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(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控充電等問題，基于此，筆者設(shè)計了一套能夠?qū)崿F(xiàn)5G遠(yuǎn)程通信的充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前存在的相關(guān)技術(shù)漏洞。
關(guān)鍵詞：電動汽車；充電樁；遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計
0 引言
由于目前的充電樁、特別是用戶充電樁大多數(shù)不具備與車主進(jìn)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(jié)奏加快的現(xiàn)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(jiān)控裝置，該裝置除確保充電安全外，還具有與車主的手 機(jī)進(jìn)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(jìn)行實(shí)時的有效的監(jiān)控。該裝置應(yīng)設(shè)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(jìn)行充電，也能使用。
1 電動汽車充電樁遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀描述
目前，我國現(xiàn)有的充電樁遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通常都是一種嵌入式系統(tǒng)， 運(yùn)用模塊化的思想，對人機(jī)交流、充電監(jiān)控、充電計價等模塊進(jìn)行獨(dú)立 的軟件層次設(shè)計和流程設(shè)計。目前市場上的充電樁設(shè)備還不支持用戶通 過網(wǎng)絡(luò)預(yù)約空閑充電樁及在線監(jiān)控實(shí)時的充電情況，除此之外，充電樁的結(jié)算方式往往只有刷卡結(jié)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(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的背景下，國內(nèi)對于充電樁設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究取得了可喜的成就。一部分技術(shù)人員提出了新的充電樁設(shè)計方案，運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)來使充電樁之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互。還有一部分技術(shù)人員基于傳統(tǒng)的充電樁設(shè)計，為其補(bǔ)充了智能充電導(dǎo)航的功能。但這些改進(jìn)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(cè)重單一方面進(jìn)行改進(jìn)，成效并不顯著。因此相關(guān)技術(shù)部門進(jìn)一步設(shè)計了具備 5G 通信功能的智能充電樁遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，用戶可以通過手機(jī) APP 客戶端來預(yù)約充電樁、查詢充電狀況等，這使充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 設(shè)備層
設(shè)備層是充電樁遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)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(wù)。根據(jù)充電站的空間的不同需求，又可分為離散樁和預(yù)裝式充電集群，其中離散樁內(nèi)置ＧＰＲＳ模塊，可進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，預(yù)裝式充電集群通過網(wǎng)線和交換機(jī)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通訊。
2.2 通訊層
通訊層作為聯(lián)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和設(shè)備層的紐帶，為多種不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)提供傳輸通道，包括充電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、充電樁故障信息、電動汽車 BMS 信息、維修進(jìn)度信息等。通訊層包括 GPRS 實(shí)現(xiàn)的高速無線網(wǎng)絡(luò)和連接至廣域網(wǎng)的有線網(wǎng)絡(luò)組成。
2.3 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)作為充電站遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)端，要具有信息接收、儲存、管理、發(fā)送的功能，是現(xiàn)場充電樁與 Web 服務(wù)器之間連接的有效途徑。它通過通訊層從站設(shè)備中接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中，為響應(yīng) Web 服務(wù)器的數(shù)據(jù)請求做好準(zhǔn)備。本系統(tǒng)采用的是微軟公司的 Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫。
2.4 Web 服務(wù)器
Web 服務(wù)器作為整個系統(tǒng)的第四層，也是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。Web 服務(wù)器負(fù)責(zé)接收客戶端發(fā)出的指令，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并協(xié)助客戶端完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息響應(yīng)。由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)種類較多，較為復(fù)雜，除了要求信息采集的實(shí)時性外，還必須實(shí)現(xiàn)在客戶端顯示的實(shí)時性。因此該系統(tǒng)采用動態(tài)交互式的Ｗｅｂ技術(shù)和具有局部刷新功能的 Ajax 技術(shù)，很好地解決了實(shí)時性的問題。
3 充電樁監(jiān)控的設(shè)計
3.1 硬件設(shè)計
充電樁智能監(jiān)控硬件系統(tǒng)有主控臺、IC 讀卡器、顯示屏、通信、鍵盤等等，充電樁監(jiān)控系統(tǒng)。交流電是接入的 220V/380V 電網(wǎng)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(jī)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(fèi)模塊顯示當(dāng)前計費(fèi)等。主控模塊是硬件系統(tǒng)的核心部分，有很多串口、網(wǎng)口和控制器等，它是控制一切模塊的樞紐，實(shí)時監(jiān)控運(yùn)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(jìn)行實(shí)時檢測，還需要建設(shè)一個保護(hù)程序，見圖 2。通過監(jiān)控保護(hù)單元對充電模塊電壓和電流進(jìn)行控制以及對電動汽車的電池系統(tǒng)進(jìn)行檢測，如出現(xiàn)異常或不穩(wěn)定時，及時斷開電源，保護(hù)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(shè)計
充電樁智能監(jiān)控軟件設(shè)計需能有效實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(dāng)前電池狀態(tài)，系統(tǒng)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(jié)束后，自動停止計費(fèi)并打印，然后系統(tǒng)自行鎖定。所有系統(tǒng)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(dú)立的，但又能協(xié)調(diào)處理工作。在設(shè)計上，編寫程序人員必須嚴(yán)格按照電樁系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可行性進(jìn)行開發(fā)。在人機(jī)交互程序設(shè)計上，需要考慮多樣化功能，比如，充電種類選擇、充電時間設(shè)置、里程充電設(shè)置、停止充電等，人機(jī)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(shè)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(fèi)和金額數(shù)據(jù)加密。
3.3 環(huán)境和電磁設(shè)計
電動汽車充電樁一般都安裝在戶外，因此受環(huán)境影響很大，尤其是陰雨潮濕等天氣，不僅會給充電設(shè)施帶來影響，也會給通訊帶來不便。在建設(shè)智能充電電樁的時候，可以選擇交叉覆蓋式結(jié)構(gòu)，這樣充電樁外殼要選擇防水防潮的材料，既防雨又通風(fēng)，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(yè)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(huán)境下工作。
4 安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺
4.1系統(tǒng)架構(gòu)
安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個充電樁進(jìn)行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請求，控制二維碼對應(yīng)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(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)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(yùn)行監(jiān)測，充電樁異常交易監(jiān)測。
交易結(jié)算：充電價格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財務(wù)相關(guān)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(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等
微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能
數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲和解析
變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個充電站配備一塊ARCM300T無線表，超負(fù)荷時系統(tǒng)自動對充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷超過百分之五十時，系統(tǒng)會限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷超過百分之八十時，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)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(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。
4.2.2平臺首頁
平臺首頁總覽每天的數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，累計的數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時長，以及相應(yīng)的環(huán)比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計。
4.2.3實(shí)時監(jiān)控
l 充電站監(jiān)控
充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時長，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。
l 充電槍監(jiān)控
充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數(shù)、累計充電時長等、充電電壓電流等參數(shù)。
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(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示
l 授權(quán)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(jìn)入這個頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：
l 主功能頁
初次進(jìn)入主功能頁時需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。
l 充電
掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價和預(yù)計可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)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(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評價。
l 個人信息
個人信息可以顯示當(dāng)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(shè)置支付密碼等功能
4.3硬件配置
4.3.1平臺服務(wù)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(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同，分別如下：
4.3.2現(xiàn)場推薦硬件配置清單：
5 結(jié)語
智能充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有操作簡單、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)。用戶通過 APP 客戶端即可完成預(yù)約、查詢、支付等操作，實(shí)現(xiàn)了對能源的充分利用和設(shè)備的便利應(yīng)用，能夠帶來相當(dāng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。隨著未來電動汽車行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對于充電樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)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(rèn)可度。
參考文獻(xiàn)
[1]劉朝輝.電動汽車智能充電樁的設(shè)計與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(3):248.
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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?yàn)榻^緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機(jī)：13482141563（微信同號）