摘要：針對國內電動汽車充電樁規范化和標準化的需求，設計并實現了一種符合國網公司標準的電動汽車智能充電樁。首先介紹了國內電動汽車充電樁的現狀、需求，然后以國網公司標準為設計原則，進行了硬件系統、主控板及監控單元的設計，采用了模塊化設計原則進行了軟件系統的設計，針對充電樁惡劣工作環境進行了環境及電磁兼容設計。本充電樁已在山東臨沂、濟南等眾多充換電站運行使用，運行結果表明該裝置安全、穩定、可靠，必將為電動汽車的發展提供強有力的保障。

關鍵詞：電動汽車充電樁硬件系統

0、引言

隨著新能源戰略的推動和電動汽車行業的發展，電動汽車充電行業的發展非常迅速。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絡。充換電站及充電樁數量已居世界前列，我國成為世界上電動汽車充電裝置將在“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營區域的智能充換電服務網絡。

針對目前市場上電動汽車和充電設備接口不統一、功能、性能設計標準不統一，質量良莠不齊的現狀，先后出臺了一系列的規范和標準。電動汽車充電樁作為電動汽車充電的主要渠道，其性能、工藝水平和質量直接影響到電動汽車的推廣。因此，非常有必要根據相關標準的要求，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、數據安全設計和環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《NB/T33002－2010電動汽車交流充電樁技術條件》、《Q/GDW485－2010電動汽車交流充電樁技術條件》、《Q/GDW478－2010電動汽車充電設施建設技術導則》、《公司電動汽車充電設施建設指導意見》相關要求進行設計。該產品在滿足相關標準對電動汽車充電樁的技術要求基礎上，強化了充電樁電氣安全、數據安全設計和環境及電磁兼容性能的設計，增加了視頻拍照、微型熱敏打印、無線組網等功能。

1.1 硬件系統設計

電動汽車充電樁硬件系統主要由主控板、監控板、IC卡讀寫器、數字電表、移動通信模塊、觸摸屏、指示燈、按鍵等組成。硬件系統的硬件組成如圖1所示。

圖1充電樁硬件系統組成框圖

主控板是硬件系統的核心組成部分，完成充電過程的啟動、運行、實時監控以及關閉，并可通過多種通訊方式將數據實時傳輸至后臺。主控板的主要功能特點包括:具備6個串口，一個以太網口，動態的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路IO口，具備工業級的溫度范圍等。

為了實時監測充電樁的運行狀態，保證充電過程的安全、可靠，設計了監控保護單元。監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，車載電池管理系統狀態，車載電池狀態等進行實時監測，一旦出現異常，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 軟件系統設計

1.2.1 系統工程流程

當電動汽車需要充電時，用戶將充電卡放置刷卡區，根據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，如果連接狀態不正常，則無法啟動充電。同時，在充電過程中，顯示區的充電指示燈點亮，監控單元實時監測充電電壓、充電電流、充電接口連接狀態、充電開關狀態等，在異常或故障時斷開充電開關，并報警。

圖2監控單元組成框圖

充電樁軟件系統主要完成的功能是將各功能模塊有機的結合起來，實現各模塊的協調調用，系統整體控制流程圖如圖3所示。

圖3充電樁軟件系統主程序流程圖

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高效可靠的運行，又能使該軟件系統具有良好的擴展性，對產品升級換代具有非常重要的意義。

按充電樁軟件系統的功能可以把系統分為主控模塊、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軟件系統功能框圖

當軟件系統啟動時，主控程序根據系統配置文件加載程序配置信息，并根據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、實時數據采集與展示、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據、充電記錄等信息上送到遠方后臺系統。

人機交互模塊設計時，界面顯示單元顯示的內容非常豐富，其中主要界面有歡迎界面、連接確認界面、充電參數設定界面、啟動充電界面、充電界面、停止充電界面、結賬界面、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據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，數據加密、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，對用戶卡與充電樁數據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據交互的過程中，信息不會被外界竊取。密鑰管理系統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。數據加密模塊用于把用戶數據按照事先約定的加密方式加密并存儲在用戶卡的用戶數據區域。解密模塊用于將讀取的用戶卡數據還原為原始數據并進行相關的用戶識別，扣費等操作。

1.3 環境及電磁兼容設計

電動汽車充電樁應用環境大多在室外，工作環境比較惡劣，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，在典型的工業電磁騷擾環境下能夠正常提供充電服務。

樁體結構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部;又能夠在工作時形成良好空氣流動，保證充電樁內部元件的散熱;

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、鹽霧等惡劣天氣環境下不銹蝕;

元件選型時，所有零部件采用工業級元器件，保證充電樁在工業環境溫度范圍內穩定正常工作。

2、項目實施情況

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

圖5臨沂焦莊充換電站現場照片充電樁操作界面

如圖6所示

3、樁車網絡

根據一個時期內可獲得的充電樁的交易流水數據，構造樁車網絡。圖1為一個由6樁7車構成的網絡。

圖1由6樁7車構成的網絡

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

如果將連接次數達到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網絡，相應的矩陣為式（2）。

圖2僅考慮連通性的網絡

4、討論

根據以往研究，可以得出以下結論：

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數據可知，因為網絡效應，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，這是因為自然數排名具有離散性和排他性，所以相比實數評分而言更加顯著和穩定。然而是否能夠直接以評分變差作為評價依據，還值得進一步研究。

算例中的控制變量不是真實施加于網絡的，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絡傳播，發現那些對傳播發揮關鍵作用的節點，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通過物聯網技術對接入系統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據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，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、4G或WIFI等方式接入互聯網，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、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

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

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統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。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，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、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，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。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

5.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、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、注銷等操作，可查看小區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果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

5.4.5統計分析

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

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，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、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。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系統硬件配置

6、結論與展望

本充電樁嚴格遵守國網公司相關標準，并根據電動汽車產業發展的規劃和發展方向，研制了一種穩定、可靠、安全、實用的電動汽車智能充電樁。運行結果表明，本充電樁的使用提高了電動汽車充電樁的技術水平和實用化水平，有力的推動了電動汽車充電行業的發展。

數據驅動的內涵之一是數據決定方法，根據能夠獲取的數據尋找適宜的方法。本文提出的排名變差算法以充電樁交易流水數據為前提條件，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據之前將個人信息進行編碼處理。無論互聯網還是樁車網絡，節點的排名都主要由節點間連接強度決定。互聯網由于建立連接的代價低，其排名可以很好地反映網頁的質量。在樁車網絡中，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。網絡排名變差算法中，排名變差原理是實質性的，而評分算法是非實質性的，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。