電動汽車“智慧”充電系統研究

江金群　葉鈞　朱廷華　謝雷　馬志豪

摘 要：針對當前國內對電動汽車的逐步推廣，以及電動汽車充電樁的現狀和需求，為滿足用戶參與用電管理，以便實時了 解充電樁的狀態與位置信息、電價信息等，本文提出了電動汽車“智慧”充電系統，對系統的三個主要組成部分智能充電樁、服務器和微信平臺的功能與結構進行分析與設計。本系統通過微信平臺即可實時查詢充電樁的狀態與位置信息，并實現充電樁的定位導航、充電預約及鎖定、選擇充電模式、停止充電等功能，使用戶參與用電管理，實現合理用電、有序充電，為未來電動汽車的發展提供實踐條件。

關鍵詞：電動汽車 智能充電樁 服務器 微信平臺

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0045-03

Abstract： For the current domestic gradual promotion of electric vehicles， the current status and demand for electric vehicle charging piles， in order to meet the user's participation in electricity management， to understand the status and location information of the charging piles， electricity price information and so on. This article proposes a 'wisdom' charging system for electric vehicles. It analyzes and designs the functions and structures of the three main components of the system： smart charging piles， servers， and WeChat platforms. The system can query the status and position information of the charging pile in real time through the WeChat platform， and realize the functions of positioning and navigation of the charging pile， charging reservation and locking， selecting the charging mode， and stopping the charging. Enable users to participate in power management， achieve reasonable use of electricity， orderly charging， and provide practical conditions for the future development of electric vehicles.

Key Words： Electric vehicle； Smart charging pile； Server； WeChat platform

常規化石燃料的使用對大氣造成很大程度污染的同時，其儲量也越來越少，如今新能源開發已經成為當今世界的熱門話題，其相關技術也越來越受到重視。隨著國家對新能源戰略的推動及電動汽車產業的發展，電動汽車憑借其環保高效的優勢成為社會關注的焦點，并帶動相關產業的發展[1-3]。作為電動汽車最為核心的部分，其充電技術成為亟待解決的技術難題。

電動汽車的充電用戶希望能實時了解充電樁的電價信息、位置信息等，實現這一目的需要對充電樁進行電量監測和智能控制，達到智能化管理。文獻[4-5]提出了集智能充電樁、云服務器和移動客戶端APP應用軟件于一體的應用系統。針對目前國內電動汽車充電系統的現狀，相較于APP客戶端這一類的應用軟件，微信的用戶量更大，因此建立微信平臺的價值更大。本文提出了電動汽車“智慧”充電系統研究，通過微信平臺實現充電樁的定位導航、狀態查詢、充電預約、選擇充電模式和停止充電等功能，為電動汽車未來大規模推廣奠定基礎。

1 系統組成

電動汽車“智慧”充電系統主要由智能充電樁、服務器和微信平臺組成，如圖1所示。

（1）智能充電樁是為電動汽車提供充電的裝置。交流充電樁建設在小區停車場，采用220V或390V交流電壓，利用車輛夜間閑置的時間來進行充電，為慢充，充電時間為4～5h。直流充電樁建設在電動公交車站或大型電動汽車的場合，可以快速完成車輛的充電過程，為快充，充電時間在1h內[6]。

（2）服務器是為電動汽車充電提供數據的發布、收集、存儲和加工的綜合平臺，由計算機、存儲設備、網絡設備和其他外圍設備組成，系統平臺硬件和軟件都具有高可靠性和可擴展性[6]。

（3）微信平臺是用戶參與用電管理的接口，用戶通過微信平臺實時查詢充電樁的位置狀態信息，同時定位與導航，進行充電預約，選擇充電模式和停止充電等。

2 系統設計

2.1 智能充電樁

智能充電樁與以往傳統充電樁相比增加了Wi-Fi通信模塊，通過Wi-Fi路由器與服務器連接[5]。圖2為智能充電樁原理框圖，主要由智能電表、MCU單元、Wi-Fi通信模塊、保護單元和電源轉換模塊等組成。

（1）智能電表：其核心采用高精度電能計量芯片RN8209設計電能檢測電路，實現對電動汽車充電過程中的電壓、電流、頻率、有功功率、無功功率的實時監測計量并對其充電狀態的檢測。該芯片5V供電，其有功無功電能誤差在1500∶1動態范圍內<0.1%，工作基本頻率為3.579545M，均滿足IEC62053標準要求[7]。電壓采樣采用電阻分壓方式，電流采樣分別采集火線和零線電流。電能檢測電路原理圖如圖3所示。

（2）MCU單元：為充電樁的控制核心，完成數據的收發與指令控制。采用基于Cortex-M3內核的32位嵌入式微處理器STM32F103C8T6芯片，系統時鐘頻率高達72MHz，在存儲器的等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz，具有較強的運算和數據處理能力[8]。通過串口或SPI總線與智能電表和Wi-Fi通信模塊通信，通過I2C總線與Flash存儲單元通信，通過驅動電路與接觸器相連實現電能輸出的通斷控制。

（3）保護單元：包括漏電保護器和防雷器，漏電保護器用于設備發生漏電故障和有致命危險的人身觸電保護，防雷器用于防止直擊雷或其他內部過電壓侵入設備造成的損壞。

（4）Wi-Fi通信模塊：采用低功耗Wi-Fi模塊，與無線網關進行數據通信實現充電裝置開關狀態的遠程控制、電壓、電流、功率、電能等信息的上報。

（5）電源轉換模塊：用于將交流電轉換為直流電，以提供不同電壓等級的直流電，為其他電路提供電源。

2.2 服務器

服務器采用分層處理策略，逐層分解數據，提高系統整體穩定性和整體性能。主要包括網絡層、業務層和應用層，總體技術架構如圖4所示。網絡層按照規范化的統一通信規約實現數據的傳送；業務層實現各環節數據的統一與表達，規范網絡層的數據接入，建立統一的信息模型；應用層遵循服務器體系架構，將多種數據信息進行統一管理，向外提供統一數據服務，同時支撐各類業務應用[5]。

（1）網絡層：將充電樁的實時數據進行統一信息模型描述后傳輸至網絡層，通過信息模型映射到統一的標準通信規約，進行數據傳輸到集群服務器，經過集群服務器傳輸至業務層。

（2）業務層：負責處理前端及網絡層采集的指令、數據等，實現數據處理及業務功能。處理來自兩個方向的數據流：網絡層數據流和應用層數據流。通過緩存、隊列、實時存儲等實現對數據的拆分/合并、過濾、轉換等操作完成計算任務。

（3）應用層：服務器前端采用表述性狀態轉移架構，超文本傳輸協議；通過REST API方式對外發布接口。主要提供各種資源的修改、獲取等操作，提供事務、緩存等解決方案。

2.3 微信平臺

微信平臺開發總體設計為B/S體系結構，采用多層體系結構，提供強大的擴展能力和更好的靈活性。對于用戶端來說是三層結構，分別是視圖層、業務邏輯層和業務實體層。

（1）視圖層：是與用戶交互的界面，響應用戶的請求，通過調用業務邏輯層的接口進行處理，根據結果以不同形式展現給用戶。視圖層包括地圖顯示、狀態顯示、支付結算、控制界面和查詢界面。

（2）業務邏輯層：主要完成對視圖層中所有功能的業務邏輯支撐，主要包括地圖功能、狀態顯示功能、支付功能、控制功能和查詢功能。對業務邏輯進行運算和判斷，包括對本地數據庫的讀取和對服務器的數據請求。

（3）業務實體層：包含各個業務實體，對平臺服務器的數據請求、解析；對網關服務器的數據請求、解析；數據庫的維護。

3 功能分析

（1）地圖功能：智能充電樁具備地圖應用功能，用戶可以通過地圖查詢充電樁的位置信息。

（2）狀態顯示功能：通過微信平臺顯示智能充電樁的各種狀態，如故障、空閑、正在使用、已預約等。

（3）支付功能：具有充電結算功能，通過微信賬戶實現定時、定額、定量等方式的智能充電。

（4）控制功能：通過命令實現對智能充電裝置的控制和設置，包括取消預約、開始充電、停止充電等。

（5）查詢功能：用戶可以查詢充電數據詳情（電量、次數、累計）。

用戶有4種不同的充電服務模式選擇：

模式1：定時間充電，即在人機界面輸入設定的時間，充電樁開始充電直到達到時間設定值。

模式2：定金額充電，即在人機界面輸入設定的金額，充電樁開始充電直到達到金額設定值。

模式3：定電量充電，即在人機界面輸入所需的電量，充電樁開始充電直到達到電量設定值。

模式4：自動充電，即在人機界面選擇充滿為止，充電樁開始充電直到電動汽車充滿電為止。

這4種模式充電過程中，用戶均可手動停止充電。在充電過程中，充電樁顯示已充電電量、充電時間等信息。充電結束后，充電樁顯示用戶的已充電量、已充時間、消費金額等信息。

4 結語

本文對電動汽車“智慧”充電系統進行研究，分析了智能充電樁、服務器和微信平臺三個主要單元的組成和功能。該系統通過微信平臺讓用戶采用手持終端即可實現充電樁的定位導航、狀態查詢、充電預約及鎖定、選擇充電模式、停止充電等功能。實現電動汽車用戶參與用電管理、合理用電及有序充電，為電動汽車大規模推廣提供基本動力和實踐條件。

參考文獻

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