淺談基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新能源電動(dòng)汽車充電樁智能管理研究

安科瑞 陳聰

摘 要：隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的完善成為關(guān)鍵。充電樁作為新能源汽車補(bǔ)充電量的裝置，與新能源汽車互聯(lián)互通，因此，實(shí)現(xiàn)充電樁的智能化是重要的發(fā)展趨勢(shì)。該文在對(duì)新能源汽車充電樁的運(yùn)維現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)，為新能源汽車充電樁設(shè)施的智能管理提供新的思路和方向。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；新能源汽車；充電樁；智能管理系統(tǒng)

0 引言

充電樁是為新能源汽車提供電能的裝置，當(dāng)前的市場(chǎng)需求日益增加。為滿足用戶的充電需求，提高充電樁運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，搭建可用來管理和監(jiān)控充電樁運(yùn)行情況的智能管理平臺(tái)是行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用傳感器等末端設(shè)施對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過特定的技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理能在物與物、人與物之間建立緊密的聯(lián)系，其關(guān)鍵技術(shù)能實(shí)現(xiàn)充電設(shè)施運(yùn)維過程中對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控并提供有效輔助的運(yùn)維決策。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)中，是實(shí)現(xiàn)充電樁智能化的有效路徑。

1 新能源汽車充電樁運(yùn)維現(xiàn)狀

目前，由于新能源汽車充電樁的鋪設(shè)總量有限新能源汽車車主普遍存在“充電焦慮”的問題。在有限的充電設(shè)施的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)充電樁的運(yùn)維是促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施體系協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

新能源汽車充電樁運(yùn)維過程中存在信息滯后及運(yùn)維不及時(shí)的問題。信息滯后指的是充電樁使用過程中，其運(yùn)行數(shù)據(jù)無法及時(shí)更新，使得充電樁的使用情況無法更新到用戶端，導(dǎo)致充電樁的資源利用率不高，車主充電的便利性偏低。運(yùn)維不及時(shí)意味著當(dāng)充電樁出現(xiàn)問題時(shí)，不能根據(jù)問題的類別進(jìn)行不同等級(jí)的判定，以及采取靈活的決策。此外，充電樁所處環(huán)境大多為戶外，受天氣影響較大，當(dāng)出現(xiàn)暴雨、大風(fēng)等*端天氣時(shí)，充電樁的數(shù)據(jù)傳輸容易出現(xiàn)問題，并且部分充電樁建設(shè)在較為偏僻的地方，存在通信不暢通的問題口?？梢?，要實(shí)現(xiàn)充電樁的運(yùn)維，應(yīng)提高充電樁的信息化水平，拓展大數(shù)據(jù)輔助運(yùn)維決策功能，提升數(shù)據(jù)傳輸和使用過程中的可靠性和安全性。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在新能源汽車充電樁智能管2理系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)可利用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中的先進(jìn)傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在推動(dòng)系統(tǒng)智能化的過程中，具有3方面優(yōu)點(diǎn)。

*一，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的雙向通信技術(shù)能實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的緊密聯(lián)系，將其應(yīng)用到新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)中，能夠提高充電設(shè)備與設(shè)施間的信息傳輸能力、用戶及運(yùn)維人員與充電樁的交互能力、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男?。?dāng)充電站中的充電樁出現(xiàn)問題時(shí)，充電樁智能管理系統(tǒng)可以對(duì)充電樁運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行跟蹤，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題判斷出問題的發(fā)生位置和類型，再由系統(tǒng)進(jìn)行判定并將具體的問題進(jìn)行報(bào)送。運(yùn)維人員收到告警信息后，可根據(jù)具體情況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

*二，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的大數(shù)據(jù)技術(shù)有*強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和分析能力，可對(duì)充電樁的故障進(jìn)行分析根據(jù)實(shí)際情況分級(jí)報(bào)送，并提供輔助運(yùn)維決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的智能化管理。例如收集檢測(cè)到的充電樁正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中定期與各類問題數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，提高系統(tǒng)的預(yù)見性功能。

*三，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的數(shù)據(jù)加密技術(shù)可對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行加密防護(hù)，以便在發(fā)現(xiàn)有試圖攻擊充電樁智能管理系統(tǒng)的惡意軟件時(shí)，對(duì)企圖獲取用戶個(gè)人信息的行為進(jìn)行攔截，并對(duì)情況進(jìn)行報(bào)送。另外，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，信息安全技術(shù)可對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止信息泄露事件的發(fā)生，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)中，能有效改善目前新能源汽車充電樁運(yùn)維過程中存在信息滯后及運(yùn)營(yíng)維護(hù)不及時(shí)的問題，有利于提高充電樁的使用率，增加經(jīng)濟(jì)效益，是推動(dòng)充電樁設(shè)施智能化發(fā)展的有效舉措".

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框架

綜合考慮新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)在可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的發(fā)展需求將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到充電樁的智能管理系統(tǒng)中，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“云、邊、端”3 層式充電樁智能管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖 1 充電樁智能管理系統(tǒng)總體

“云”是主站云平臺(tái)，是一個(gè)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)處理中*，可以儲(chǔ)存大量的數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提供更加有效的信息，并將結(jié)果反饋給終端設(shè)備和邊緣服務(wù)器，提升整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平。“邊”是邊緣計(jì)算，指的是靠近終端設(shè)備的邊緣服務(wù)器，能快速對(duì)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并將處理結(jié)果發(fā)送到終端設(shè)備。“端”是終端設(shè)備，在充電樁智能管理系統(tǒng)中，終端設(shè)備有充電頭、霍爾電流傳感器、超聲波傳感器、攝像頭:計(jì)量裝置等。這些設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，同時(shí)將有效數(shù)據(jù)上送到邊緣服務(wù)器，為完成用戶及運(yùn)維人員的交互奠定基礎(chǔ)。

3.2 終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

終端設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的采集是整個(gè)充電樁智能管理系統(tǒng)中的重要一環(huán)。*一，從保證充電樁正常供電的角度來看，終端設(shè)備能夠監(jiān)控充電樁的運(yùn)行狀態(tài)收集充電樁的充電情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電樁異常。*二，從提高智能管理系統(tǒng)可靠性的角度出發(fā)，收集充電樁的充電數(shù)據(jù)，包括充電的電量總數(shù)、充申收取費(fèi)用的金額、充電時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)等，為合理分配資源提供重要依據(jù)。*三，從優(yōu)化用戶體驗(yàn)考慮對(duì)接使用車主的用戶信息，調(diào)取車主的充電記錄包括充電汽車的型號(hào)、充電地點(diǎn)、充電時(shí)段、充電續(xù)航需求等，以了解車主用戶的消費(fèi)習(xí)慣，提高對(duì)用戶的服務(wù)質(zhì)量。

3.3 邊緣服務(wù)器的架構(gòu)模型

當(dāng)前的智能管理系統(tǒng)多采用集中式云平臺(tái)架構(gòu)模型，如圖2所示，各終端設(shè)備將測(cè)量的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送到云平臺(tái)，由云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后才能傳回終端設(shè)備，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，適用于對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳輸速度要求低且運(yùn)行數(shù)據(jù)較少的場(chǎng)合。

圖 2 集中式云平臺(tái)架構(gòu)模型

為滿足新能源汽車車主的充電需求，充電樁的數(shù)量多且運(yùn)行數(shù)據(jù)龐大，傳統(tǒng)的集中式云平臺(tái)架構(gòu)模型已無法滿足對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，通過研究選用分布式的邊緣服務(wù)器架構(gòu)模型，如圖3所示。終端設(shè)備將測(cè)量的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送到邊緣服務(wù)器由邊緣服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后將處理結(jié)果傳回終端設(shè)備，同時(shí)邊緣服務(wù)器還承擔(dān)將處理的數(shù)據(jù)及結(jié)果上送到主站云平臺(tái)的任務(wù)，以便云平臺(tái)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析和儲(chǔ)存入庫。分布式的邊緣服務(wù)器架構(gòu)模型與新能源汽車充電樁的實(shí)際情況適配，能提高充電樁智能管理系統(tǒng)的處理效率，提供更加便利的充電服務(wù)。

3.4 主站云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用

要對(duì)充電樁進(jìn)行智能化的管理，就要有效處理充電樁在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的類型豐富且?guī)纂s的大量數(shù)據(jù)，普通的數(shù)據(jù)處理技術(shù)不能達(dá)到這一要求，但大數(shù)據(jù)技術(shù)與這種情況適配:數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)能有效進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)人庫，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對(duì)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)系分析并提供有效的運(yùn)維決策，數(shù)據(jù)處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與處理。將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用到充電樁智能管理系統(tǒng)的主站云平臺(tái)中，能實(shí)現(xiàn)各類充電樁的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)并對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的故障預(yù)警、告警和報(bào)警通知，從而提高充電樁的運(yùn)維效率。

圖 3 分布式的邊緣服務(wù)器架構(gòu)模型

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)運(yùn)行原理

充電樁智能管理系統(tǒng)利用終端設(shè)備對(duì)充電樁的運(yùn)行信息、環(huán)境信息、充電數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、5G通信上傳到邊緣服務(wù)器。如圖4所示，當(dāng)充電樁需要進(jìn)行升級(jí)、啟?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，邊緣服務(wù)器會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息將處理方式反饋到終端設(shè)備就近進(jìn)行處理，并將相關(guān)信息上傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)，分類別存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析。當(dāng)出現(xiàn)問題的邊緣服務(wù)器無法進(jìn)行修復(fù)時(shí)，云平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理中*將會(huì)進(jìn)一步對(duì)當(dāng)前情況進(jìn)行評(píng)估，并將評(píng)估結(jié)果及相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)送給App，進(jìn)而報(bào)送給運(yùn)維人員，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。主站云平臺(tái)應(yīng)用的大數(shù)據(jù)技術(shù)，使充電樁智能管理系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能，如過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)過流保護(hù)、短路保護(hù)、過溫保護(hù)、輸出反接保護(hù)急停功能等，并通過實(shí)時(shí)檢測(cè)的充電樁動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防護(hù)，保護(hù)電池安全，充分提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性。

圖 4 充電樁智能管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)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。

5.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)中*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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)中*層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)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(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)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(shè)備使用率，合理分配資源。

5.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)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。

5.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶賬戶，對(duì)其進(jìn)行賬戶進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細(xì)信息。

5.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問題。

5.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

5.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

5.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)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(shè)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(tǒng)硬件配置

6 結(jié)束語

從新能源汽車充電樁運(yùn)維現(xiàn)狀出發(fā)，分析將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到充電樁智能管理系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合充電樁智能管理的發(fā)展需求，建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的“云、邊、端”3層式充電樁智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、安全性高和經(jīng)濟(jì)性佳的充電樁智能化管理的運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但在構(gòu)建充電樁智能管理系統(tǒng)時(shí)，仍有可能出現(xiàn)未考慮到現(xiàn)場(chǎng)干擾因素影響數(shù)據(jù)采集的情況，后續(xù)應(yīng)根據(jù)特殊環(huán)境的個(gè)例情況對(duì)整個(gè)充電樁智能管理系統(tǒng)進(jìn)行一定的優(yōu)化，并搜集現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的典型現(xiàn)實(shí)案例，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，將其傳人數(shù)據(jù)處理中*，完善數(shù)據(jù)庫，以增強(qiáng)整個(gè)智能管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性。

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