁電氣安全、數(shù)據(jù)安全設(shè)計和環(huán)境及電磁兼容性能的設(shè)計，增加了視頻拍照、微型熱敏打印、無線組網(wǎng)等功能。

1.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

電動汽車充電樁硬件系統(tǒng)主要由主控板、監(jiān)控板、IC卡讀寫器、數(shù)字電表、移動通信模塊、觸摸屏、指示燈、按鍵等組成。硬件系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。

圖1充電樁硬件系統(tǒng)組成框圖

主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分，完成充電過程的啟動、運行、實時監(jiān)控以及關(guān)閉，并可通過多種通訊方式將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺。主控板的主要功能特點包括:具備6個串口，一個以太網(wǎng)口，動態(tài)的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路IO口，具備工業(yè)級的溫度范圍等。

為了實時監(jiān)測充電樁的運行狀態(tài)，保證充電過程的安全、可靠，設(shè)計了監(jiān)控保護(hù)單元。監(jiān)控保護(hù)單元組成框圖如圖2所示。該單元對充電樁的進(jìn)線輸入電壓，充電輸出電壓、電流，充電接口連接狀態(tài)，車載電池管理系統(tǒng)狀態(tài)，車載電池狀態(tài)等進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)異常，能夠及時切斷電源輸出，保護(hù)電動汽車、電池及充電樁本身的安全。

1.2軟件系統(tǒng)設(shè)計

1．2．1系統(tǒng)工程流程

當(dāng)電動汽車需要充電時，用戶將充電卡放置刷卡區(qū)，根據(jù)畫面提示通過鍵盤進(jìn)行相應(yīng)操作，連接充電接口，選擇充電模式，啟動充電過程。

在上述過程中，控制保護(hù)單元檢測充電接口連接狀態(tài)，如果連接狀態(tài)不正常，則無法啟動充電。同時，在充電過程中，顯示區(qū)的充電指示燈點亮，監(jiān)控單元實時監(jiān)測充電電壓、充電電流、充電接口連接狀態(tài)、充電開關(guān)狀態(tài)等，在異常或故障時斷開充電開關(guān)，并報警。

圖2監(jiān)控單元組成框圖

充電樁軟件系統(tǒng)主要完成的功能是將各功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，實現(xiàn)各模塊的協(xié)調(diào)調(diào)用，系統(tǒng)整體控制流程圖如圖3所示。

圖3充電樁軟件系統(tǒng)主程序流程圖

1.2.2功能模塊設(shè)計

充電樁軟件設(shè)計時采用了模塊化的編寫原則，這樣既能保證電動汽車充電樁軟件系統(tǒng)高效可靠的運行，又能使該軟件系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，對產(chǎn)品升級換代具有非常重要的意義。

按充電樁軟件系統(tǒng)的功能可以把系統(tǒng)分為主控模塊、人機(jī)交互、讀卡器模塊、計量計費模塊、打印模塊、后臺通訊模塊、遠(yuǎn)程通信模塊等功能模塊。其主要功能框圖如圖4所示。

圖4軟件系統(tǒng)功能框圖

當(dāng)軟件系統(tǒng)啟動時，主控程序根據(jù)系統(tǒng)配置文件加載程序配置信息，并根據(jù)配置信息完成各通信模塊的加載。軟件平臺強(qiáng)大的多線程處理能力，主控程序能夠輕松的完成與各通信模塊的交互。主控程序通過各模塊通信能夠完成用戶信息采集與展示、實時數(shù)據(jù)采集與展示、充電流程控制、計量計費功能等功能，同時該主控程序還具備后臺通信功能，能夠把充電過程中的實時數(shù)據(jù)、充電記錄等信息上送到遠(yuǎn)方后臺系統(tǒng)。

人機(jī)交互模塊設(shè)計時，界面顯示單元顯示的內(nèi)容非常豐富，其中主要界面有歡迎界面、連接確認(rèn)界面、充電參數(shù)設(shè)定界面、啟動充電界面、充電界面、停止充電界面、結(jié)賬界面、打印界面等。人機(jī)交互模塊通過與主控模塊的交互，獲取控制命令完成界面切換;獲取用戶信息與實時數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行信息展示。

安全模塊由帶安全存取模塊(SAM)的讀卡器，密鑰管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)加密、解密模塊組成。帶安全存取模塊(SAM)的讀卡器采用硬件加密技術(shù)，對用戶卡與充電樁數(shù)據(jù)交互過程中所使用的臨時變量進(jìn)行加密處理，并對傳遞過程進(jìn)行線路加密，保證了用戶卡與充電樁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的過程中，信息不會被外界竊取。密鑰管理系統(tǒng)的主要功能是提供各種密鑰的生成機(jī)制和加密算法，并將生成的密鑰存儲在具有密鑰導(dǎo)出功能的CPU智能卡，即SAM(SecurityAccessModule)卡中。數(shù)據(jù)加密模塊用于把用戶數(shù)據(jù)按照事先約定的加密方式加密并存儲在用戶卡的用戶數(shù)據(jù)區(qū)域。解密模塊用于將讀取的用戶卡數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)的用戶識別，扣費等操作。

1.3環(huán)境及電磁兼容設(shè)計

電動汽車充電樁應(yīng)用環(huán)境大多在室外，工作環(huán)境比較惡劣，需要適應(yīng)雨、雪、霧、風(fēng)吹、日曬、高溫、低溫等惡劣天氣的考驗;同時，電動汽車作為一個充電設(shè)備，還能夠承受各種電磁干擾的考驗，在典型的工業(yè)電磁騷擾環(huán)境下能夠正常提供充電服務(wù)［7～10］。

樁體結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計采用交叉覆蓋工藝，既保證了樁體的防護(hù)等級達(dá)到IP54標(biāo)準(zhǔn)，在雨雪、水濺等情況下，水珠不能進(jìn)入樁體及樁體內(nèi)部;又能夠在工作時形成良好空氣流動，保證充電樁內(nèi)部元件的散熱;

樁體主體采用鍍鋅鋼板，外表面采用汽車烤漆工藝，保證了充電樁在潮濕、鹽霧等惡劣天氣環(huán)境下不銹蝕;

元件選型時，所有零部件采用工業(yè)級元器件，保證充電樁在工業(yè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定正常工作;

電氣設(shè)計時，采用防雷器，電路設(shè)計上采用壓敏電阻、瞬變抑制二極管、磁環(huán)、磁珠等措施，保證充電樁在典型工業(yè)騷擾環(huán)境下正常工作。

2項目實施情況

本項目開發(fā)完成的電動汽車充電樁，于2010年12月27日通過了電力工業(yè)電力系統(tǒng)自動化設(shè)備質(zhì)量檢驗測試的型式試驗;目前，本項目已通過有關(guān)專家的鑒定，并在山東臨沂焦莊充電站、義堂充電站，山東濟(jì)南英賢充電站、葛家莊充電站等推廣應(yīng)用，得到好評?，F(xiàn)場應(yīng)用圖片如圖5所示。

圖5臨沂焦莊充換電站現(xiàn)場照片充電樁操作界面

如圖6所示

3樁車網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)一個時期內(nèi)可獲得的充電樁的交易流水?dāng)?shù)據(jù)，構(gòu)造樁車網(wǎng)絡(luò)。圖1為一個由6樁7車構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。

圖1由6樁7車構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)

樁車網(wǎng)絡(luò)可以用矩陣表示，以行區(qū)分樁、列區(qū)分車。如果用矩陣元素表示對應(yīng)的樁車連接次數(shù)，則圖1網(wǎng)絡(luò)可用式（1）表示。

如果將連接次數(shù)達(dá)到2次的連接視為有效連接，并且僅考慮連通性，那么就能得到圖2網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的矩陣為式（2）。

圖2僅考慮連通性的網(wǎng)絡(luò)

4討論

根據(jù)以往研究，可以得出以下結(jié)論：

表1初始充電樁排名

表2v₁作用時的排名

表3v₂作用時的排名

對比表1～3數(shù)據(jù)可知，因為網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，所以v引起了幾乎所有樁的評分改變。本文以排名變差而非評分變差作為評價計量特性傳播的依據(jù)，這是因為自然數(shù)排名具有離散性和排他性，所以相比實數(shù)評分而言更加顯著和穩(wěn)定。然而是否能夠直接以評分變差作為評價依據(jù)，還值得進(jìn)一步研究。

算例中的控制變量不是真實施加于網(wǎng)絡(luò)的，而是虛擬的，類似于力學(xué)研究中的“虛位移”，其目的在于給出一種任意樁對其他樁影響的計算方法。

算法對網(wǎng)絡(luò)完整性沒有要求，原則上該方法可應(yīng)用于樁集合的任何子集。特別是當(dāng)真實（而非虛擬）的控制變量施加于網(wǎng)絡(luò)時，同一樁集合的排名變差能夠反映出實際計量可信度的變化。

另外，可想而知，控制變量不只可以用來標(biāo)記計量因素。排名變差原理還可用于研究其他因素的網(wǎng)絡(luò)傳播，發(fā)現(xiàn)那些對傳播發(fā)揮關(guān)鍵作用的節(jié)點，使得資源的投放更有效率。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時對充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應(yīng)用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設(shè)施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設(shè)施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)論與展望

本充電樁嚴(yán)格遵守國網(wǎng)公司相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃和發(fā)展方向，研制了一種穩(wěn)定、可靠、安全、實用的電動汽車智能充電樁。運行結(jié)果表明，本充電樁的使用提高了電動汽車充電樁的技術(shù)水平和實用化水平，有力的推動了電動汽車充電行業(yè)的發(fā)展。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的內(nèi)涵之一是數(shù)據(jù)決定方法，根據(jù)能夠獲取的數(shù)據(jù)尋找適宜的方法。本文提出的排名變差算法以充電樁交易流水?dāng)?shù)據(jù)為前提條件，在一定程度上能夠識別充電樁計量可信度的傳播范圍。需要強(qiáng)調(diào)的是，由于交易記錄包含個人隱私，保管人在提交交易流水?dāng)?shù)據(jù)之前將個人信息進(jìn)行編碼處理。無論互聯(lián)網(wǎng)還是樁車網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點的排名都主要由節(jié)點間連接強(qiáng)度決定?；ヂ?lián)網(wǎng)由于建立連接的代價低，其排名可以很好地反映網(wǎng)頁的質(zhì)量。在樁車網(wǎng)絡(luò)中，決定連接強(qiáng)度的因素眾多，因而排名本身并不足以反映計量特性，受控計量變量引起的排名變差則具有大得多的參考價值。網(wǎng)絡(luò)排名變差算法中，排名變差原理是實質(zhì)性的，而評分算法是非實質(zhì)性的，可以有多種選擇，是否存在更適宜的評分算法有待進(jìn)一步研究。

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