基于云平臺(tái)的電動(dòng)汽車充電管理主站研究

／石家莊科林電氣股份有限公司 張成鎖／

基于云平臺(tái)的電動(dòng)汽車充電管理主站研究

／石家莊科林電氣股份有限公司 張成鎖／

隨著電動(dòng)汽車的普及，充電難的問(wèn)題越來(lái)越凸顯，本文提出了采用云平臺(tái)的方式進(jìn)行管理，詳細(xì)講解了整體思路、技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)施效果，并簡(jiǎn)述了系統(tǒng)主站各個(gè)組成部分及各自的作用，為充電管理系統(tǒng)的搭建運(yùn)行提供了必要的技術(shù)依據(jù)。

云平臺(tái)；電動(dòng)汽車；充電管理

0 引言

目前，新能源汽車已進(jìn)入“十三五”開(kāi)局之年，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年4月，國(guó)家及地方共出臺(tái)新能源汽車相關(guān)政策58項(xiàng)，其中國(guó)家出臺(tái)15項(xiàng)，地方出臺(tái)43項(xiàng)。現(xiàn)在，公共充電設(shè)施數(shù)量不足、分布不均等問(wèn)題仍制約著我國(guó)新能源汽車的發(fā)展。在全球能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)嚴(yán)重的大背景下，我國(guó)政府積極推進(jìn)新能源汽車的應(yīng)用與發(fā)展，合理分配電動(dòng)汽車充電資源具有非常重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體思路

通過(guò)管理云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分散在全國(guó)各地的充電樁進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)，并支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程升級(jí)，實(shí)現(xiàn)智能管理、智能運(yùn)營(yíng)、智能監(jiān)控。支持PC瀏覽器、手機(jī)/平板APP客戶端接入訪問(wèn)，在線查看充電樁狀態(tài)信息?；谠诰€地圖的圖層標(biāo)注、定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充電站（樁）在線顯示、查詢及導(dǎo)航功能。

1.1 需要解決的問(wèn)題

1）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接受大量充電樁同主站的連接，保證海量數(shù)據(jù)的可靠接入；2）互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)有方便快捷的特點(diǎn)，同時(shí)也有非法登錄、惡意破解等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，如何保證身份合法性，保障系統(tǒng)安全性；3）個(gè)人車主查詢充電站、自動(dòng)設(shè)置導(dǎo)航路線，解決找樁問(wèn)題；4）通過(guò)采集監(jiān)測(cè)充電樁、充電站及整個(gè)線路的用電負(fù)荷，由管理云平臺(tái)引導(dǎo)用戶到負(fù)載較輕線路充電，實(shí)現(xiàn)線路的負(fù)載均衡。

1.2 研究?jī)?nèi)容

1）研究負(fù)載均衡和服務(wù)器集群技術(shù)，保證海量數(shù)據(jù)的安全接入。2）研究在線地圖的圖層標(biāo)注、定位技術(shù)，充電站（樁）在線顯示、查詢及導(dǎo)航功能。3）研究動(dòng)態(tài)隨機(jī)短信驗(yàn)證+IP注冊(cè)授權(quán)雙重模式技術(shù)，確保系統(tǒng)安全性。4）研究手機(jī)等移動(dòng)客戶端 Android/iOS開(kāi)發(fā)技術(shù)，基于支付寶、微信錢(qián)包的在線安全支付、充值。5）研究費(fèi)控及結(jié)費(fèi)技術(shù)，保證充電樁計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性。6）研究充電樁、充電站及整個(gè)線路的用電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)線路的負(fù)載均衡。7）研究SM1加密技術(shù)，保證充電樁用戶卡及傳輸數(shù)據(jù)安全性。

2 技術(shù)方案

系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

采集服務(wù)器集群：采用負(fù)載均衡動(dòng)態(tài)連接的方式，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。其中，負(fù)載均衡服務(wù)器收到充電樁的連接請(qǐng)求后，通過(guò)負(fù)載算法動(dòng)態(tài)分配連接的采集服務(wù)器，保持采集服務(wù)器負(fù)載均衡，不至于滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致癱瘓。采集服務(wù)軟件動(dòng)態(tài)接受遠(yuǎn)程連接后，首先通過(guò)充電樁地址和校驗(yàn)密鑰驗(yàn)證來(lái)連接數(shù)據(jù)的合法性，避免非法惡意連接，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不安全。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器：采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，基于MySQL Cluster集群技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并發(fā)存儲(chǔ)。通過(guò)MySQL Cluster集群技術(shù)，可解決數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)、存儲(chǔ)并發(fā)瓶頸問(wèn)題，通過(guò)增加服務(wù)器來(lái)擴(kuò)大集群，增加并發(fā)處理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高速訪問(wèn)，存儲(chǔ)處理，提高訪問(wèn)效率。

支付服務(wù)器：通過(guò)與支付寶、微信合作，注冊(cè)為正式商戶，采用安全的支付接口，通過(guò)移動(dòng)客戶端發(fā)起支付操作，在服務(wù)器端通過(guò)與支付寶、微信快速、安全的回調(diào)機(jī)制保證支付交易的原子性。

對(duì)賬服務(wù)器：定期從支付寶、微信系統(tǒng)獲取對(duì)賬文件，通過(guò)與系統(tǒng)中用戶的充值記錄對(duì)比，處理單邊帳記錄，對(duì)賬中心是對(duì)支付中心的一個(gè)驗(yàn)證和有效補(bǔ)充，進(jìn)一步確保交易數(shù)據(jù)的完整性。

計(jì)費(fèi)服務(wù)器：車主掃碼并確認(rèn)充電后，充電樁工作，定時(shí)上報(bào)用戶充電消費(fèi)數(shù)據(jù)，通過(guò)APP可以查看到當(dāng)前充電電量、電費(fèi)，充電結(jié)束后，由計(jì)費(fèi)中心根據(jù)電量、峰谷電價(jià)，實(shí)時(shí)計(jì)算用戶消費(fèi)金額、扣減用戶的剩余金額，并生成消費(fèi)交易記錄，供歷史數(shù)據(jù)查詢，對(duì)賬使用。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

結(jié)算服務(wù)器：用戶充電后生成了對(duì)應(yīng)的消費(fèi)交易記錄，系統(tǒng)定期計(jì)算加盟商的所有充電樁累計(jì)充電記錄，生成月結(jié)算報(bào)表，加盟商核對(duì)無(wú)誤后、由財(cái)務(wù)結(jié)算中心根據(jù)協(xié)議約定給加盟商打款。

充電樁運(yùn)維管理Web：運(yùn)維管理系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行在線發(fā)布，采用Tomcat 6.0作為Web服務(wù)應(yīng)用。負(fù)責(zé)建立充電樁通訊通道、費(fèi)率檔案運(yùn)營(yíng)商檔案、操作員檔案。為充電樁運(yùn)營(yíng)商建立充電站、充電樁、參數(shù)設(shè)置、手工召測(cè)、工況查詢等維護(hù)信息。查詢車主充值、充電記錄、對(duì)賬查詢、結(jié)算查詢、掛失充電卡、車主狀態(tài)維護(hù)等工作。

充電樁門(mén)戶Web：門(mén)戶Web提供APP下載、加盟說(shuō)明、充電樁規(guī)格；加盟商登錄后可以查詢充電樁當(dāng)前狀態(tài)信息、歷史充電記錄、資金對(duì)賬；車主登錄后可以完善個(gè)人信息、查詢充電記錄、充值記錄。

移動(dòng)客戶端APP：APP提供自注冊(cè)賬號(hào)、完善本人信息、在線充值、在線充電、查詢充值記錄、查詢充電記錄、地圖導(dǎo)航、附近電站等。

整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)+管理云平臺(tái)充分考慮了資金賬務(wù)的安全、惡意攻擊的安全性、大量數(shù)據(jù)接入、大量用戶訪問(wèn)的并發(fā)性、處理效率等多方面問(wèn)題，在安全性、可擴(kuò)展性、高可靠性進(jìn)行了充分考慮和論證。整個(gè)系統(tǒng)采用分布式、模塊化設(shè)計(jì)，可動(dòng)態(tài)增加業(yè)務(wù)應(yīng)用而不影響已有應(yīng)用。軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖 2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

采用的技術(shù)：項(xiàng)目采用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)處理等后臺(tái)應(yīng)用，采用Java語(yǔ)言、Jsp技術(shù)、Ajax異步訪問(wèn)技術(shù)、HTTP通信技術(shù)、DIV+CSS網(wǎng)頁(yè)布局技術(shù)、JSP+Structs+Hibernat+Ajax開(kāi)發(fā)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

硬件設(shè)備：運(yùn)營(yíng)平臺(tái)包括采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、Web發(fā)布服務(wù)器，支付服務(wù)器、計(jì)費(fèi)服務(wù)器、結(jié)算服務(wù)器、對(duì)賬服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、負(fù)載均衡服務(wù)器、安全防御裝置、防火墻等若干設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：若干充電樁樁體及數(shù)據(jù)采集器設(shè)備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1）基于負(fù)載均衡服務(wù)器集群模式，構(gòu)建了采集、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)器集群的應(yīng)用架構(gòu)，保證海量數(shù)據(jù)接入的穩(wěn)定性、完整性。采用數(shù)據(jù)庫(kù)雙機(jī)冗余技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱備切換，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2）采用充電樁計(jì)費(fèi)、計(jì)費(fèi)服務(wù)器扣費(fèi)方式，充電樁實(shí)時(shí)算費(fèi)，充電結(jié)束后由計(jì)費(fèi)服務(wù)器統(tǒng)一運(yùn)算、校驗(yàn)、扣除交易金額、生成消費(fèi)記錄。3）實(shí)現(xiàn)加盟商自動(dòng)結(jié)算，根據(jù)充電流水賬單，自定義預(yù)設(shè)結(jié)算周期，結(jié)算服務(wù)中心定時(shí)自動(dòng)結(jié)算運(yùn)營(yíng)費(fèi)用給加盟運(yùn)營(yíng)商，并生成結(jié)算賬單。4）移動(dòng)充值、監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)支付寶、微信錢(qián)包接口實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備充值業(yè)務(wù)，通過(guò)APP客戶端實(shí)現(xiàn)充電數(shù)據(jù)的在線顯示和查詢功能。5）有效監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，采集服務(wù)器實(shí)時(shí)更新充電樁在線狀態(tài)、充電/空閑狀態(tài)，自動(dòng)為車主尋找周邊空閑充電樁，實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)航服務(wù)。6）安全的Web防御機(jī)制，通過(guò)“動(dòng)態(tài)隨機(jī)短信驗(yàn)證+IP注冊(cè)授權(quán)雙重模式”的安全認(rèn)證模式，任何登入系統(tǒng)的操作員必須通過(guò)身份認(rèn)證，保證用戶身份合法性，保障系統(tǒng)安全性。7）通過(guò)監(jiān)測(cè)用電負(fù)荷進(jìn)行短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，利用空余容量實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車智能充電管理。8）采集充電線路三相電流，智能安排電動(dòng)車停放及充電次序，實(shí)現(xiàn)三相電流平衡調(diào)節(jié)。

4 實(shí)施效果

本項(xiàng)目基于云數(shù)據(jù)中心，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)采集充電樁的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行工況。采用分時(shí)計(jì)費(fèi)模式，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電，指導(dǎo)用戶合理用電，改善了局部電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。通過(guò)遠(yuǎn)程智能運(yùn)維，方便了系統(tǒng)的調(diào)試，減少了充電樁升級(jí)的工作量。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)分布式充電站當(dāng)前充電信息、運(yùn)行信息、狀態(tài)信息、告警信息，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)故障，把問(wèn)題消滅在萌芽期。通過(guò)APP與充電卡雙模操作，實(shí)現(xiàn)雙路充電的無(wú)縫自動(dòng)切換，給用戶帶來(lái)多樣性、可選擇性的充電體驗(yàn)。

本系統(tǒng)的建設(shè)能夠有效推動(dòng)電動(dòng)汽車充電樁、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，解決電動(dòng)汽車充電樁互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控維護(hù)困難的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。智能化運(yùn)維服務(wù)，保證充電樁高可靠、高質(zhì)量運(yùn)行，同時(shí)能夠帶動(dòng)充電樁相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。