摘要：针对国内电动汽车充电桩规范化和标准化的需求，设计并实现了一种符合国网公司标准的电动汽车智能充电桩。首先介绍了国内电动汽车充电桩的现状、需求，然后以国网公司标准为设计原则，进行了硬件系统、主控板及监控单元的设计，采用了模块化设计原则进行了软件系统的设计，针对充电桩恶劣工作环境进行了环境及电磁兼容设计。本充电桩已在山东临沂、济南等众多充换电站运行使用，运行结果表明该装置安全、稳定、可靠，必将为电动汽车的发展提供强有力的保障。
关键词：电动汽车充电桩硬件系统
0引言
随着国家新能源战略的推动和电动汽车行业的发展，电动汽车充电行业的发展非常迅速。目前，我国电动汽车充换电设施试点工程已建成并投运87座标准化充换电站、5179台充电机和7031台交流充电桩，覆盖全国26个省市，杭州初步建成电动汽车充换电服务网络。我国成为世界上电动汽车充电装置*多的国家。为适应电动汽车发展要求，国家电网将在“十二五”期间建设充换电站2351座，充电桩22万个，初步建成覆盖公司经营区域的智能充换电服务网络。
针对目前市场上电动汽车和充电设备接口不统一、功能、性能设计标准不统一，质量良莠不齐的现状，国家先后出台了一系列的规范和标准。电动汽车充电桩作为电动汽车充电的主要渠道，其性能、工艺水平和质量直接影响到电动汽车的推广。因此，非常有必要根据国家相关标准的要求，进行了电动汽车充电桩的设计。电动汽车充电桩设计时，不仅要满足电动汽车充电的基本功能，还需要强化充电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的设计。
1电动汽车充电桩设计
本项目设计的电动汽车智能充电桩依据《NB/T33002－2010电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q/GDW485－2010电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q/GDW478－2010电动汽车充电设施建设技术导则》、《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》相关要求进行设计。该产品在满足相关标准对电动汽车充电桩的技术要求基础上，强化了充电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的设计，增加了视频拍照、微型热敏打印、无线组网等功能。
1.1硬件系统设计
电动汽车充电桩硬件系统主要由主控板、监控板、IC卡读写器、数字电表、移动通信模块、触摸屏、指示灯、按键等组成。硬件系统的硬件组成如图1所示。
图1充电桩硬件系统组成框图
主控板是硬件系统的核心组成部分，完成充电过程的启动、运行、实时监控以及关闭，并可通过多种通讯方式将数据实时传输至后台。主控板的主要功能特点包括:具备6个串口，一个以太网口，动态的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路IO口，具备工业级的温度范围等。
为了实时监测充电桩的运行状态，保证充电过程的安全、可靠，设计了监控保护单元。监控保护单元组成框图如图2所示。该单元对充电桩的进线输入电压，充电输出电压、电流，充电接口连接状态，车载电池管理系统状态，车载电池状态等进行实时监测，一旦出现异常，能够及时切断电源输出，保护电动汽车、电池及充电桩本身的安全。
1.2软件系统设计
1．2．1系统工程流程
当电动汽车需要充电时，用户将充电卡放置刷卡区，根据画面提示通过键盘进行相应操作，连接充电接口，选择充电模式，启动充电过程。
在上述过程中，控制保护单元检测充电接口连接状态，如果连接状态不正常，则无法启动充电。同时，在充电过程中，显示区的充电指示灯点亮，监控单元实时监测充电电压、充电电流、充电接口连接状态、充电开关状态等，在异常或故障时断开充电开关，并报警。
图2监控单元组成框图
充电桩软件系统主要完成的功能是将各功能模块有机的结合起来，实现各模块的协调调用，系统整体控制流程图如图3所示。
图3充电桩软件系统主程序流程图
1.2.2功能模块设计
充电桩软件设计时采用了模块化的编写原则，这样既能保证电动汽车充电桩软件系统高效可靠的运行，又能使该软件系统具有良好的扩展性，对产品升级换代具有非常重要的意义。
按充电桩软件系统的功能可以把系统分为主控模块、人机交互、读卡器模块、计量计费模块、打印模块、后台通讯模块、远程通信模块等功能模块。其主要功能框图如图4所示。
图4软件系统功能框图
当软件系统启动时，主控程序根据系统配置文件加载程序配置信息，并根据配置信息完成各通信模块的加载。软件平台强大的多线程处理能力，主控程序能够轻松的完成与各通信模块的交互。主控程序通过各模块通信能够完成用户信息采集与展示、实时数据采集与展示、充电流程控制、计量计费功能等功能，同时该主控程序还具备后台通信功能，能够把充电过程中的实时数据、充电记录等信息上送到远方后台系统。
人机交互模块设计时，界面显示单元显示的内容非常丰富，其中主要界面有欢迎界面、连接确认界面、充电参数设定界面、启动充电界面、充电界面、停止充电界面、结账界面、打印界面等。人机交互模块通过与主控模块的交互，获取控制命令完成界面切换;获取用户信息与实时数据信息并进行信息展示。
安全模块由带安全存取模块(SAM)的读卡器，密钥管理系统，数据加密、解密模块组成。带安全存取模块(SAM)的读卡器采用硬件加密技术，对用户卡与充电桩数据交互过程中所使用的临时变量进行加密处理，并对传递过程进行线路加密，保证了用户卡与充电桩进行数据交互的过程中，信息不会被外界窃取。密钥管理系统的主要功能是提供各种密钥的生成机制和加密算法，并将生成的密钥存储在具有密钥导出功能的CPU智能卡，即SAM(SecurityAccessModule)卡中。数据加密模块用于把用户数据按照事先约定的加密方式加密并存储在用户卡的用户数据区域。解密模块用于将读取的用户卡数据还原为原始数据并进行相关的用户识别，扣费等操作。
1.3环境及电磁兼容设计
电动汽车充电桩应用环境大多在室外，工作环境比较恶劣，需要适应雨、雪、雾、风吹、日晒、高温、低温等恶劣天气的考验;同时，电动汽车作为一个充电设备，还必须能够承受各种电磁干扰的考验，在典型的工业电磁骚扰环境下能够正常提供充电服务［7～10］。
桩体结构及工艺设计采用交叉覆盖工艺，既保证了桩体的防护等级达到IP54标准，在雨雪、水溅等情况下，水珠不能进入桩体及桩体内部;又能够在工作时形成良好空气流动，保证充电桩内部元件的散热;
桩体主体采用镀锌钢板，外表面采用汽车烤漆工艺，保证了充电桩在潮湿、盐雾等恶劣天气环境下不锈蚀;
元件选型时，所有零部件采用工业级元器件，保证充电桩在工业环境温度范围内稳定正常工作;
电气设计时，采用防雷器，电路设计上采用压敏电阻、瞬变抑制二极管、磁环、磁珠等措施，保证充电桩在典型工业骚扰环境下正常工作。
2项目实施情况
本项目开发完成的电动汽车充电桩，于2010年12月27日通过了电力工业电力系统自动化设备质量检验测试中心的型式试验;目前，本项目已通过有关专家的鉴定，并在山东临沂焦庄充电站、义堂充电站，山东济南英贤充电站、葛家庄充电站等推广应用，得到一致好评。现场应用图片如图5所示。
图5临沂焦庄充换电站现场照片充电桩操作界面
如图6所示
3桩车网络
根据一个时期内可获得的充电桩的交易流水数据，构造桩车网络。图1为一个由6桩7车构成的网络。
图1由6桩7车构成的网络
桩车网络可以用矩阵表示，以行区分桩、列区分车。如果用矩阵元素表示对应的桩车连接次数，则图1网络可用式（1）表示。
如果将连接次数达到2次的连接视为有效连接，并且仅考虑连通性，那么就能得到图2网络，相应的矩阵为式（2）。
图2仅考虑连通性的网络
4讨论
根据以往研究，可以得出以下结论：
表1初始充电桩排名
表2v1作用时的排名
表3v2作用时的排名
对比表1～3数据可知，因为网络效应，所以v引起了几乎所有桩的评分改变。本文以排名变差而非评分变差作为评价计量特性传播的依据，这是因为自然数排名具有离散性和排他性，所以相比实数评分而言更加显著和稳定。然而是否能够直接以评分变差作为评价依据，还值得进一步研究。
算例中的控制变量不是真实施加于网络的，而是虚拟的，类似于力学研究中的“虚位移”，其目的在于给出一种任意桩对其他桩影响的计算方法。
算法对网络完整性没有要求，原则上该方法可应用于桩集合的任何子集。特别是当真实（而非虚拟）的控制变量施加于网络时，同一桩集合的排名变差能够反映出实际计量可信度的变化。
另外，可想而知，控制变量不只可以用来标记计量因素。排名变差原理还可用于研究其他因素的网络传播，发现那些对传播发挥关键作用的节点，使得资源的投放更有效率。
5安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案
5.1概述
AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。
5.2应用场所
适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。
5.3系统结构
系统分为四层：
1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。
2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。
3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。
4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。
5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。
5.4安科瑞充电桩云平台系统功能
5.4.1智能化大屏
智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。
5.4.2实时监控
实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。
5.4.3交易管理
平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。
5.4.4故障管理
设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。
5.4.5统计分析
通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。
5.4.6基础数据管理
在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。
5.4.7运维APP
面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送
5.4.8充电小程序
面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。
5.5系统硬件配置
作者介绍：
陈芳芳，任职江苏安科瑞电能服务股份有限公司。
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