宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：近年來，隨著我國經濟的飛速發展，環境問題日益嚴重，越來越多的電動汽車投入市場并逐漸得到了廣泛的使用。由于電動汽車的使用時間尚短，存在不能及時充電、用戶無法實現遠程實時監控充電等問題，基于此，筆者設計了一套能夠實現5G遠程通信的充電樁智能監控系統，有效彌補了當前存在的相關技術漏洞。
關鍵詞：電動汽車；充電樁；遠程實時監控系統；設計
0 引言
由于目前的充電樁、特別是用戶充電樁大多數不具備與車主進行信息交換的功能，對車輛的充電狀況，需要車主到車上觀察儀表才能掌握， 這給廣大車主帶來了很多不便，特別是在生活節奏加快的現代社會，更 是一種迫切需要解決的問題。因此有必要研制一種與電動汽車相配套的 汽車電池充電監控裝置，該裝置除確保充電安全外，還具有與車主的手 機進行通訊的功能，使車主能在不影響工作和休息的條下對車輛的充 電狀況進行實時的有效的監控。該裝置應設計成不僅能與公共充電樁配 套使用，而且也能適用于在廉價的用戶充電樁上使用，即使是車主在家中拉一條電源線進行充電，也能使用。
1 電動汽車充電樁遠程實時監控系統現狀描述
目前，我國現有的充電樁遠程控制系統通常都是一種嵌入式系統， 運用模塊化的思想，對人機交流、充電監控、充電計價等模塊進行獨立 的軟件層次設計和流程設計。目前市場上的充電樁設備還不支持用戶通 過網絡預約空閑充電樁及在線監控實時的充電情況，除此之外，充電樁的結算方式往往只有刷卡結算這一種，這對于電動汽車車主來說無疑非 常不方便。在互聯網高速發展的背景下，國內對于充電樁設備智能監控系統的研究取得了可喜的成就。一部分技術人員提出了新的充電樁設計方案，運用無線網絡來使充電樁之間能夠實現信息交互。還有一部分技術人員基于傳統的充電樁設計，為其補充了智能充電導航的功能。但這些改進方式雖然能夠一定程度上提高充電樁的工作效率并便利人們的使用，但都僅側重單一方面進行改進，成效并不顯著。因此相關技術部門進一步設計了具備 5G 通信功能的智能充電樁遠程控制系統，用戶可以通過手機 APP 客戶端來預約充電樁、查詢充電狀況等，這使充電樁遠程監控系統的功能更加豐富且完善，充電樁使用效率提高，充電樁資源也能夠得到更加充分的利用。
2 系統結構設計
2.1 設備層
設備層是充電樁遠程設備監控系統的底層，包括多種功率的直流充電樁和交流充電樁，完成對不同功率需求的電動汽車充電的任務。根據充電站的空間的不同需求，又可分為離散樁和預裝式充電集群，其中離散樁內置ＧＰＲＳ模塊，可進行無線數據傳輸，預裝式充電集群通過網線和交換機與數據庫服務器通訊。
2.2 通訊層
通訊層作為聯系數據庫服務器和設備層的紐帶，為多種不同數據結構的數據提供傳輸通道，包括充電基礎數據、充電樁故障信息、電動汽車 BMS 信息、維修進度信息等。通訊層包括 GPRS 實現的高速無線網絡和連接至廣域網的有線網絡組成。
2.3 數據庫服務器
數據庫服務器系統作為充電站遠程設備監控系統的服務端，要具有信息接收、儲存、管理、發送的功能，是現場充電樁與 Web 服務器之間連接的有效途徑。它通過通訊層從站設備中接收數據并將數據儲存在數據庫中，為響應 Web 服務器的數據請求做好準備。本系統采用的是微軟公司的 Microsoft SQL Server 數據庫。
2.4 Web 服務器
Web 服務器作為整個系統的第四層，也是遠程監控系統的核心部分。Web 服務器負責接收客戶端發出的指令，在數據庫服務器中取得相應的數據，并協助客戶端完成相應的數據信息響應。由于現場數據種類較多，較為復雜，除了要求信息采集的實時性外，還必須實現在客戶端顯示的實時性。因此該系統采用動態交互式的Ｗｅｂ技術和具有局部刷新功能的 Ajax 技術，很好地解決了實時性的問題。
3 充電樁監控的設計
3.1 硬件設計
充電樁智能監控硬件系統有主控臺、IC 讀卡器、顯示屏、通信、鍵盤等等，充電樁監控系統。交流電是接入的 220V/380V 電網電源，通過充電模塊的過濾和整流等，直接對電動汽車充電；IC 卡識別模塊是給用戶開啟充電樁的功能，IC 卡識別模塊可以顯示用戶余額以及個人信息，人機交互模塊可以選擇充電模式、里程充滿，或自我選擇充電電量等；計費模塊顯示當前計費等。主控模塊是硬件系統的核心部分，有很多串口、網口和控制器等，它是控制一切模塊的樞紐，實時監控運行情況和充電情況，以便及時傳送到后臺。為了有效對充電樁進行實時檢測，還需要建設一個保護程序，見圖 2。通過監控保護單元對充電模塊電壓和電流進行控制以及對電動汽車的電池系統進行檢測，如出現異常或不穩定時，及時斷開電源，保護電樁電池的安全，確保電動汽車電池不受到損害。
3.2 軟件設計
充電樁智能監控軟件設計需能有效實現與用戶的溝通。用戶給電動汽車充電的流程是這樣:用戶先將電動汽車充電接口和充電樁充電輸入手柄連接，再插入 IC 卡，開啟充電樁，如果用戶充電接口與充電輸出口沒有連接好，系統提示報警；用戶在身份識別完成后，就可以選擇自己想要的充電模式，如果所選擇的充電模式不匹配當前電池狀態，系統提示報警；在充電過程中，屏幕會顯示余額、充電時間、充電時長等，充電結束后，自動停止計費并打印，然后系統自行鎖定。所有系統程序可以分為中央控制程IC卡識別程序、通信程序、顯示程序、檢測程序和打印程序，每個程序都是獨立的，但又能協調處理工作。在設計上，編寫程序人員必須嚴格按照電樁系統的穩定性以及可行性進行開發。在人機交互程序設計上，需要考慮多樣化功能，比如，充電種類選擇、充電時間設置、里程充電設置、停止充電等，人機程序和主控程序的連接能更好地控制其他程序的工作。在程序設置上，安全程序是保障讀卡器程序加密的，以確
保用戶信息安全以及電量計費和金額數據加密。
3.3 環境和電磁設計
電動汽車充電樁一般都安裝在戶外，因此受環境影響很大，尤其是陰雨潮濕等天氣，不僅會給充電設施帶來影響，也會給通訊帶來不便。在建設智能充電電樁的時候，可以選擇交叉覆蓋式結構，這樣充電樁外殼要選擇防水防潮的材料，既防雨又通風，能很好降低充電樁的溫度，硬件以及元件的選型都要選擇工業級的；另外也要注意通信被干擾的情況，選擇通信線時要注意抗干擾，保證這些元件能在不同環境下工作。
4 安科瑞充電樁運營管理平臺
4.1系統架構
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控，同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進行支付后，系統發起充電請求，控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。
充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網，配合加密技術和秘鑰分發技術，基于TCP/IP的數據交互協議，與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能，具體功能如下：
資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運行監測，充電樁異常交易監測。
交易結算：充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表
用戶管理：用戶注冊，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理
充電服務：充電設施搜索，充電設施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結算，導航等
微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
數據服務：數據采集，短信提醒，數據存儲和解析
變壓器監控：監控充電站變壓器負荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理，即當負荷超過百分之五十時，系統會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當變壓器負荷超過百分之八十時，系統將不允許新增充電樁開始充電，直到負荷下降為止。
4.2平臺功能
4.2.1平臺登錄
在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。
4.2.2平臺首頁
平臺首頁總覽每天的數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，累計的數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長，以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。
4.2.3實時監控
l 充電站監控
充電站監控頁面監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等，匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長，進行負荷限制、故障查詢。
l 充電槍監控
充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。
4.2.4微信小程序
l 搜索與使用
微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
l 授權登錄界面
用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時，會進入這個頁面，需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面，如圖所示：
l 主功能頁
初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能，在地圖上查看到當前所在區域的充電站，查看充電站信息，可以進行掃碼充電操作，地圖導航等。
l 充電
掃描充電槍上的二維碼，如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面，可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當前的賬戶余額，電價和預計可充電量等數據，還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。
l 個人信息
個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額，同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能
4.3硬件配置
4.3.1平臺服務器：建議按照我方推薦配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。
推薦硬件配置清單：（如申請阿里云可忽略）
若客戶自己租用阿里云服務器，服務器配置根據充電槍點數的不同，分別如下：
4.3.2現場推薦硬件配置清單：
5 結語
智能充電樁遠程監控系統具有操作簡單、功能豐富等優點。用戶通過 APP 客戶端即可完成預約、查詢、支付等操作，實現了對能源的充分利用和設備的便利應用，能夠帶來相當的經濟效益和社會效益。隨著未來電動汽車行業的進一步發展，對于充電樁遠程監控系統的研究也會更加深入，使其得到不斷地完善，從而能夠獲得更高的市場認可度。
參考文獻
[1]劉朝輝.電動汽車智能充電樁的設計與應用[J].電子技術與軟件工程,2017(3):248.
[2]張國偉.楊雷雷.電動汽車充電樁遠程實時監控系統的研究與設計
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版
作者簡介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監測及剩余電流監測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）