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(shè)計與應(yīng)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(guān)于電動汽車充電相關(guān)的研究與應(yīng)用，但是缺乏智能的電動汽車充電與服務(wù)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(wù)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的3個主要組成部分云服務(wù)器、智能充電樁與App客戶端的結(jié)構(gòu)與功能進行了詳細(xì)分析與設(shè)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(dǎo)航、充電預(yù)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(yán)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?qū)崟r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(dá)到需求側(cè)管理和節(jié)能減排的目的。實現(xiàn)此目的的一項重要基礎(chǔ)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(xì)化、智能化管理[4-8]。

美國已有公司發(fā)布了移動應(yīng)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(yù)先知道充電的價格[9]。國內(nèi)現(xiàn)有充電設(shè)施或充電系統(tǒng)主要以充電站、充電樁或換電站建設(shè)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(luò)。也有單位提出了電動汽車智能充電的導(dǎo)航系統(tǒng)[7]、智能充電樁的設(shè)計[8]或建設(shè)電動汽車智能服務(wù)平臺[10]，但目前國內(nèi)還未推出集智能充電服務(wù)平臺、智能充電裝置和App客戶端應(yīng)用軟件于一體的應(yīng)用系統(tǒng)。

針對國內(nèi)電動汽車充電系統(tǒng)的這種現(xiàn)狀，本文設(shè)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(dǎo)航、充電預(yù)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(wù)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(wù)的基礎(chǔ)。

1 電動汽車智能充電系統(tǒng)組成

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

圖1 系統(tǒng)組成

(1)云服務(wù)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(wù)器，由計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、其他外圍設(shè)備和平臺應(yīng)用軟件組成。支持百萬級客戶的多種業(yè)務(wù)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(nèi)。

(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(dǎo)航，進行充電預(yù)約等。

系統(tǒng)各組成部分之間的通信結(jié)構(gòu)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(luò)等將信息發(fā)送給云服務(wù)器。智能手機、平板電腦等終端設(shè)備通過Wi-Fi、通用無線分組業(yè)務(wù)(generalpacketradioservice，GPRS)和碼分多址(codedivisionmultipleacess，CDMA)等與云服務(wù)器通信。

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

在云服務(wù)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(luò)架構(gòu)

密鑰管理系統(tǒng)是安全防護的核心，主要負(fù)責(zé)密鑰的生成、存儲、傳遞與分發(fā)、備份與恢復(fù)、銷毀、更新。密碼機是密鑰的存儲和運算設(shè)備，是系統(tǒng)安全運算的核心，由國家密碼管理局認(rèn)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(nèi)部，可有效防止內(nèi)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(nèi)嵌入安全芯片，終端的密鑰和關(guān)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(guān)認(rèn)證取得訪問權(quán)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(rèn)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(shè)計

2.1 云服務(wù)器

2.1.1 架構(gòu)設(shè)計

云服務(wù)器以spring開源架構(gòu)為基礎(chǔ)，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(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和網(wǎng)絡(luò)層這3個層次，總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。業(yè)務(wù)層實現(xiàn)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一與表達(dá)，建立統(tǒng)一信息模型，規(guī)范網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)接入，完善云服務(wù)器架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)層將不同的通信技術(shù)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(yīng)用層遵循云服務(wù)器體系架構(gòu)，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(wù)，支撐各類業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖3 云服務(wù)器架構(gòu)示意圖

(1)網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)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(luò)層，通過信息模型映射到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約進行數(shù)據(jù)傳輸至集群服務(wù)器，然后經(jīng)過集群服務(wù)器傳輸至業(yè)務(wù)域?qū)印＞W(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)底層設(shè)備數(shù)據(jù)的模型映射、設(shè)計統(tǒng)一的通信規(guī)約實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。

(2)業(yè)務(wù)層。業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)處理前端及網(wǎng)絡(luò)層采集的數(shù)據(jù)、指令等，負(fù)責(zé)實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能及數(shù)據(jù)處理。處理來自2個方向的數(shù)據(jù)流：應(yīng)用層數(shù)據(jù)流和網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換等操作，完成計算任務(wù)。業(yè)務(wù)層的部署上前期可采用服務(wù)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(yīng)用層。云服務(wù)器前端采用表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(representationalstatetransfer，REST)架構(gòu)，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(wù)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(shè)計

云服務(wù)器功能設(shè)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(nèi)的充電設(shè)備，基于高效、準(zhǔn)確的定位與可視化方式，滿足監(jiān)測充電設(shè)備狀態(tài)信息與控制充電設(shè)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(wù)流程中產(chǎn)生的費用流轉(zhuǎn)、賬單數(shù)據(jù)、交易明細(xì)等數(shù)據(jù)進行管理，為保證電費賬目的準(zhǔn)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(wù)器功能設(shè)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(shè)備，建立基礎(chǔ)檔案、采集信息檔案和數(shù)據(jù)采集等信息維護業(yè)務(wù)。包括采集檔案管理、采集任務(wù)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(wù)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(nèi)容包括系統(tǒng)用戶管理、角色管理、菜單管理、權(quán)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(nèi)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(wù)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(zhuǎn)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(shè)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(qū)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(guān)的數(shù)據(jù)通信進而實現(xiàn)充電裝置開關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)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(nèi)部過電壓侵入設(shè)備造成損壞，漏電保護器用于在設(shè)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(zhuǎn)換模塊。電源轉(zhuǎn)換模塊用于將交流電轉(zhuǎn)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(shè)計為C/S體系結(jié)構(gòu)，采用多層體系結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，為視圖層、業(yè)務(wù)邏輯層和務(wù)實體層，并設(shè)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(yīng)用戶的請求，調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的接口進行邏輯處理，根據(jù)結(jié)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(jié)算、狀態(tài)顯示、控制界面和查詢界面。

(2)業(yè)務(wù)邏輯層。業(yè)務(wù)邏輯層主要完成對視圖層所有功能的業(yè)務(wù)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(wù)邏輯進行判斷和運算，包括對服務(wù)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(wù)邏輯層模塊劃分示意

(3)業(yè)務(wù)實體層。包含了各個業(yè)務(wù)實體，對網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)解析；對平臺服務(wù)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(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層相應(yīng)的模塊，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)流程的組織，并調(diào)用業(yè)務(wù)實體層的模塊，通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)器接口(或平臺服務(wù)器接口)同網(wǎng)關(guān)服務(wù)器(或平臺服務(wù)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(yīng)用功能，可以通過地圖及導(dǎo)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(yù)約等。

(3)支付功能。系統(tǒng)具有充電結(jié)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(shè)置和控制，包括開始充電、取消預(yù)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(wù)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(dá)到電量設(shè)定值。

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

模式3 定金額充電，即在人機界面上輸入設(shè)定金額，充電樁開始充電直到達(dá)到金額設(shè)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(jié)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(yīng)用實例

由北京市科學(xué)技術(shù)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(shè)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(shè)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(xué)充電樁的應(yīng)用實例圖。

圖7 充電樁查詢App顯示

4 結(jié) 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(guān)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)航、充電預(yù)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。

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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(shè)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；