電動(dòng)汽車充電樁檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

王魁生, 張 晗

(西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西安 710065)

0 引 言

隨著化石燃料的廣泛使用，由此產(chǎn)生的環(huán)境污染、能源危機(jī)等問題日益嚴(yán)重，已成為全人類面臨的共同問題。提高傳統(tǒng)能源(石油、天然氣、煤等)的利用率、開發(fā)新能源已成為世界各國的共識(shí)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[1]。

現(xiàn)如今汽車已成為人們?nèi)粘３鲂斜夭豢缮俚慕煌üぞ?，因此在世界范圍?nèi)擁有龐大的汽車數(shù)量，由此帶來的燃油消耗已成為世界石油消耗的主體，并且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來，城市污染的主要原因就是汽車尾氣排放超量所致。要減少對(duì)環(huán)境的再度污染，汽車產(chǎn)業(yè)必須向節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展[2-4]。

電動(dòng)汽車是完全或者部分依賴電力作為驅(qū)動(dòng)能源的道路交通工具。與傳統(tǒng)以化石能源為動(dòng)力的汽車相比，電動(dòng)汽車在節(jié)能、環(huán)保等方面都有巨大的優(yōu)勢[5-6]。正如傳統(tǒng)汽車需要定期加油以補(bǔ)充消耗的燃料一樣，電動(dòng)汽車也需要為蓄電池補(bǔ)充電能來保障正常行駛。這就需要建設(shè)類似于傳統(tǒng)汽車加油站的電動(dòng)汽車充電站用于為電動(dòng)汽車補(bǔ)充電能，而電動(dòng)汽車充電站主要用充電樁為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電[7]。

目前，新的充電站通常無人值班或少人值班，且已有充電站數(shù)量多、位置分散，這就要求充電站的可靠性和自動(dòng)化程度更高、功能更加完善、維護(hù)更加方便[8-10]。為了降低運(yùn)維成本并提高效率，開展充電樁智能化健康狀態(tài)評(píng)價(jià)研究。通過充電樁管理系統(tǒng)得到采集的充電樁運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理，對(duì)充電樁設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此來制定充電樁運(yùn)維檢修策略，以指導(dǎo)現(xiàn)場運(yùn)維工作的展開，提高運(yùn)維效率。

本文提出建立充電樁檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)用于解決以上出現(xiàn)的問題，以此降低運(yùn)維成本和提高工作效率。

1 電動(dòng)汽車充電樁檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)的主要用戶為充電樁的管理人員、運(yùn)維人員以及研發(fā)人員。因此，根據(jù)不同用戶的工作環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

分布于某個(gè)地方的幾千臺(tái)充電樁連接到特定服務(wù)器上，再連接到云平臺(tái)，并將實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、充電記錄等數(shù)據(jù)信息保存在云平臺(tái)上。本系統(tǒng)的服務(wù)器通過主動(dòng)獲取云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，為Web網(wǎng)頁提供重要的數(shù)據(jù)資料，再通過Web頁面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到充電樁的健康狀態(tài)并保存在服務(wù)器上，運(yùn)維人員使用APP客戶端得到相應(yīng)的充電樁的運(yùn)維數(shù)據(jù)，這樣運(yùn)維人員就可以對(duì)產(chǎn)生故障或健康狀態(tài)不高的充電樁進(jìn)行維護(hù)，以提高充電樁的利用率和運(yùn)維工作的效率。[11]

Web網(wǎng)頁的主要用戶為管理人員及研發(fā)人員。服務(wù)器從云平臺(tái)主動(dòng)獲取得到了相應(yīng)的充電樁的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過Web頁面顯示出來，使得管理人員和研發(fā)人員可以清晰地查看到相應(yīng)的充電樁的狀態(tài)信息。通過數(shù)據(jù)分析方法，得到充電樁的數(shù)據(jù)及充電樁的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)信息，將這些信息顯示在Web頁面并保存到服務(wù)器上，為運(yùn)維人員做相應(yīng)的指導(dǎo)。

APP客戶端主要的用戶為運(yùn)維人員。主要是用來進(jìn)行顯示充電樁的健康狀態(tài)信息并提供給運(yùn)維人員、接收運(yùn)維反饋信息等功能，指導(dǎo)運(yùn)維人員對(duì)充電樁進(jìn)行維護(hù)，以此提高維護(hù)效率和運(yùn)維人員工作效率。

2 電動(dòng)汽車充電樁檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文僅對(duì)Web頁面相關(guān)功能進(jìn)行詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)。電動(dòng)汽車充電樁檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要利用采集到的充電樁相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)充電樁相關(guān)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)，以此形成針對(duì)性的運(yùn)維檢修策略，以指導(dǎo)運(yùn)維人員的工作[12]。系統(tǒng)基本功能如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)主要功能分析

2.1.1 運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)管理模塊是用來展示充電樁運(yùn)行監(jiān)測信息。信息包括：充電樁運(yùn)行狀態(tài)、電氣、溫濕度、開關(guān)量狀態(tài)、計(jì)量信息等。

充電樁運(yùn)行狀態(tài)信息包括：當(dāng)前狀態(tài)、模塊信息、是否連接車輛、直流輸出接觸器狀態(tài)、充電樁充電槍座狀態(tài)、充電接口電子鎖狀態(tài)。

電氣信息包括：輸入電壓、輸入電流、輸出電壓、輸出電流、充電導(dǎo)引電壓、絕緣狀態(tài)。

溫濕度信息包括：充電樁各充電模塊溫度、充電槍溫度。

開關(guān)量狀態(tài)信息包括：關(guān)鍵繼電器開關(guān)狀態(tài)、急停、門控、輸出接觸器、放電接觸器、輔助電源控制、電子鎖反饋點(diǎn)。

計(jì)量信息包括：充電電量、充電時(shí)長。

圖2 系統(tǒng)基本功能

2.1.2 健康狀態(tài)評(píng)價(jià)分析

健康狀態(tài)評(píng)價(jià)分析模塊是基于充電樁設(shè)備狀態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，制訂充電樁健康狀態(tài)評(píng)價(jià)策略，為充電樁的綜合情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)構(gòu)成要素

① 基礎(chǔ)評(píng)價(jià)：交接試驗(yàn)合格，具備投運(yùn)條件的新設(shè)備，或檢修之后驗(yàn)收試驗(yàn)合格可重新投運(yùn)的設(shè)備，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行一次評(píng)價(jià)，作為之后評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

② 健康度評(píng)價(jià)：是指基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)運(yùn)行設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的評(píng)價(jià)。

③ 不良工況評(píng)價(jià)：設(shè)備經(jīng)受高溫、雷電、冰凍、洪澇等自然災(zāi)害、外力破壞等環(huán)境影響以及超溫、超負(fù)荷、外部短路等工況后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行的評(píng)價(jià)。

④ 家族缺陷評(píng)價(jià)：由于制造廠設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝等同一共性因素導(dǎo)致的設(shè)備缺陷、異常、故障或隱患被稱為家族缺陷。對(duì)這一缺陷進(jìn)行的評(píng)價(jià)。

(2)健康狀態(tài)評(píng)分規(guī)則

充電樁健康狀態(tài)評(píng)分公式為：

L=B×R×E×F

(1)

其中，B為基礎(chǔ)評(píng)分；R為健康度評(píng)分；E為不良工況評(píng)分；F為家族缺陷評(píng)分。L取值范圍0～100分，當(dāng)計(jì)算值為負(fù)數(shù)時(shí)，L值為零。

①基礎(chǔ)評(píng)分B：

B=100-Y

(2)

其中，Y為運(yùn)行年數(shù)，[運(yùn)行年數(shù)]=[系統(tǒng)日期]-[投運(yùn)日期]，取整數(shù)。根據(jù)運(yùn)行年限進(jìn)行扣分，扣完為止。

②健康度評(píng)分R:

健康度評(píng)價(jià)是由大數(shù)據(jù)分析模型對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、治理、建模和調(diào)優(yōu)及評(píng)估后得出的分?jǐn)?shù)。

③不良工況評(píng)分E:

E=Ei×Ex×Ey×100%

(3)

其中，Ei惡劣天氣評(píng)分；Ex溫濕度評(píng)分；Ey電氣參數(shù)評(píng)分。不良工況評(píng)分E在100%～0%之間，而0%對(duì)應(yīng)于對(duì)設(shè)備狀態(tài)影響最嚴(yán)重的不良工況(包括其累積效應(yīng))。

④家族缺陷評(píng)分F:

有家族缺陷時(shí)，那些尚未發(fā)生或檢出家族缺陷的設(shè)備，在隱患消除之前，其狀態(tài)評(píng)分應(yīng)通過下式評(píng)估家族缺陷的影響。

(4)

其中，N為家族設(shè)備總臺(tái)數(shù)，n為發(fā)生該家族缺陷的設(shè)備臺(tái)數(shù)(N>n≥1)。計(jì)算家族缺陷評(píng)分時(shí)，f依據(jù)缺陷影響的程度確定。設(shè)備大修之后，如果涉及家族缺陷的隱患已消除，即不再考慮其影響。根據(jù)缺陷影響程度不同進(jìn)行取值，f取值規(guī)則見表1。

表1 f取值規(guī)則表

(3)健康狀態(tài)評(píng)級(jí)規(guī)則

系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)時(shí)展示充電樁的健康狀態(tài)，并對(duì)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)分、評(píng)級(jí)，用不同顏色進(jìn)行區(qū)分。詳細(xì)說明如下：

健康狀態(tài)等級(jí)：根據(jù)狀態(tài)評(píng)分，制定狀態(tài)等級(jí)。

健康狀態(tài)顏色：用不同顏色對(duì)狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行區(qū)分。

健康狀態(tài)描述：對(duì)狀態(tài)等級(jí)進(jìn)行的描述。

健康狀態(tài)評(píng)分、評(píng)級(jí)、顏色、描述對(duì)應(yīng)關(guān)系說明見表2。

表2 健康狀態(tài)評(píng)分表

2.1.3 充電設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)管理

充電設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)管理模塊是基于充電樁健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模塊，結(jié)合特殊時(shí)期、特殊地域、特殊事件等因素，對(duì)充電樁風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。結(jié)合上述因素得到充電樁的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分S:

S=L(1-Tx-Ty-Tz)

(5)

其中，L是健康預(yù)測評(píng)分；Tx特殊時(shí)期評(píng)分；Ty特殊地域評(píng)分；Tz特殊事件評(píng)分。

特殊時(shí)期評(píng)分Tx：是指重大保電活動(dòng)、電網(wǎng)迎峰度夏、迎峰度冬前等需要對(duì)充電樁運(yùn)行狀態(tài)特別注意的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)應(yīng)評(píng)分說明見表3。

表3 特殊時(shí)期評(píng)分表

特殊地域評(píng)分Ty：是指特殊地理位置對(duì)充電樁產(chǎn)生的影響，對(duì)應(yīng)評(píng)分說明見表4。

表4 特殊地域評(píng)分表

特殊事件評(píng)分Tz：是指由于充電樁外部原因，如汽車技術(shù)改造等，對(duì)充電樁產(chǎn)生的影響事件，對(duì)應(yīng)評(píng)分說明見表5。

表5 特殊事件評(píng)分表

2.1.4 充電設(shè)施檢修策略

充電設(shè)施檢修策略模塊根據(jù)充電樁健康狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，生成的充電設(shè)施檢修方法，讓充電樁檢修工作更加合理而有效。生成的充電樁檢修策略分為：例行巡視、計(jì)劃檢修、部件更換、整樁更換。根據(jù)充電樁健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模塊給出的充電樁健康狀態(tài)可以生成2個(gè)檢修策略：部件更換和整樁更換。根據(jù)充電設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)管理模塊給出的充電樁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以生成4個(gè)檢修策略：例行巡視、延長巡視、計(jì)劃檢修和延長檢修。這樣就可以更好更合理地進(jìn)行充電樁的檢修工作。

3 結(jié)束語

本文對(duì)于電動(dòng)汽車充電樁檢測評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，描述了該系統(tǒng)的基本框架和基本功能，并且簡單地介紹了充電樁檢修策略的制定過程，為充電樁的維護(hù)工作提供了重要的信息，使得維護(hù)工作更加合理有效。文本的不足在于并沒有詳細(xì)介紹如何實(shí)現(xiàn)每一個(gè)功能，后續(xù)會(huì)完善相關(guān)功能分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文所介紹的充電樁檢修策略制定過程可以很好的指導(dǎo)充電樁檢修工作，提高運(yùn)維人員的工作效率和充電樁的使用率。