摘要：針對當前電動汽車續(xù)航能力嚴重不足以及不能及時充電的問題，將電力電子變流技術、智能監(jiān)控技術、REIP無線射頻技術以及CAN總線技術應用到電動汽車智能充電樁的設計與研究中。開展了無人值守的智能電動車充電樁的現(xiàn)實依據(jù)和理論可行性分析，提出了一種兼?zhèn)?/span>CAN總線網(wǎng)絡通訊功能和無人值守功能的電動汽車智能充電樁的軟件設計方法和硬件結構組成方案，把每個電動汽車智能充電樁視為一個智能節(jié)點，建立了上位機組態(tài)監(jiān)控和下位機數(shù)據(jù)采集相互結合的系統(tǒng)整體框架。在組態(tài)軟件MCGS上對電動汽車智能充電樁的人機交互界面進行了模擬演示試驗，并對電池充電過程中的各項參數(shù)指標進行了采集與分析。研究結果表明：電動汽車智能充電樁能夠快速地為電動汽車充電，并且具備遠程通信和監(jiān)控功能，保證了電動汽車的續(xù)航能力。

關鍵詞：電動汽車；充電樁；REIP無線射頻；智能監(jiān)控；CAN總線

O引 言

常規(guī)石化燃料的使用在對大氣造成了很大程度的污染的同時，其作為一種能源，儲量也越來越少。目前，很多國家和科研機構正在致力于電動汽車的研發(fā)與生產(chǎn)，我國在電動汽車行業(yè)起步早、發(fā)展快，發(fā)展電動汽車已經(jīng)成為節(jié)能減排與改善地球環(huán)境的必然趨勢、1 o。

電動汽車憑借其駕駛簡單的優(yōu)勢一度成為人們關注的焦點，但是電動汽車續(xù)航能力弱以及充電不方便等缺點也成為限制大范圍使用的障礙。目前，電動汽車采用蓄能電池作為動力來源，當電壓較低時，就必須進行電能補給，否則性能會受到很大影響。目前，國內有很多充電模式，例如：電池組快速更換、快速充電以及常規(guī)充電等，但是動力電池體積大、重量大、更換不方便舊J。電動汽車智能充電樁不僅能夠解決電動汽車隨時隨地充電的問題，還能夠對動力電池進行維護，具有人性化的人機交互界面和通訊能力，確保了用戶操作簡便，實現(xiàn)了智能化。 本研究將電力電子變流技術、智能監(jiān)控技術、 REIP無線射頻技術等應用到電動汽車智能充電樁的設計與研究中。

1電動汽車(EV)的充電方法和建設充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

目前，電動汽車(EV)充電的方法主要有：

(1)交流充電。由電網(wǎng)提供220 V或者380 V交流電源，經(jīng)過車載充電裝置的濾波、整流和保護等功能，實現(xiàn)對電動汽車蓄電池的充電過程。這種充電方法充電時間較長，充電功率較小，適合小型純電動車以及混合動力運行的汽車。

(2)直流充電。這種充電方式是由地面提供直流電源，直接為車上的蓄電池進行充電，省去了車載充電裝置，有利于車身自重的減輕。地面充電機一般功率較大，能實現(xiàn)快速充電。適合電動公交車等大型電動汽車。

(3)更換電池組。這種充電方法為每一輛電動汽車準備了兩組蓄電池，一組為電動汽車提供電源的同時，另一組處于地面充電狀態(tài)，當車載電池組電量不足的時候，可以及時地拆下并更換已經(jīng)充足電量的電池組。這種方式能夠實現(xiàn)最短時間的充電過程。但是需要建設大量的電池更換站，需要大量人員進行維護。 投資成本大，智能化程度低，不予采用[3]。

(4)非接觸式充電。這種充電方式需要在路面上

嵌入電氣元件，并且能夠和車輛進行隨時接觸，這樣在車輛行駛的過程中才能夠實現(xiàn)隨時充電，不用受到充電地點的限制。這種充電方式目前還沒有引起人們足夠的注意和興趣，不予采用。 對建設充電樁監(jiān)控系統(tǒng)的必要性分析如下： 隨著社會科技力量的不斷變化，電動車以其排放小和噪音小的絕對優(yōu)勢會逐漸地被人們所認可。 建設龐大的充電系統(tǒng)也是重要一部分，就如同現(xiàn)在的汽車加油站一樣，遍地可見。同時，現(xiàn)在的電動車輛電池大部分采用能效比較高、體積較小的鋰離子蓄電池作為能源電池。鋰離子電池對充放電的要求較高，如果沒有相應的監(jiān)控方式，就會對電池造成不可修復的損害，嚴重時還會危及到人們的人身安全。

2電動汽車(EV)充電樁監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

2．1充電樁建設的兩種可行模式

(1)建設交流充電樁。在小區(qū)停車場建設交流充電樁，采用220 V或者390 V交流電壓，這兩種電壓等級容易獲得。經(jīng)過地面充電樁，可以為家用電動汽車或者環(huán)衛(wèi)清潔車等小型電動汽車充電，這種交流充電樁的優(yōu)勢就是可以利用車輛夜間閑置的時間進行充電。

(2)建設直流充電樁。在電動公交車站或者大型

電動汽車的場合建設直流充電樁，可以快速地完成車輛充電過程。這種充電樁的功率較大，對電網(wǎng)會進行一定的沖擊，所以在建設的時候需要考慮對電網(wǎng)的保護措施。

本研究只要考慮交流220V、380 V充電樁的監(jiān)控

系統(tǒng)的設計。

2．2監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括：

(1)具備IC卡識別功能，通過手持Ic卡進行充電樁的激活和計費功能。

(2)具備對充電樁交流電源的電壓和電流的檢測和保護功能。

(3)具備對電池的充電狀態(tài)、充電電壓、充電電流、充電階段進行監(jiān)控的功能。

(4)具備通信功能，能夠和上級管理層進行通信和數(shù)據(jù)交換。

(5)具備電池智能維護的功能，能夠在充電過程中，對電池進行檢測，適度維護電池。

3.充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計

3．1硬件框架組成

充電池監(jiān)控系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。圖1中，AC交流電源輸入為直接接人的380 V電網(wǎng)電源，經(jīng)過中央處理單元的濾波、整流、穩(wěn)壓等一系列操作變成可供電動汽車充電的可用直流電源。IC卡識別模塊用來用戶激活充電樁的方式，通過讀卡器識別Ic卡上的用戶信息，可用來顯示余額，以及個人信息H]。狀態(tài)顯示用來顯示當前的充電模式、充電電流／電壓以及電池的充電狀態(tài)等信息。

硬件系統(tǒng)主要包括中央主控板、Ic讀卡器、檢測芯片、以及顯示電表和顯示屏、鍵盤、通信模塊等設備。

主控板是硬件系統(tǒng)的核心組成部分，完成充電過程的啟動、運行、實時監(jiān)控以及關閉，并可通過多種通訊方式將數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺，主控板的主要功能特點包括：具備7個串口，下位機檢測以及數(shù)據(jù)采集辦卡通過通用串行總線和上位機CPU模塊進行通信，同時上位機需具備顯示功能。具備一個以太網(wǎng)口，動態(tài)的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具備工業(yè)級的溫度范圍等。5 J。為了實時監(jiān)測充電樁的運行狀態(tài)，保證充電過程的安全可靠，本研究設計了監(jiān)控保護單元，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(tài)、車載電池管理系統(tǒng)

狀態(tài)、車載電池狀態(tài)等進行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)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。

在電動車充電樁建設的過程中，充電樁外體材料應選擇鍍鋅鋼板，并具備一定的防潮防水性能，保證了在陰濕天氣情況下能正常運行∞1。在元件選型時，應該選擇具有工業(yè)級標準的電力電子器件，保證充電樁在惡劣環(huán)境下能正常運行。另外，為防止電磁干擾，應選用帶屏蔽功能的通信線，以及在外體上鏈接一根接地線，起到共模抑制的作用。

3．2充電樁智能監(jiān)控系統(tǒng)的軟件構成

軟件系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。當用戶需要充電時，將電動汽車的充電插口與充電樁的充電手柄相連接，然后通過IC卡讀卡器激活充電樁；如果充電手柄與充電插口連接不正常則提示報警。用戶身份識別完成后，用戶可選擇充電模式和充電時間，同時充電樁檢測電池狀態(tài)，如果電池當前狀態(tài)不允許用戶選擇當前充電模式的話，則提示報警，由充電樁給出合理的充電模式的選擇建議。當充電模式選擇正確后，則可以研究正常充電過程，在充電過程中，顯示屏會顯示當前用戶的信息、卡余額、充電時間以及估計剩余時間等等

有效信息"J。充電結束后，充電樁給出提示，卡計費停止，打印票據(jù)，用戶離開，充電樁自動進行鎖定狀態(tài)， 等待下一用戶激活。

圖2軟件系統(tǒng)程序流程圖

主程序在編寫時，采用了模塊化的原則，這樣能夠保證充電樁高效的運行，筆者按照充電樁的幾大功能，將程序分為幾個大的模塊：中央控制模塊、IC卡識別模塊、通訊模塊、顯示模塊、打印機模塊、檢測模塊等6大模塊。8 J。當充電樁被激活時，主程序能夠有效地協(xié)調各個模塊之間的工作從而完成從身份識別到充電結束的一整套流程，多線程處理可以保證各個模塊之間相互獨立，互不影響。

4智能充電樁的性能測試

經(jīng)過現(xiàn)場測試，電動汽車智能充電樁能夠滿足快速充電的要求，并且具備電池的維護和保養(yǎng)功能，現(xiàn)場監(jiān)控畫面能夠實時顯示電池電壓、電池電流、充電電壓、充電電流、卡內余額等各項信息，用戶可以很方便地進行充電操作，現(xiàn)場測試表明，電動汽車智能充電樁運行狀況良好。系統(tǒng)整體測試截圖如圖3所示。

由于社會活動的冪律特性，不同安裝位置充電樁的計量重要性不平均。有關研究已證實，充電樁的充電量、交易次數(shù)都呈長尾分布［1］。由于電動汽車能耗費用遠低于燃油車，社會可以接受較大的電能計量誤差，依照傳統(tǒng)模式對充電樁逐臺檢定已不再具有經(jīng)濟上的合理性。

充電樁與電能表同屬于電能計量器具，人們自然希望像電能表一樣，將大數(shù)據(jù)方法應用于充電樁。然而不論是求解能量守恒方程［2］，還是使用其他數(shù)據(jù)處理方法［3］，都需要利用電網(wǎng)樹形拓撲所蘊含的總表、分表約束關系，輔以遠程數(shù)據(jù)采集技術。可是充電樁之間非但沒有樹形拓撲約束，就連一致的數(shù)據(jù)采集平臺都還沒有建立，如果生搬硬套電能表方案，則勢要對已安裝的充電樁實施改造，加裝計量總表及數(shù)據(jù)采集模塊。盡管一些充電站裝有計量總表，但是能否獲取其數(shù)據(jù)尚屬未知，而且直流充電樁自身能量損耗與輸出功率間的復雜函數(shù)關系也限制了這一方法應用［4］。因此，至少現(xiàn)階段，將電能表的方案應用于充電樁還無法取得令人滿意的成效。

那么充電樁之間是否存在某種約束關系呢？如果考慮到電動汽車這一中介因素，就會發(fā)現(xiàn)答案是肯定的。如果一臺充電樁檢定合格，成為計量可信度高的充電樁，那么電動汽車就有可能將這種可信度傳遞給其他充電樁。此處車已經(jīng)不再是一臺機器，而是由駕駛員的人機復合智能體，可以憑借知識、經(jīng)驗、工具（如車載儀表）等為充電樁評分。這種評分可以是顯性的投訴，也可以是隱性的“用腳投票”。評分既包含充電樁的計量因素，又包含便利性、停車費用等非計量因素，甚至不可避免地包含人的記憶、感覺等主觀因素。上述所有決定評分的因素可統(tǒng)稱為“消費體驗”。

正如大眾消費領域已經(jīng)發(fā)生的，人們對充電的關注焦點也在變化：從單純追求“足斤足兩”延伸到追求消費體驗；從尋求機構的背書擴展到參考大眾評分。事實上，大量用戶綜合的評分。對這一原理的經(jīng)典應用要數(shù)谷歌PageRank網(wǎng)頁排名算法［5］，該算法很好地展示了復雜信息網(wǎng)絡的投票智慧，而充電樁與電動汽車的結合也構成了一個復雜信息網(wǎng)絡。本文旨在挖掘其中的投票智慧，探索建立一種適用于充電樁的、相對于傳統(tǒng)檢定校準“弱”的計量評價方法，用于排除低風險的充電樁，使檢定校準有的放矢。

本文研究的原則之一是立足于可獲得的條件，力避免向樁、車、環(huán)境提出更多要求。

5樁車網(wǎng)絡

根據(jù)一個時期內可獲得的充電樁的交易流水數(shù)據(jù)，構造樁車網(wǎng)絡。圖1為一個由6樁7車構成的網(wǎng)絡。

圖1由6樁7車構成的網(wǎng)絡

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

如果將連接次數(shù)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(wǎng)絡，相應的矩陣為式（2）。

圖2僅考慮連通性的網(wǎng)絡

6討論

根據(jù)以往研究，可以得出以下結論：

表1 初始充電樁排名

表2  v₁作用時的排名

表3  v₂作用時的排名

對比表1～3數(shù)據(jù)可知，因為網(wǎng)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(jù)，這是因為自然數(shù)排名具有離散性和排他性，所以相比實數(shù)評分而言更加顯著和穩(wěn)定。然而是否能夠直接以評分變差作為評價依據(jù)，還值得進一步研究。

算例中的控制變量不是真實施加于網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡傳播，發(fā)現(xiàn)那些對傳播發(fā)揮關鍵作用的節(jié)點，使得資源的投放更有效率。

7.安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

7.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，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(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

7.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

7.3系統(tǒng)結構

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)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(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

5）應客戶端層：系統(tǒng)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(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)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。

7.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

7.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)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(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

7.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

7.4.3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(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

7.4.4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(fā)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(xiàn)場問題。

7.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)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(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

7.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)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(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

7.4.7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(huán)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(shù)設置，同時可接收故障推送

7.4.8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。

7.5系統(tǒng)硬件配置

8.結論與展望

數(shù)據(jù)驅動的內涵之一是數(shù)據(jù)決定方法，根據(jù)能夠獲取的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)之前將個人信息進行編碼處理。無論互聯(lián)網(wǎng)還是樁車網(wǎng)絡，節(jié)點的排名都主要由節(jié)點間連接強度決定?；ヂ?lián)網(wǎng)由于建立連接的代價低，其排名可以很好地反映網(wǎng)頁的質量。在樁車網(wǎng)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(wǎng)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。