面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)設計與應用

龔桃榮，劉瑞，秦曉敏，李濤

(北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京市 102202)

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面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)設計與應用

龔桃榮，劉瑞，秦曉敏，李濤

(北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京市 102202)

近年來已經(jīng)有很多關于電動汽車充電相關的研究與應用，但是缺乏智能的電動汽車充電與服務管理系統(tǒng)。為此，提出了面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電服務系統(tǒng)，對系統(tǒng)的3個主要組成部分云服務器、智能充電樁與App客戶端的結構與功能進行了詳細分析與設計。本系統(tǒng)通過客戶手持終端即能實時查詢充電裝置的位置與狀態(tài)信息，并實現(xiàn)充電裝置的定位導航、充電預約及鎖定等功能?？墒褂脩魧崟r參與用電管理，實現(xiàn)有序充電、合理用電，為電動汽車大規(guī)模推廣提供有效途徑。

電動汽車；互聯(lián)網(wǎng)；智能充電；App客戶端

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進度的加快，能源需求量持續(xù)增長，環(huán)境問題日益嚴峻。電動汽車具有以電代油、環(huán)保高效的優(yōu)點，是值得大力提倡的節(jié)能方式[1-4]。隨著電動汽車的逐步推進，電動汽車充電用戶希望能夠實時了解充電樁的位置信息、電價信息等，通過主動參與用電管理，降低用電費用，提高能源利用效率，達到需求側管理和節(jié)能減排的目的。實現(xiàn)此目的的一項重要基礎就是對充電樁進行電量監(jiān)測并智能控制其狀態(tài)，實現(xiàn)精細化、智能化管理[4-8]。

美國已有公司發(fā)布了移動應用程序，電動車主，只需輕觸幾下屏幕便可輕松搜尋到附近的充電站，還可以預先知道充電的價格[9]。國內現(xiàn)有充電設施或充電系統(tǒng)主要以充電站、充電樁或換電站建設為主，截止2015年3月，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)建成618座充換電站、2.4萬個充電樁，并形成了一定的充換電網(wǎng)絡。也有單位提出了電動汽車智能充電的導航系統(tǒng)[7]、智能充電樁的設計[8]或建設電動汽車智能服務平臺[10]，但目前國內還未推出集智能充電服務平臺、智能充電裝置和App客戶端應用軟件于一體的應用系統(tǒng)。

針對國內電動汽車充電系統(tǒng)的這種現(xiàn)狀，本文設計了面向互聯(lián)網(wǎng)的電動汽車智能充電系統(tǒng)，通過App客戶端實現(xiàn)充電裝置狀態(tài)查詢、定位導航、充電預約及智能充電與充電裝置鎖定等功能，后期還可基于智能云服務器進一步對用戶充電行為進行數(shù)據(jù)挖掘與分析，為電動汽車大規(guī)模推廣奠定智能服務的基礎。

1 電動汽車智能充電系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由云服務器、智能充電樁和移動客戶端App應用軟件組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

(1)云服務器是電動汽車充電提供數(shù)據(jù)發(fā)布、收集、存貯、加工、維護和挖掘的綜合平臺。電動汽車充電云服務器，由計算機、網(wǎng)絡設備、存儲設備、其他外圍設備和平臺應用軟件組成。支持百萬級客戶的多種業(yè)務請求，系統(tǒng)平臺軟件和硬件都具備高可靠性、可用性和可擴展性。

(2)智能充電樁為電動汽車充電的裝置。有交流樁和直流樁。交流樁一般為慢充，充電時間為4～5h。直流樁為快充樁，充電時間在1h內。

(3)移動客戶端為電動汽車用戶參與用電管理的接口，用戶可以通過App實時查詢充電樁的位置與狀態(tài)信息，并實現(xiàn)定位與導航，進行充電預約等。

系統(tǒng)各組成部分之間的通信結構示意圖如圖2所示，智能充電樁含有Wi-Fi通信模塊，可與Wi-Fi路由器進行通信；Wi-Fi路由器通過2G、3G或光纖網(wǎng)絡等將信息發(fā)送給云服務器。智能手機、平板電腦等終端設備通過Wi-Fi、通用無線分組業(yè)務(generalpacketradioservice，GPRS)和碼分多址(codedivisionmultipleacess，CDMA)等與云服務器通信。

此外，系統(tǒng)中還布設了安全防護體系，由云服務器、智能充電樁及網(wǎng)絡的安全防護措施組成。網(wǎng)絡的安全防護措施主要采用防火墻、可信邊界網(wǎng)關和網(wǎng)閘等常用的技術。

在云服務器中加入了密鑰管理系統(tǒng)和密碼機，在智能充電樁中部署了公司特有的嵌入式安全模塊芯片(embeddedsecureaccessmodule，ESAM)。

圖2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡架構

密鑰管理系統(tǒng)是安全防護的核心，主要負責密鑰的生成、存儲、傳遞與分發(fā)、備份與恢復、銷毀、更新。密碼機是密鑰的存儲和運算設備，是系統(tǒng)安全運算的核心，由國家密碼管理局認可，實現(xiàn)數(shù)據(jù)簽名和鑒簽、數(shù)據(jù)加密與解密、密鑰存儲和管理等功能。密碼機加解密運算速度快，滿足主站系統(tǒng)并發(fā)數(shù)據(jù)處理要求。系統(tǒng)的所有密鑰保存在密碼機內部，可有效防止內外部人員的攻擊，安全性高，穩(wěn)定性強。

在智能充電樁終端內嵌入安全芯片，終端的密鑰和關鍵數(shù)據(jù)存儲在安全模塊中，安全模塊的訪問需要通過相關認證取得訪問權限；終端密鑰采用“一終端一密鑰”，一個終端密鑰的泄露不會影響其他終端的正常使用；終端對接收的參數(shù)和控制信息進行來源認證(鑒簽)、時效性驗證、完整性驗證和防重放攻擊驗證，杜絕非法控制指令干擾終端的正常運行。

2 電動汽車智能充電系統(tǒng)設計

2.1 云服務器

2.1.1 架構設計

云服務器以spring開源架構為基礎，分層處理策略，逐層分解數(shù)據(jù)處理壓力，提高系統(tǒng)整體性能和整體穩(wěn)定性。主要包括應用層、業(yè)務層和網(wǎng)絡層這3個層次，總體技術架構如圖3所示。業(yè)務層實現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一與表達，建立統(tǒng)一信息模型，規(guī)范網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)接入，完善云服務器架構；網(wǎng)絡層將不同的通信技術屏蔽，按照規(guī)范化的統(tǒng)一通信規(guī)約實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳送；應用層遵循云服務器體系架構，將多種數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一管理并向外提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務，支撐各類業(yè)務應用。

圖3 云服務器架構示意圖

(1)網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層將充電樁的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一信息模型描述后傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層，通過信息模型映射到統(tǒng)一標準通信規(guī)約進行數(shù)據(jù)傳輸至集群服務器，然后經(jīng)過集群服務器傳輸至業(yè)務域層。網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)底層設備數(shù)據(jù)的模型映射、設計統(tǒng)一的通信規(guī)約實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

(2)業(yè)務層。業(yè)務層負責處理前端及網(wǎng)絡層采集的數(shù)據(jù)、指令等，負責實現(xiàn)業(yè)務功能及數(shù)據(jù)處理。處理來自2個方向的數(shù)據(jù)流：應用層數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)流；通過緩存、隊列、實時存儲等方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的合并/拆分、過濾、轉換等操作，完成計算任務。業(yè)務層的部署上前期可采用服務器集群方式提供計算能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性；后期隨著數(shù)據(jù)量的遞增，可考慮部署在云計算環(huán)境中以提高計算、存儲能力。

(3)應用層。云服務器前端采用表述性狀態(tài)轉移(representationalstatetransfer，REST)架構，超文本傳輸協(xié)議(hypertexttransferprotocol，HTTP)無狀態(tài)協(xié)議；通過RESTAPI(applicationprogramminginterface)方式對外發(fā)布接口。主要提供各種資源的獲取、修改等操作；提供緩存、事務等解決方案。前端作為展現(xiàn)層為用戶提供多種方式的展現(xiàn)形式。

2.1.2 功能設計

云服務器功能設計為充電樁運營監(jiān)控管理系統(tǒng)，如圖4所示，主要有監(jiān)控管理、交易管理、信息采集管理、運營工況分析和系統(tǒng)管理等功能，具體如下：

(1)監(jiān)控管理。監(jiān)控管理主要針對包括交流充電樁和直流充電樁在內的充電設備，基于高效、準確的定位與可視化方式，滿足監(jiān)測充電設備狀態(tài)信息與控制充電設備運行參數(shù)的需求。

(2)交易管理。交易管理指對充電交易業(yè)務流程中產(chǎn)生的費用流轉、賬單數(shù)據(jù)、交易明細等數(shù)據(jù)進行管理，為保證電費賬目的準確、明晰提供支撐。包括計費管理、客戶交易信息檢索等功能。

圖4 云服務器功能設計示意圖

(3)信息采集管理。采集管理支持對實時在線監(jiān)測的充電設備，建立基礎檔案、采集信息檔案和數(shù)據(jù)采集等信息維護業(yè)務。包括采集檔案管理、采集任務管理。

(4)運營工況分析。運營工況分析是指通過對地區(qū)、區(qū)域、客戶的充電數(shù)據(jù)分析，反映電動車推廣度走勢，為決策單位制定宏觀方案提供數(shù)據(jù)支撐。包括充電分析、工況分析、財務分析等功能。

(5)系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理主要為系統(tǒng)管理員使用，內容包括系統(tǒng)用戶管理、角色管理、菜單管理、權限管理、日志管理、參數(shù)管理以及系統(tǒng)消息管理等工作內容。

2.2 智能充電樁

智能充電樁可分為交流充電和直流充電兩種。交流充電是安裝在電動汽車外、與交流電網(wǎng)連接，為電動汽車車載充電機提供交流電源的供電裝置，同時具備計量計費、通信等功能。直流充電除具備以上功能外，還實現(xiàn)電源變換、汽車狀態(tài)監(jiān)測、電池管理等功能。智能充電樁與傳統(tǒng)充電樁的差別在于增加了Wi-Fi通信模塊，可以通過Wi-Fi路由器與云服務器連接。如圖5所示為智能交流充電樁的組成圖，主要由電源轉換模塊、微控制單元(maincontrollerunit，MCU)單元、Wi-Fi通信模塊和保護單元等組成。其主要模塊描述如下：

(1)MCU單元。MCU單元為充電裝置的控制核心，完成指令控制與信息分發(fā)，采用低功耗，高性價比的CORTEX-M0系列芯片，通過串口或串行外圍設備接口(serialperipheralinterface，SPI)總線與Wi-Fi通信模塊通信，通過485總線與數(shù)字電表通信，通過I2C總線與Flash存儲單元通信，MCU通過驅動電路與接觸器相連實現(xiàn)充電電能輸出的通斷控制。

(2)Wi-Fi通信模塊。采用低功耗的Wi-Fi模塊，實現(xiàn)與無線網(wǎng)關的數(shù)據(jù)通信進而實現(xiàn)充電裝置開關狀態(tài)遠程控制、電流、功率、電能信息的上報。

(3)保護單元。保護單元包括防雷器和漏電保護器，防雷器用于防止雷電或其他內部過電壓侵入設備造成損壞，漏電保護器用于在設備發(fā)生漏電故障以及有致命危險的人身觸電保護。

(4)電源轉換模塊。電源轉換模塊用于將交流電轉換為直流電，提供不同電壓等級的直流電，為充電裝置中的其他電路提供電源。

圖5 智能交流充電樁功能組成

2.3App客戶端

App客戶端軟件總體設計為C/S體系結構，采用多層體系結構，以提供更好的靈活性和強大的擴展能力。多層體系對于客戶端來說是三層結構，為視圖層、業(yè)務邏輯層和務實體層，并設計了2個版本，分別支持操作系統(tǒng)為iOSV7.0.0及以上版本和AndroidV2.3.3及以上版本。

(1)視圖層。與用戶交互的界面，響應用戶的請求，調用業(yè)務邏輯層的接口進行邏輯處理，根據(jù)結果以不同的形式展現(xiàn)給用戶。視圖層包含地圖顯示、支付結算、狀態(tài)顯示、控制界面和查詢界面。

(2)業(yè)務邏輯層。業(yè)務邏輯層主要完成對視圖層所有功能的業(yè)務邏輯支撐，如圖6所示，主要包括地圖功能、支付功能、控制功能、查詢功能和狀態(tài)顯示功能。對業(yè)務邏輯進行判斷和運算，包括對服務器的數(shù)據(jù)請求和對本地數(shù)據(jù)庫的讀取。

圖6 業(yè)務邏輯層模塊劃分示意

(3)業(yè)務實體層。包含了各個業(yè)務實體，對網(wǎng)關服務器的數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)解析；對平臺服務器的數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)解析；數(shù)據(jù)庫維護。

App客戶端軟件根據(jù)用戶選擇的功能調用業(yè)務邏輯層相應的模塊，業(yè)務邏輯層負責業(yè)務流程的組織，并調用業(yè)務實體層的模塊，通過網(wǎng)關服務器接口(或平臺服務器接口)同網(wǎng)關服務器(或平臺服務器)進行信息交換。具備如下功能：

(1)地圖功能。智能充電樁具備地圖應用功能，可以通過地圖及導航查詢充電樁的位置信息。

(2)狀態(tài)顯示功能。通過手機App顯示智能充電樁的各種狀態(tài)如空閑、故障、正在使用、已預約等。

(3)支付功能。系統(tǒng)具有充電結算功能，通過賬戶和支付寶、微信賬戶等綁定，實現(xiàn)定額、定量、定時等方式的智能充電。

(4)控制功能。通過控制命令實現(xiàn)對智能充電裝置的設置和控制，包括開始充電、取消預約、停止充電等。

(5)查詢功能。用戶可查詢充電數(shù)據(jù)詳情(次數(shù)、累計)。

App客戶端具有4種不同的充電服務模式選擇：

模式1 定電量充電，即在人機界面上輸入所需電量，開始充電直到達到電量設定值。

模式2 定時間充電，即在人機界面上輸入設定時間，充電樁開始充電直到達到時間設定值。

模式3 定金額充電，即在人機界面上輸入設定金額，充電樁開始充電直到達到金額設定值。

模式4 自動(充滿為止)充電，即在人機界面上選擇充滿為止，充電樁會開始充電直到電動汽車充電為止。

4種模式充電過程中，用戶均可手動終止充電。在充電過程中，充電樁顯示已充電時間、充電電量等信息。充電結束后，充電樁顯示用戶的充電時間、已充電量、消費金額、賬戶余額等信息。

3 應用實例

由北京市科學技術委員會牽頭，昌平區(qū)政府參與，北京南瑞智芯微電子科技有限公司主持完成的京密北路東段路燈充電樁建設改造項目，工程路段全長1.5km，實施LED路燈改造84盞，以80WLED燈替換250W高壓鈉燈，建成8座慢充充電樁和2座快充充電樁，并部署了電動汽車智能充電系統(tǒng)1套。并且這套系統(tǒng)將建成以后，國家電網(wǎng)公司北京供電公司進一步參與，將北京市由國家電網(wǎng)公司建設的充電樁都納入電動汽車智能充電系統(tǒng)管理。以昌平地區(qū)電動出租車充電為例，使用慢充樁充電時間約4～5h，使用快充樁30min可補電80%。這些充電樁已步緩解昌平區(qū)的電動汽車充電問題，如圖7所示為用App客戶端查詢的華北電力大學充電樁的應用實例圖。

圖7 充電樁查詢App顯示

4 結 論

電動汽車智能充電系統(tǒng)是電動汽車大規(guī)模推廣的基本動力，是實現(xiàn)用戶參與用電管理、有序充電、合理用電的關鍵。本文探討了基于云平臺的電動汽車智能充電系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，分析了云平臺、智能充電裝置和App客戶端等3個主要單元的組成與功能。該系統(tǒng)通過App客戶端讓用戶采用手持終端即可實現(xiàn)充電裝置狀態(tài)查詢、定位導航、充電預約及鎖定等高級功能，為電動汽車用戶與電網(wǎng)進行互動提供了平臺。

[1]薛飛,雷憲章,張野飚,等. 電動汽車與智能電網(wǎng)從V2G到B2G的全新結合模式[J]. 電網(wǎng)技術，2012, 36(2)：29-34.XueFei,LeiXianzhang,ZhangYebiao,etal.Abrand-newapproachofconnectingelectricalvehicleswithsmartgridfromvehicle-to-gridmodetobattery-to-gridmode[J].PowerSystemTechnology, 2012, 36(2):29-34.

[2]王恩琦. 電動汽車充電設施運營模式及規(guī)劃研究[D].北京：華北電力大學，2012.WangEnqi.ResearchonbusinessmodeandplanningofEV’schargingfacilities[D].Beijing:NorthChinaElectricPowerUniversity,2012.

[3]SortommeE,El-SharkawiMA.Optimalchargingstrategiesforunidirectionalvehicle-to-grid[J].IEEETransactiononSmartGrid, 2011, 2(1): 131-138.

[4]GuoQinglai,WangYao，SunHongbin，etal.ResearchonarchitectureofITSbasedsmartchargingguidesystem[C]//PowerandEnergySocietyGeneralMeeting.SanDiego：IEEE，2011：1-5.

[5]孫曉明. 電動汽車充電電價時段劃分方法及有序充電策略研究[D]. 北京：北京交通大學，2014.SunXiaoming.Researchinelectricvehicletime-of-usechargingpriceperiodsdivisionandcoordinatedchargingstrategy[D].Beijing,BeijingJiaotongUniversity,2014.

[6]唐曉瑭，倪樺，王永生. 電動汽車供電能源優(yōu)化組合及智能充電策略[J]. 電力建設，2013, 34(12)：111-115.TangXiaotang,NiHua,WangYongsheng.Energysupplyoptimizationandintelligentchargingstrategyofelectricvehicles[J].ElectricPowerConstruction, 2013, 34(12)：111-115.

[7]蘇舒，孫近文，林湘寧，等. 電動汽車智能充電導航[J]. 中國電機工程學報，2013, 33(S)：59-67.SuShu,SunJinwen,LinXiangning,etal.Electricvehiclesmartchargingnavigation[J].ProceedingsoftheCSEE, 2013, 33(S)：59-67.

[8]徐志丹，趙宏振，張宗慧. 基于云計算平臺的電動汽車充電樁設計與實現(xiàn)[J].電氣時代，2014(5):68-71.

[9]陳一鳴，管克江，黃發(fā)紅，等. 普及電動車，多國加快充電網(wǎng)點建設[N]. 人民日報，2014-8-11(22).[10]潘鳴宇,賀家勝,遲忠君,等.電動汽車智能服務平臺的設計與實現(xiàn)[J]. 電力信息與通信技術,2014，12(1):78-81.PanMingyu,HeJiasheng,ChiZhongjun,etal.Designandimplementationofanintelligentserviceplatformforelectricvehicles[J].ElectricPowerInformationandCommunicationTechnology, 2014，12(1):78-81.

李濤(1979), 男，碩士，工程師，主要從事智能用電等方面的工作。

(編輯：蔣毅恒)

DesignandApplicationofElectricVehicleIntelligentChargingSystemBasedonInternet

GONGTaorong,LIURui,QINXiaomin,LITao

(BeijingNariSmart-chipMicroelectronicsCompanyLimited,Beijing102202,China)

Therehavebeenmanyresearchesandapplicationsonelectricvehiclecharginginrecentyears,butlessontheintelligentchargingandservermanagingsystem.Therefore,theintelligentchargingservicesystemofelectricvehiclebasedoninternetwasproposed,andthestructureandfunctionofthesystem’s3mainparts:cloudplatform,intelligentchargingdeviceandAppclientwereanalyzedanddesignedindetail.Throughthehand-heldterminalofuser,thissystemcansupplyreal-timequeryabouttheinformationofthelocationandstatusofchargingdevice,andrealizethefunctionsofthepositioningandnavigation,appointmentandlockingofchargingdevice.Thissystemalsocanmakeuserparticipateinthereal-timeelectricitymanagement,andrealizethecoordinatedchargingandthereasonableuseofelectricity,whichcanprovideeffectivemethodsforthelarge-scalepromotionofelectricvehiclesinthefuture.

electricvehicle;internet;intelligentcharging;Appclient

北京市科委計劃項目(Z141100004014018)。

TM910.6；U

A

1000-7229(2015)07-0222-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.07.032

2015-03-24

2015-05-26

龔桃榮(1982)，女，博士，工程師，主要從事用電節(jié)能、智能用電等方面的工作；

劉瑞(1984)，男，碩士，工程師，主要從事用電節(jié)能、智能用電等方面的硬件設計工作；

秦曉敏(1985)，女，碩士，工程師，主要從事用電節(jié)能、智能用電等方面的軟件開發(fā)工作；