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

胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

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充電量的裝置，與新能源汽車互聯(lián)互通，因此，實現(xiàn)充電樁的智能化是重要的發(fā)展趨勢。該文在對新能源汽車充電樁的運維現(xiàn)狀及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用優(yōu)勢進行分析的基礎上，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，當前的市場需求日益增加。為滿足用戶的充電需求，提高充電樁運行的安全性、穩(wěn)定性，搭建可用來管理和監(jiān)控充電樁運行情況的智能管理平臺是行業(yè)發(fā)展趨勢中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用傳感器等末端設施對數(shù)據(jù)進行收集，通過特定的技術(shù)對數(shù)據(jù)進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)能實現(xiàn)充電設施運維過程中對運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控并提供有效輔助的運維決策。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)中，是實現(xiàn)充電樁智能化的有效路徑。

1 新能源汽車充電樁運維現(xiàn)狀

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

新能源汽車充電樁運維過程中存在信息滯后及運維不及時的問題。信息滯后指的是充電樁使用過程中，其運行數(shù)據(jù)無法及時更新，使得充電樁的使用情況無法更新到用戶端，導致充電樁的資源利用率不高，車主充電的便利性偏低。運維不及時意味著當充電樁出現(xiàn)問題時，不能根據(jù)問題的類別進行不同等級的判定，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，當出現(xiàn)暴雨、大風等*端天氣時，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在較為偏僻的地方，存在通信不暢通的問題口。可見，要實現(xiàn)充電樁的運維，應提高充電樁的信息化水平，拓展大數(shù)據(jù)輔助運維決策功能，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)中的應用優(yōu)勢

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)中的先進傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及通信技術(shù)實現(xiàn)智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在推動系統(tǒng)智能化的過程中，具有3方面優(yōu)點。

*一，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的雙向通信技術(shù)能實現(xiàn)物與物、人與物之間的緊密聯(lián)系，將其應用到新能源汽車充電樁智能管理系統(tǒng)中，能夠提高充電設備與設施間的信息傳輸能力、用戶及運維人員與充電樁的交互能力、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男省．敵潆娬局械某潆姌冻霈F(xiàn)問題時，充電樁智能管理系統(tǒng)可以對充電樁運行數(shù)據(jù)的變化進行跟蹤，及時發(fā)現(xiàn)問題判斷出問題的發(fā)生位置和類型，再由系統(tǒng)進行判定并將具體的問題進行報送。運維人員收到告警信息后，可根據(jù)具體情況進行實時處理。

*二，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的大數(shù)據(jù)技術(shù)有*強的數(shù)據(jù)處理和分析能力，可對充電樁的故障進行分析根據(jù)實際情況分級報送，并提供輔助運維決策，實現(xiàn)對充電樁的智能化管理。例如收集檢測到的充電樁正常運行時的數(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)進行對比，對可能發(fā)生的故障進行預測，提高系統(tǒng)的預見性功能。

*三，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的數(shù)據(jù)加密技術(shù)可對傳輸?shù)男畔⑦M行加密防護，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，對企圖獲取用戶個人信息的行為進行攔截，并對情況進行報送。另外，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，信息安全技術(shù)可對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行加密，防止信息泄露事件的發(fā)生，進一步提高系統(tǒng)的安全性。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應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維過程中存在信息滯后及運營維護不及時的問題，有利于提高充電樁的使用率，增加經(jīng)濟效益，是推動充電樁設施智能化發(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)總體設計

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、實時性、安全性和經(jīng)濟性方面的發(fā)展需求將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應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，是一個遠程的數(shù)據(jù)處理中*，可以儲存大量的數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對復雜數(shù)據(jù)進行處理，以提供更加有效的信息，并將結(jié)果反饋給終端設備和邊緣服務器，提升整個系統(tǒng)的智能化水平。“邊”是邊緣計算，指的是靠近終端設備的邊緣服務器，能快速對終端設備的數(shù)據(jù)進行處理和分析，并將處理結(jié)果發(fā)送到終端設備。“端”是終端設備，在充電樁智能管理系統(tǒng)中，終端設備有充電頭、霍爾電流傳感器、超聲波傳感器、攝像頭:計量裝置等。這些設備對數(shù)據(jù)進行收集和處理，同時將有效數(shù)據(jù)上送到邊緣服務器，為完成用戶及運維人員的交互奠定基礎。

3.2 終端設備的數(shù)據(jù)采集

終端設備對數(shù)據(jù)的采集是整個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，終端設備能夠監(jiān)控充電樁的運行狀態(tài)收集充電樁的充電情況，便于及時發(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)、充申收取費用的金額、充電時長的統(tǒng)計等，為合理分配資源提供重要依據(jù)。*三，從優(yōu)化用戶體驗考慮對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、充電地點、充電時段、充電續(xù)航需求等，以了解車主用戶的消費習慣，提高對用戶的服務質(zhì)量。

3.3 邊緣服務器的架構(gòu)模型

當前的智能管理系統(tǒng)多采用集中式云平臺架構(gòu)模型，如圖2所示，各終端設備將測量的運行數(shù)據(jù)傳送到云平臺，由云平臺進行數(shù)據(jù)分析后才能傳回終端設備，并進行相應的動作，適用于對運行數(shù)據(jù)的傳輸速度要求低且運行數(shù)據(jù)較少的場合。

圖 2 集中式云平臺架構(gòu)模型

為滿足新能源汽車車主的充電需求，充電樁的數(shù)量多且運行數(shù)據(jù)龐大，傳統(tǒng)的集中式云平臺架構(gòu)模型已無法滿足對運行數(shù)據(jù)實時監(jiān)控的需求，通過研究選用分布式的邊緣服務器架構(gòu)模型，如圖3所示。終端設備將測量的運行數(shù)據(jù)傳送到邊緣服務器由邊緣服務器對數(shù)據(jù)進行分析后將處理結(jié)果傳回終端設備，同時邊緣服務器還承擔將處理的數(shù)據(jù)及結(jié)果上送到主站云平臺的任務，以便云平臺對相關(guān)數(shù)據(jù)進行進一步分析和儲存入庫。分布式的邊緣服務器架構(gòu)模型與新能源汽車充電樁的實際情況適配，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。

3.4 主站云平臺的大數(shù)據(jù)應用

要對充電樁進行智能化的管理，就要有效處理充電樁在運行過程中產(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)能有效進行海量數(shù)據(jù)的存儲人庫，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可對海量運行數(shù)據(jù)進行關(guān)系分析并提供有效的運維決策，數(shù)據(jù)處理技術(shù)可實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實時分析與處理。將大數(shù)據(jù)技術(shù)應用到充電樁智能管理系統(tǒng)的主站云平臺中，能實現(xiàn)各類充電樁的運行狀態(tài)監(jiān)測并對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行分析判斷，實現(xiàn)及時的故障預警、告警和報警通知，從而提高充電樁的運維效率。

圖 3 分布式的邊緣服務器架構(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)運行原理

充電樁智能管理系統(tǒng)利用終端設備對充電樁的運行信息、環(huán)境信息、充電數(shù)據(jù)信息等進行實時監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)、5G通信上傳到邊緣服務器。如圖4所示，當充電樁需要進行升級、啟停或出現(xiàn)故障時，邊緣服務器會根據(jù)收到的數(shù)據(jù)信息將處理方式反饋到終端設備就近進行處理，并將相關(guān)信息上傳到云平臺，云平臺對收集到的數(shù)據(jù)進行辨識，分類別存儲到數(shù)據(jù)庫，便于后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析。當出現(xiàn)問題的邊緣服務器無法進行修復時，云平臺的數(shù)據(jù)管理中*將會進一步對當前情況進行評估，并將評估結(jié)果及相應的數(shù)據(jù)報送給App，進而報送給運維人員，實現(xiàn)人機的交互。主站云平臺應用的大數(shù)據(jù)技術(shù)，使充電樁智能管理系統(tǒng)具有完善的保護功能，如過壓保護、欠壓保護過流保護、短路保護、過溫保護、輸出反接保護急停功能等，并通過實時檢測的充電樁動態(tài)數(shù)據(jù)實現(xiàn)主動防護，保護電池安全，充分提高整個系統(tǒng)的安全性、可靠性。

圖 4 充電樁智能管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

5 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)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(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(jié)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。

5.2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。

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)中*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。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)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(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。

5.4.2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。

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(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)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(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(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

5.4.5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。

5.4.6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(jié)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(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。

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(tǒng)硬件配置

6 結(jié)束語

從新能源汽車充電樁運維現(xiàn)狀出發(fā)，分析將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到充電樁智能管理系統(tǒng)中的優(yōu)勢，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)，實現(xiàn)可靠性強、實時性好、安全性高和經(jīng)濟性佳的充電樁智能化管理的運維系統(tǒng)設計。但在構(gòu)建充電樁智能管理系統(tǒng)時，仍有可能出現(xiàn)未考慮到現(xiàn)場干擾因素影響數(shù)據(jù)采集的情況，后續(xù)應根據(jù)特殊環(huán)境的個例情況對整個充電樁智能管理系統(tǒng)進行一定的優(yōu)化，并搜集現(xiàn)場出現(xiàn)的典型現(xiàn)實案例，對數(shù)據(jù)進行分析后，將其傳人數(shù)據(jù)處理中*，完善數(shù)據(jù)庫，以增強整個智能管理系統(tǒng)的實際應用性。

參考文獻:

[1] 付若琪,薛婧怡,郭玉琦,等.中國新能源汽車充電樁設施發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].時代汽車,2024(8):130-132.

[2] 張小莉,何艷.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源數(shù)據(jù)服務平臺[J].電氣傳動自動化 ,2023(2):59-63.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)應用手冊2020.06版.

[4]張 洋,張清小.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)研究[J].