摘要：針對國內電動(dòng)汽車(chē)充電樁規范化和標準化的需求，設計并實(shí)現了一種符合國網(wǎng)公司標準的電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁。首先介紹了國內電動(dòng)汽車(chē)充電樁的現狀、需求，然后以國網(wǎng)公司標準為設計原則，進(jìn)行了硬件系統、主控板及監控單元的設計，采用了模塊化設計原則進(jìn)行了軟件系統的設計，針對充電樁惡劣工作環(huán)境進(jìn)行了環(huán)境及電磁兼容設計。本充電樁已在山東臨沂、濟南等眾多充換電站運行使用，運行結果表明該裝置安全、穩定、可靠，必將為電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展提供強有力的保障。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)充電樁硬件系統

0、引言

隨著(zhù)新能源戰略的推動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)充電行業(yè)的發(fā)展非常迅速。目前，我國電動(dòng)汽車(chē)充換電設施試點(diǎn)工程已建成并投運87座標準化充換電站、5179臺充電機和7031臺交流充電樁，覆蓋全國26個(gè)省市，杭州初步建成電動(dòng)汽車(chē)充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò )。充換電站及充電樁數量已居世界前列，我國成為世界上電動(dòng)汽車(chē)充電裝置國家電網(wǎng)將在“十二五"期間建設充換電站2351座，充電樁22萬(wàn)個(gè)，初步建成覆蓋公司經(jīng)營(yíng)區域的智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò )。

針對目前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車(chē)和充電設備接口不統一、功能、性能設計標準不統一，質(zhì)量良莠不齊的現狀，先后出臺了一系列的規范和標準。電動(dòng)汽車(chē)充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的推廣。因此，非常有必要根據相關(guān)標準的要求，進(jìn)行了電動(dòng)汽車(chē)充電樁的設計。電動(dòng)汽車(chē)充電樁設計時(shí)，不僅要滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)充電的基本功能，還需要強化充電樁電氣安全、數據安全設計和環(huán)境及電磁兼容性能的設計。

1、電動(dòng)汽車(chē)充電樁設計

本項目設計的電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁依據《NB/T33002－2010電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁技術(shù)條件》、《Q/GDW485－2010電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁技術(shù)條件》、《Q/GDW478－2010電動(dòng)汽車(chē)充電設施建設技術(shù)導則》、《國家電網(wǎng)公司電動(dòng)汽車(chē)充電設施建設指導意見(jiàn)》相關(guān)要求進(jìn)行設計。該產(chǎn)品在滿(mǎn)足相關(guān)標準對電動(dòng)汽車(chē)充電樁的技術(shù)要求基礎上，強化了充電樁電氣安全、數據安全設計和環(huán)境及電磁兼容性能的設計，增加了視頻拍照、微型熱敏打印、無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)等功能。

1.1 硬件系統設計

電動(dòng)汽車(chē)充電樁硬件系統主要由主控板、監控板、IC卡讀寫(xiě)器、數字電表、移動(dòng)通信模塊、觸摸屏、指示燈、按鍵等組成。硬件系統的硬件組成如圖1所示。

圖1充電樁硬件系統組成框圖

主控板是硬件系統的核心組成部分，完成充電過(guò)程的啟動(dòng)、運行、實(shí)時(shí)監控以及關(guān)閉，并可通過(guò)多種通訊方式將數據實(shí)時(shí)傳輸至后臺。主控板的主要功能特點(diǎn)包括:具備6個(gè)串口，一個(gè)以太網(wǎng)口，動(dòng)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(shí)時(shí)監測充電樁的運行狀態(tài)，保證充電過(guò)程的安全、可靠，設計了監控保護單元。監控保護單元組成框圖如圖2所示。該單元對充電樁的進(jìn)線(xiàn)輸入電壓，充電輸出電壓、電流，充電接口連接狀態(tài)，車(chē)載電池管理系統狀態(tài)，車(chē)載電池狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，一旦出現異常，能夠及時(shí)切斷電源輸出，保護電動(dòng)汽車(chē)、電池及充電樁本身的安全。

1.2 軟件系統設計

1.2.1 系統工程流程

當電動(dòng)汽車(chē)需要充電時(shí)，用戶(hù)將充電卡放置刷卡區，根據畫(huà)面提示通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行相應操作，連接充電接口，選擇充電模式，啟動(dòng)充電過(guò)程。

在上述過(guò)程中，控制保護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(wú)法啟動(dòng)充電。同時(shí)，在充電過(guò)程中，顯示區的充電指示燈點(diǎn)亮，監控單元實(shí)時(shí)監測充電電壓、充電電流、充電接口連接狀態(tài)、充電開(kāi)關(guān)狀態(tài)等，在異?；蚬收蠒r(shí)斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)，并報警。

圖2監控單元組成框圖

充電樁軟件系統主要完成的功能是將各功能模塊有機的結合起來(lái)，實(shí)現各模塊的協(xié)調調用，系統整體控制流程圖如圖3所示。

圖3充電樁軟件系統主程序流程圖

1.2.2 功能模塊設計

充電樁軟件設計時(shí)采用了模塊化的編寫(xiě)原則，這樣既能保證電動(dòng)汽車(chē)充電樁軟件系統高效可靠的運行，又能使該軟件系統具有良好的擴展性，對產(chǎn)品升級換代具有非常重要的意義。

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

圖4軟件系統功能框圖

當軟件系統啟動(dòng)時(shí)，主控程序根據系統配置文件加載程序配置信息，并根據配置信息完成各通信模塊的加載。軟件平臺強大的多線(xiàn)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(guò)各模塊通信能夠完成用戶(hù)信息采集與展示、實(shí)時(shí)數據采集與展示、充電流程控制、計量計費功能等功能，同時(shí)該主控程序還具備后臺通信功能，能夠把充電過(guò)程中的實(shí)時(shí)數據、充電記錄等信息上送到遠方后臺系統。

人機交互模塊設計時(shí)，界面顯示單元顯示的內容非常豐富，其中主要界面有歡迎界面、連接確認界面、充電參數設定界面、啟動(dòng)充電界面、充電界面、停止充電界面、結賬界面、打印界面等。人機交互模塊通過(guò)與主控模塊的交互，獲取控制命令完成界面切換;獲取用戶(hù)信息與實(shí)時(shí)數據信息并進(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，數據加密、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(hù)卡與充電樁數據交互過(guò)程中所使用的臨時(shí)變量進(jìn)行加密處理，并對傳遞過(guò)程進(jìn)行線(xiàn)路加密，保證了用戶(hù)卡與充電樁進(jìn)行數據交互的過(guò)程中，信息不會(huì )被外界竊取。密鑰管理系統的主要功能是提供各種密鑰的生成機制和加密算法，并將生成的密鑰存儲在具有密鑰導出功能的CPU智能卡，即SAM(SecurityAccessModule)卡中。數據加密模塊用于把用戶(hù)數據按照事先約定的加密方式加密并存儲在用戶(hù)卡的用戶(hù)數據區域。解密模塊用于將讀取的用戶(hù)卡數據還原為原始數據并進(jìn)行相關(guān)的用戶(hù)識別，扣費等操作。

1.3 環(huán)境及電磁兼容設計

電動(dòng)汽車(chē)充電樁應用環(huán)境大多在室外，工作環(huán)境比較惡劣，需要適應雨、雪、霧、風(fēng)吹、日曬、高溫、低溫等惡劣天氣的考驗;同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)作為一個(gè)充電設備，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)。

樁體結構及工藝設計采用交叉覆蓋工藝，既保證了樁體的防護等級達到IP54標準，在雨雪、水濺等情況下，水珠不能進(jìn)入樁體及樁體內部;又能夠在工作時(shí)形成良好空氣流動(dòng)，保證充電樁內部元件的散熱;

樁體主體采用鍍鋅鋼板，外表面采用汽車(chē)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(shí)，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)境溫度范圍內穩定正常工作。

2、項目實(shí)施情況

本項目開(kāi)發(fā)完成的電動(dòng)汽車(chē)充電樁，于2010年12月27日通過(guò)了電力工業(yè)電力系統自動(dòng)化設備質(zhì)量檢驗測試的型式試驗;目前，本項目已通過(guò)有關(guān)專(zhuān)家的鑒定，并在山東臨沂焦莊充電站、義堂充電站，山東濟南英賢充電站、葛家莊充電站等推廣應用?，F場(chǎng)應用圖片如圖5所示。

圖5臨沂焦莊充換電站現場(chǎng)照片充電樁操作界面

如圖6所示

3、樁車(chē)網(wǎng)絡(luò )

根據一個(gè)時(shí)期內可獲得的充電樁的交易流水數據，構造樁車(chē)網(wǎng)絡(luò )。圖1為一個(gè)由6樁7車(chē)構成的網(wǎng)絡(luò )。

圖1由6樁7車(chē)構成的網(wǎng)絡(luò )

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

如果將連接次數達到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 )，相應的矩陣為式（2）。

圖2僅考慮連通性的網(wǎng)絡(luò )

4、討論

根據以往研究，可以得出以下結論：

表1初始充電樁排名

表2v1作用時(shí)的排名

表3v2作用時(shí)的排名

對比表1～3數據可知，因為網(wǎng)絡(luò )效應，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(jià)計量特性傳播的依據，這是因為自然數排名具有離散性和排他性，所以相比實(shí)數評分而言更加顯著(zhù)和穩定。然而是否能夠直接以評分變差作為評價(jià)依據，還值得進(jìn)一步研究。

算例中的控制變量不是真實(shí)施加于網(wǎng)絡(luò )的，而是虛擬的，類(lèi)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(méi)有要求，原則上該方法可應用于樁集合的任何子集。特別是當真實(shí)（而非虛擬）的控制變量施加于網(wǎng)絡(luò )時(shí)，同一樁集合的排名變差能夠反映出實(shí)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(lái)標記計量因素。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)現那些對傳播發(fā)揮關(guān)鍵作用的節點(diǎn)，使得資源的投放更有效率。

5、安科瑞充電樁收費運營(yíng)云平臺系統選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營(yíng)云平臺系統通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地數據采集和監控，實(shí)時(shí)監控充電樁運行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢(xún)等。同時(shí)對充電機過(guò)溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

5.2應用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網(wǎng)絡(luò )傳輸層、數據層和客戶(hù)端層。

2）數據采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標準modbus-rtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進(jìn)行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡(luò )傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )將數據上傳至搭建好的數據庫服務(wù)器。

4）數據層：包含應用服務(wù)器和數據服務(wù)器，應用服務(wù)器部署數據采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數據服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶(hù)端層：系統管理員可在瀏覽器中訪(fǎng)問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費平臺。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實(shí)時(shí)監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時(shí)為運維人員提供運維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數、充電時(shí)長(cháng)、充電金額、充電度數、充電樁故障等進(jìn)行統計顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實(shí)時(shí)監控

實(shí)時(shí)監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)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(hù)賬戶(hù)，對其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結、注銷(xiāo)等操作，可查看小區用戶(hù)每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

設備自動(dòng)上報故障信息，平臺管理人員可通過(guò)平臺查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運維人員可通過(guò)運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現場(chǎng)問(wèn)題。

5.4.5統計分析

通過(guò)系統平臺，從充電站點(diǎn)、充電設施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營(yíng)商戶(hù)，運營(yíng)商可建立和管理其運營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設施，維護充電設施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線(xiàn)卡用戶(hù)充值、凍結和解綁。5.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電\充值情況，進(jìn)行遠程參數設置，同時(shí)可接收故障推送

5.4.8充電小程序

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

5.5系統硬件配置

6、結論與展望

本充電樁嚴格遵守國網(wǎng)公司相關(guān)標準，并根據電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規劃和發(fā)展方向，研制了一種穩定、可靠、安全、實(shí)用的電動(dòng)汽車(chē)智能充電樁。運行結果表明，本充電樁的使用提高了電動(dòng)汽車(chē)充電樁的技術(shù)水平和實(shí)用化水平，有力的推動(dòng)了電動(dòng)汽車(chē)充電行業(yè)的發(fā)展。

數據驅動(dòng)的內涵之一是數據決定方法，根據能夠獲取的數據尋找適宜的方法。本文提出的排名變差算法以充電樁交易流水數據為前提條件，在一定程度上能夠識別充電樁計量可信度的傳播范圍。需要強調的是，由于交易記錄包含個(gè)人隱私，保管人在提交交易流水數據之前將個(gè)人信息進(jìn)行編碼處理。無(wú)論互聯(lián)網(wǎng)還是樁車(chē)網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)的排名都主要由節點(diǎn)間連接強度決定?；ヂ?lián)網(wǎng)由于建立連接的代價(jià)低，其排名可以很好地反映網(wǎng)頁(yè)的質(zhì)量。在樁車(chē)網(wǎng)絡(luò )中，決定連接強度的因素眾多，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(jià)值。網(wǎng)絡(luò )排名變差算法中，排名變差原理是實(shí)質(zhì)性的，而評分算法是非實(shí)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。