基于云平台的充电桩管理系统研究及应用

关键词：电动汽车 充电桩 电动汽车服务云平台
引言
        随着汽车普及程度的提高，汽车常规石化燃料使用所造成的污染也越来越严重。目前，我国正在全力研究电动力汽车的研发与生产，面向国际，我国新能源汽车起步早、发展快，当下严峻的环境问题已使此项发展成为了节能减排与改善环境的必然趋势。电动汽车拥有零污染、零噪音、驾驶简单的优势，现已逐步进入了人们的视野，同时，电动汽车无法长时间驾驶、充电环节繁琐等问题很大程度地限制了其推广。目前，蓄电池是电动汽车动力的能量来源，但其体积大、重量大、更换不方便。而电动汽车智能充电桩不仅能够有效解决电池的弊端，充电不再受地点的限制，还能够及时对动力电池进行检查与修护，具备人性化的人机交互界面和完善的通讯能力，将电动汽车的充电与云平台相结合，将会为用户的使用增加的便利，使其高度智能化。
一、充电桩的应用原理
        当下的电动车辆是以锂离子蓄电池为主要的能量来源， 但并不能很好地进行电池的监控和检验，长时间的使用很容易造成本体的损失，同时也对人们的生命安定造成为一定的威胁。充电桩一般采用专用充电接口，与电动汽车的车载充电机进行对联充电，可以通过投币、IC 卡、手机支付等方式进行支付计费。可分为交流充电桩和直流充电桩。交流充电桩采用三相四线 380V 输入，220V 输出，可定时充电，并在电充满之后自动断电，并采用触摸屏进行人机交。同时，交流充电桩能通过 IC 查看是否成功充电，并有漏电保护器保证充电时的安稳。
二、充电桩现有的运营模式
        政府引导模式：政府投资建设电动汽车充电站并且负责运营，引导与推动电动汽车的发展，并且对全国范围内的充电站进行统一规划和集约发展，有效减少用户碰到因充电站所属不同，接口不同而导致无法充电的现象。
        企业引导模式：企业引导占据了电动汽车市场的主体， 在充分保证资金投入的前提下，运营效率与管理水平也有一定的优势。以特斯拉为例，特斯拉配置设施时，主要倾向于家庭充电桩，并以目的地充电桩和超等充电站为辅，并用移动充电器进行环节的补充为方案。这种模式的缺点是各个企业都有独立的充电解决方案，管理和用户的使用会变得十分无序。
        用户引导模式：私人资金建设充电桩，可根据自己的消费要求进行充电。该模式虽然十分效率高，使充电桩和用户充分对接，但个人需要负担高额的资金费用，也会造成同一地区充电桩的密集集中与浪费，利用率低下。
        混合模式：混合模式由政府和企业共同参与，有效地解决了政府运营资金不足和企业的管理运营盲目性与无序性的问题。目前的市场上已有企业与镇府的相互配合，这种运营模式正在扎实迈进。
        集资模式：集资模式整合了企业、社会以及政府等多方面的资源，同时与互联网等手段进行联系，使充电过程更加智能化。例如星星充电，他们的场地资金由集资而来，并在提供场地上免费建设充电桩，同时开设平台集资和投资集资。合作方只需要提供场地便可获得一半的收益。集资的方式可以较大程度地利用社会资源，提高充电站的利用率和用户体验，但在一线城市中，收到车位资源紧缺等的限制。
三、电动汽车服务云平台
        对电动汽车充电的精细化、智能化管理是推广电动汽车的其中一项要求，云计算技术现已经与电力系统的多个领域进行了融合，但目前国内还并未推出服务、充电和 App 应用软件于一体的系统，充电站的寻找与付费功能问题尚需解决。

图 1 电动汽车服务云平台系统图
        App要求对充电桩进行定位导航、锁定以及预约。此系统建立在互联网高速无线网和电力信息系统基础上，分为平台层、网络层与终端层。1）平台层：可对用户身份、充电数据记录、权限控制等进行储存与管理，支持 App 能够对充电桩的位置进行准确定位和导航及充电的预约项目，跨应用、跨系统地进行信息的通讯、共享和协同。2）网络层：联络平台层和终端层，为信息的传输提供通道，包括 WiFi 形式的高速无线网络，也包括广域铺设的互联网。3）终端层： 终端曾包括终端的充电设施、手机或是平板电脑等用户设备。终端以网络层作为纽带将数据实时发送给平台，并同时向设备内反馈平台层下达的命令。智能手机、平板等通过安装的App 进行用户的登陆和指令输送，并向用户展示 App 提供的各项服务。充电中端的 WiFi 通信模块可与 WiFi 路由器进行通信，使用 2G、3G 或是光纤网络等于云平台服务器进行信息交流；用户设备则可使用 WiFi、GPRS 和 CDMA 与后台服务器通信。
        此外，云平台中部设置有密钥管理系统和加密机以确保用户信息等传输数据的安稳性，在充电装置中还嵌有安稳模块芯片。本系统主要包括云平台、智能充电装置和智能终端App，以下进行说明。
        1）电动汽车充电服务云平台。云平台是重要信息的发布等功能综合平台，由计算机、网络设备、存储设备、其他外围设备和平台应用软件组成，深入分析整个电动汽车智能充电系统的服务，对反馈的数据进行深度的分析和挖掘。例如，整理用户充电集中的时间段，并计算电动汽车系统的充电对电网所产生负荷的影响规律，可供电网对电力进行调度。
        2）智能充电装置。随着技术革新，智能充电装置不再只限于充电、计量、保护，智能性也在不断地提高。客户的移动终端可以控制充电装置的启停，贴合用户的充电条件， 充电装置可将信息上传服务器并在 App 界面展现充电的信息。智能充电装置由几部分组成。MCU 负责控制整个充电装置的指令发送，通过串口或 SPI 总线和 WIFi 通信模块，将平台数据与充电装置结合，实现 App 连接下的远程控制以及安稳问题的上报。
        3）App 客户端。智能手机的广泛使用使 App 软件越来越大众化，本系统客户端呈现多层的体系结构，分为视图层、业务逻辑层和业务实体层。其中视图层与用户指令进行对接， 调用业务逻辑层的忌口进行逻辑处理，包括地图显示、支付结算、状态显示、控制界面和查询界面；业务逻辑层在服务器和本地数据库之间进行数据的请求和读取；业务实体层囊括了各个业务实体，回应各个服务器发送数据请求并总体解析传输的数据，定时对数据库进行维护。
        App 客户端软件应具备一下功能：
        地图功能：对充电装置的位置进行查询，并对充电桩进行定位导航。
        状态显示功能：显示充电桩是否空闲。
        支付功能：通过与支付宝、微信等，在客户端上进行远端付费。
        控制功能：控制充电桩进行充电、预约、停止充电等活动。查询功能：查询充电的次数和每次充电的具体情况。
四、安科瑞充电桩运营管理平台
1、系统架构

 
        安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
        充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
        资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测
        交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表
        用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
        充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
        微信小程序：扫码充电，账单支付等功能
        数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
        变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
2、平台功能
2.1平台登录
        在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

 
2.2平台首页
        平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。

 
2.3实时监控
充电站监控
        充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。

 
充电枪监控
        充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。

 
2.4微信小程序
搜索与使用

        微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示

   

授权登录界面
        用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示

      

主功能页
        初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。

 充电
        扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。

个人信息
        个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能

     

3、硬件配置
3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）

若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
3.2现场推荐硬件配置清单：

五、总结

        电力汽车的发展将是未来绿色环保科技的趋势之一，本文着重介绍了与云平台相结合的电动汽车智能充电系统，此种方式能够有效地节省寻找充电桩的时间并大幅度地简化整个充电的过程，使用户的体验感觉更佳。

参考文献
[1]殷树刚,龚桃,刘瑞,王明，基于云平台的电动汽车智能充电系统设计与应用 . 供用电 ,2015(7):43-47.
[2]刘天欣，基于云平台的充电桩智能服务系统研究
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

 

作者简介：王蒙蒙，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电瓶车充电桩的研发和应用.