摘要：針對國內(nèi)電動汽車充電樁規(guī)范化和標準化的需求,，設計并實現(xiàn)了一種符合國網(wǎng)公司標準的電動汽車智能充電樁,。首先介紹了國內(nèi)電動汽車充電樁的現(xiàn)狀,、需求,，然后以國網(wǎng)公司標準為設計原則,，進行了硬件系統(tǒng)、主控板及監(jiān)控單元的設計,，采用了模塊化設計原則進行了軟件系統(tǒng)的設計,，針對充電樁惡劣工作環(huán)境進行了環(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(jié)果表明該裝置安全、穩(wěn)定,、可靠,，必將為電動汽車的發(fā)展提供強有力的保障。

關(guān)鍵詞：電動汽車充電樁硬件系統(tǒng)

0,、引言

隨著新能源戰(zhàn)略的推動和電動汽車行業(yè)的發(fā)展,，電動汽車充電行業(yè)的發(fā)展非常迅速。目前,，我國電動汽車充換電設施試點工程已建成并投運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個省市,，杭州初步建成電動汽車充換電服務網(wǎng)絡,。充換電站及充電樁數(shù)量已居世界前列，我國成為世界上電動汽車充電裝置國家電網(wǎng)將在“十二五”期間建設充換電站2351座,，充電樁22萬個,，初步建成覆蓋公司經(jīng)營區(qū)域的智能充換電服務網(wǎng)絡。

針對目前市場上電動汽車和充電設備接口不統(tǒng)一,、功能,、性能設計標準不統(tǒng)一，質(zhì)量良莠不齊的現(xiàn)狀,，先后出臺了一系列的規(guī)范和標準,。電動汽車充電樁作為電動汽車充電的主要渠道，其性能,、工藝水平和質(zhì)量直接影響到電動汽車的推廣,。因此，非常有必要根據(jù)相關(guān)標準的要求,，進行了電動汽車充電樁的設計,。電動汽車充電樁設計時，不僅要滿足電動汽車充電的基本功能,，還需要強化充電樁電氣安全,、數(shù)據(jù)安全設計和環(huán)境及電磁兼容性能的設計,。

1、電動汽車充電樁設計

本項目設計的電動汽車智能充電樁依據(jù)《NB/T33002－2010電動汽車交流充電樁技術(shù)條件》,、《Q/GDW485－2010電動汽車交流充電樁技術(shù)條件》,、《Q/GDW478－2010電動汽車充電設施建設技術(shù)導則》、《國家電網(wǎng)公司電動汽車充電設施建設指導意見》相關(guān)要求進行設計,。該產(chǎn)品在滿足相關(guān)標準對電動汽車充電樁的技術(shù)要求基礎(chǔ)上,，強化了充電樁電氣安全、數(shù)據(jù)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、無線組網(wǎng)等功能,。

1.1 硬件系統(tǒng)設計

電動汽車充電樁硬件系統(tǒng)主要由主控板,、監(jiān)控板、IC卡讀寫器,、數(shù)字電表,、移動通信模塊、觸摸屏,、指示燈,、按鍵等組成。硬件系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示,。

圖1充電樁硬件系統(tǒng)組成框圖

主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分,，完成充電過程的啟動、運行,、實時監(jiān)控以及關(guān)閉,，并可通過多種通訊方式將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺。主控板的主要功能特點包括:具備6個串口,，一個以太網(wǎng)口,，動態(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。

為了實時監(jiān)測充電樁的運行狀態(tài),，保證充電過程的安全,、可靠，設計了監(jiān)控保護單元,。監(jiān)控保護單元組成框圖如圖2所示。該單元對充電樁的進線輸入電壓,，充電輸出電壓,、電流,，充電接口連接狀態(tài)，車載電池管理系統(tǒng)狀態(tài),，車載電池狀態(tài)等進行實時監(jiān)測,，一旦出現(xiàn)異常，能夠及時切斷電源輸出,，保護電動汽車,、電池及充電樁本身的安全。

1.2 軟件系統(tǒng)設計

1.2.1 系統(tǒng)工程流程

當電動汽車需要充電時,，用戶將充電卡放置刷卡區(qū),，根據(jù)畫面提示通過鍵盤進行相應操作，連接充電接口,，選擇充電模式,，啟動充電過程。

在上述過程中,，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，則無法啟動充電,。同時,，在充電過程中，顯示區(qū)的充電指示燈點亮,，監(jiān)控單元實時監(jiān)測充電電壓,、充電電流、充電接口連接狀態(tài),、充電開關(guān)狀態(tài)等,，在異常或故障時斷開充電開關(guān),，并報警,。

圖2監(jiān)控單元組成框圖

充電樁軟件系統(tǒng)主要完成的功能是將各功能模塊有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)各模塊的協(xié)調(diào)調(diào)用,，系統(tǒng)整體控制流程圖如圖3所示,。

圖3充電樁軟件系統(tǒng)主程序流程圖

1.2.2 功能模塊設計

充電樁軟件設計時采用了模塊化的編寫原則，這樣既能保證電動汽車充電樁軟件系統(tǒng)高效可靠的運行,，又能使該軟件系統(tǒng)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(tǒng)的功能可以把系統(tǒng)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(tǒng)功能框圖

當軟件系統(tǒng)啟動時,，主控程序根據(jù)系統(tǒng)配置文件加載程序配置信息，并根據(jù)配置信息完成各通信模塊的加載,。軟件平臺強大的多線程處理能力,，主控程序能夠輕松的完成與各通信模塊的交互。主控程序通過各模塊通信能夠完成用戶信息采集與展示,、實時數(shù)據(jù)采集與展示,、充電流程控制、計量計費功能等功能,，同時該主控程序還具備后臺通信功能,，能夠把充電過程中的實時數(shù)據(jù)、充電記錄等信息上送到遠方后臺系統(tǒng),。

人機交互模塊設計時,，界面顯示單元顯示的內(nèi)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(shù)設定界面、啟動充電界面,、充電界面,、停止充電界面、結(jié)賬界面,、打印界面等,。人機交互模塊通過與主控模塊的交互，獲取控制命令完成界面切換;獲取用戶信息與實時數(shù)據(jù)信息并進行信息展示,。

安全模塊由帶安全存取模塊(SAM)的讀卡器,，密鑰管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)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)，對用戶卡與充電樁數(shù)據(jù)交互過程中所使用的臨時變量進行加密處理,，并對傳遞過程進行線路加密,，保證了用戶卡與充電樁進行數(shù)據(jù)交互的過程中，信息不會被外界竊取,。密鑰管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)加密模塊用于把用戶數(shù)據(jù)按照事先約定的加密方式加密并存儲在用戶卡的用戶數(shù)據(jù)區(qū)域,。解密模塊用于將讀取的用戶卡數(shù)據(jù)還原為原始數(shù)據(jù)并進行相關(guān)的用戶識別,，扣費等操作,。

1.3 環(huán)境及電磁兼容設計

電動汽車充電樁應用環(huán)境大多在室外,，工作環(huán)境比較惡劣，需要適應雨,、雪,、霧、風吹,、日曬,、高溫、低溫等惡劣天氣的考驗;同時,，電動汽車作為一個充電設備,，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,。

樁體結(jié)構(gòu)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,，水珠不能進入樁體及樁體內(nèi)部;又能夠在工作時形成良好空氣流動，保證充電樁內(nèi)部元件的散熱;

樁體主體采用鍍鋅鋼板,，外表面采用汽車烤漆工藝,，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,，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(nèi)穩(wěn)定正常工作。

2,、項目實施情況

本項目開發(fā)完成的電動汽車充電樁,，于2010年12月27日通過了電力工業(yè)電力系統(tǒng)自動化設備質(zhì)量檢驗測試的型式試驗;目前，本項目已通過有關(guān)專家的鑒定,，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(xiàn)場應用圖片如圖5所示。

圖5臨沂焦莊充換電站現(xiàn)場照片充電樁操作界面

如圖6所示

3,、樁車網(wǎng)絡

根據(jù)一個時期內(nèi)可獲得的充電樁的交易流水數(shù)據(jù),，構(gòu)造樁車網(wǎng)絡。圖1為一個由6樁7車構(gòu)成的網(wǎng)絡,。

圖1由6樁7車構(gòu)成的網(wǎng)絡

樁車網(wǎng)絡可以用矩陣表示,，以行區(qū)分樁,、列區(qū)分車。如果用矩陣元素表示對應的樁車連接次數(shù),，則圖1網(wǎng)絡可用式（1）表示,。

如果將連接次數(shù)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,，相應的矩陣為式（2）。

圖2僅考慮連通性的網(wǎng)絡

4,、討論

根據(jù)以往研究,，可以得出以下結(jié)論：

表1初始充電樁排名

表2v1作用時的排名

表3v2作用時的排名

對比表1～3數(shù)據(jù)可知，因為網(wǎng)絡效應,，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計量特性傳播的依據(jù)，這是因為自然數(shù)排名具有離散性和排他性,，所以相比實數(shù)評分而言更加顯著和穩(wěn)定,。然而是否能夠直接以評分變差作為評價依據(jù)，還值得進一步研究,。

算例中的控制變量不是真實施加于網(wǎng)絡的,，而是虛擬的，類似于力學研究中的“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)絡完整性沒有要求，原則上該方法可應用于樁集合的任何子集,。特別是當真實（而非虛擬）的控制變量施加于網(wǎng)絡時,，同一樁集合的排名變差能夠反映出實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)絡傳播,，發(fā)現(xiàn)那些對傳播發(fā)揮關(guān)鍵作用的節(jié)點,，使得資源的投放更有效率。

5,、安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務,、支付管理,，交易結(jié)算，資要管理、電能管理,，明細查詢等,。同時對充電機過溫保護、漏電,、充電機輸入/輸出過壓,，欠壓，絕緣低各類故障進行預警,；充電樁支持以太網(wǎng),、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng),，用戶通過微信,、支付寶，云閃付掃碼充電,。

5.2應用場所

適用于民用建筑,、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū),、實業(yè)單位,、商業(yè)綜合體、學校,、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設施設計,。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層,、數(shù)據(jù)層和客戶端層,。

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

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器,，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務,、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫,、歷史數(shù)據(jù)庫,、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺,。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電,。

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控,、交易管理,、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能,，同時為運維人員提供運維APP,，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況,，對設備狀態(tài),、設備使用率、充電次數(shù),、充電時長,、充電金額、充電度數(shù),、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示,，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表,、充電記錄,、收益、能耗,、故障記錄等,。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率,，合理分配資源,。

5.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)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賬戶，對其進行賬戶進行充值,、退款,、凍結(jié)、注銷等操作,，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息,。

5.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理,，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送,，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題,。

5.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺,，從充電站點、充電設施、,、充電時間,、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息,、能耗統(tǒng)計信息等,。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施,，維護充電設施信息,、價格策略、折扣,、優(yōu)惠活動,，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁,。5.4.7運維APP

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

5.4.8充電小程序

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

5.5系統(tǒng)硬件配置

6,、結(jié)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(jù)電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃和發(fā)展方向，研制了一種穩(wěn)定,、可靠,、安全、實用的電動汽車智能充電樁,。運行結(jié)果表明,，本充電樁的使用提高了電動汽車充電樁的技術(shù)水平和實用化水平，有力的推動了電動汽車充電行業(yè)的發(fā)展,。

數(shù)據(jù)驅(qū)動的內(nèi)涵之一是數(shù)據(jù)決定方法,，根據(jù)能夠獲取的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(diào)的是,，由于交易記錄包含個人隱私，保管人在提交交易流水數(shù)據(jù)之前將個人信息進行編碼處理,。無論互聯(lián)網(wǎng)還是樁車網(wǎng)絡,，節(jié)點的排名都主要由節(jié)點間連接強度決定?；ヂ?lián)網(wǎng)由于建立連接的代價低,，其排名可以很好地反映網(wǎng)頁的質(zhì)量。在樁車網(wǎng)絡中,，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值,。網(wǎng)絡排名變差算法中,，排名變差原理是實質(zhì)性的，而評分算法是非實質(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一步研究。