张小莉
安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801
摘要：居民住宅区和公共场所共享云智能充电系统，以电瓶车安全充电为基础，基于GPRS、Ethernet构建互联网+物联网+人联网的模式，通过自主研发智能充电桩、主机、通讯设备、服务端和客户端应用系统，为降低电瓶车充电火灾隐患、实现安全充电的目标提供技术手段及相关服务。本设计可以使用太阳能板、压电膜等绿色能源作为补充，同时，充电桩自助设备终端还可以投放商业广告（平面或对媒体形式）提高商家的额外收益，做到社会效益和经济效益的双赢。
关键词：电瓶车；智能；充电桩；系统设计
0引言
我国综合国力日益增强，经济高速发展。电瓶车更是广泛地进入人们的视野。因此电瓶车智能充电装置的安全性面临着新的挑战。本文介绍了一种云智能电瓶车快速充电系统的设计过程。主要研究过程包括进行智能充电设计、进行硬件设计、进行外观设计。
1云智能电瓶车快速充电系统的可实施性及必要性
近年来电动自行车充电火灾事故频发，造成群死群伤，这一现象也揭露了整个充电行业令人担忧的现状。
从用户层面来看，全国使用电动自行车用户近3亿，并以每年超过3000万的增量增加，具有良好的发展前景。
从产品层面来看，充电的核心产品――充电器，质量堪忧。据新闻调查公布的数据，90%市售充电器不合格，容易引发充电火灾。而电动自行车的劣质电池充斥市场，主要体现在缺乏统一标准，类型、规格多样。由于现有的电瓶车充电装置安全性很低，要想解决电瓶车充电装置的安全性及功能性问题，将理论和实践相结合，在了解基础功能以及各项优化的基础上，提高综合型电瓶车充电系统的可实施性，做到理想化的设计[1]。
从服务方面来看，规模化、优质、安全的公共充电服务缺失。目前的充电服务，大多零散分布在各个小区和物业，一般都是通过物业提供插座，或者用户自带充电器方式完成充电。有的用户甚至将车辆推入室内，或将电池拆卸入室充电，安全隐患很大。
近年来，电瓶车火灾事故频发，引起人员伤亡，政府、消防、物业、消费者各方对电动车充电安全问题开始重视。2017年12月29日，公安部发布《关于规范电动车停放充电加强火灾防范的通告》，严禁在建筑内的共用走道、楼梯间、安全出口处等公共区域停放电动车或者为电动车充电；构成违反消防管理行为的，公安机关将依法予以处罚；引起火灾，造成严重后果，构成犯罪的，依法追究刑事责任[2]。
2对充电系统的设计要求
为保证电瓶车快速充电系统可靠运作，对该系统的性能有以下几项要求：
1）对安全性的要求。在电瓶车进行充电时，操作者进行开启、断开操作时；充电系统发生故障时，要保证人员安全。同时也要保证充电时电瓶车的安全，避免过热起火和电路老化等等问题。
2）操作便捷。对电瓶车进行充电时，充电系统应操作简易，充电过程应自动性强一些，不需要工作人员过多参与，过程不要过于复杂。
3）经济性。成本较小的充电系统可以减少电瓶车的运行成本，从而提高效益，促进电瓶车的使用推广。
4）高效性。充电效率高是充电系统的重要指标，也关系着电瓶车的商业化推广。本系统可以同时多辆充电，同时安全快速充电。
5）技术难题。为电动自行车提供公共充电服务，首要难题是公共充电设施如何适配五花八门的电池，需要一个“充电器”[3]。近一年来，一些项目试图对电动自行车充电进行智能化改造，受困于技术瓶颈，用于支付环节的优化，我们完全可以将投币插座升级为扫码插座。电池、电源管理等关键领域无能为力，无法完成智能化，无法集成充电模块，无法消除劣质充电器带来的隐患，无法做到户外安全充电。电瓶车快速充电系统，突破了智能识别电池、自适应动态控制电源核心技术。在不同类型、规格电动车电池安全充电的基础和前提上，能够识别出电池规格参数；在准确识别的基础上，自适应输出电压、电流，动态调整电源参数，识别电池充满，自动断电。Guarder云智能充电网络，具备人工智能网络学习算法，新的充电曲线即时上传云端，同步给所有在线设备，不断提高电池识别和电源控制准确度。
6）充电原理。采用脉冲充电，有利于延长电瓶寿命。脉冲低压交流电经全波整流后是脉动直流，当其波峰电压大于电瓶电压时，可控硅才会导通，当脉动直流电压处于波谷区时，可控硅反偏截止，停止向电瓶充电。因而流过电瓶的是脉动直流电，快速充电，充满自停。刚开始充电时电瓶两端电压较低，充电电流较大。当电瓶即将充足时，充电电压越来越接近脉动直流输出电压的波峰值，充电电流也会越来越小，自动变为涓流充电。当电瓶两端电压被充到整流输出的波峰值时，充电过程停止。经试验，三节电动车蓄电池36V串联，用该充电器只需2个小时即可充满。电路简单、易于制作，几乎不用维护及维修[4]。
3云智能电瓶车快速充电系统创新设计实践――以Guarder项目为例
3.1Guarder云智能电池识别系统和硬件安全
我们设计了Guarder云智能电池识别系统，可根据电池的规格来预先调节充电桩的输出电压，有效解决充电器不适配问题，同时采用专业级户外用电防护设备来确保安全。充电柜装有温度感应器，达到消防要求的温度会自动断电，且选用防爆材料制作充电柜的柜体，构筑一道防线，把火控制在柜子里面，不会伤及周边。充电桩和充电柜采用防雨、防水的材料，高强度结构设计，插头通过10000次拨插测试无故障。
3.2Guarder云智能充电新模式和软件安全
充电过程中的保护措施包括：专业级户外用电防护设备、接地保护、防雷保护、防尘防水保护、超载断电保护、欠载断电保护、线路短路保护、人身漏电保护、充电时间保护、充满自停电池寿命保护、联网监控实时保护[5]。引入电池识别系统，市面上电池种类很多，智能充电桩可识别电池类型和各种技术参数，做到实时监控充电电流、电压监控、异常断电、充满自停充电，以保证充电安全。加入呼吸式心跳检测，杜绝过载、过流、过温、欠载、浪涌等风险。
3.3操作系统和智能系统
Guarder云智能系统是为电动车配备的足以完成智能功能的操作系统，操作系统分硬件系统、云系统、软件系统、客户端系统等多个组成部分，通过各系统之间的相互协调，用户能够在远处智能的遥控自己的车辆[6]。智能系统分为设防、解防、静音、寻车、一键启动、GPS功能，通过手机连接APP，可以实现对电动车的实时操控，安全、控制、定位等功能都可以通过一颗小小的芯片完成。能兼容所有的含有蓝牙的手机，兼容安卓系统和苹果系统[7]。
3.4APP
用户可通过手机APP远程查看充电进度，远程控制充电开始、结束、异常通知。“自动定位一键导航”功能自动推荐离客户位置的充电站，并支持地图导航。还能将新的充电曲线即时上传云端，同步给所有在线设备。
在使用智能系统时，应注意以下事项：(1)在车辆行驶过程中，禁止操作本软件；(2)手机电量偏低时，请及时将感应模式切换为遥控模式，避免影响正常使用；(3)感应距离与手机发射信号、车辆所处环境有关，可能造成与设置距离偏差；(4)部分功能需要手机系统功能支持；具体操作需要下载手机APP。
3.5Guarder云智能快速充电系统儿童防护
儿童防护在本产品中无疑也是非常重要的，不仅要对儿童自身的安全考虑，同时也要保护充电设施不被儿童无意破坏。所以充电插口都配有独立安全门，预防儿童无意触电安全风险和儿童毁坏充电插口和放入异物，以免影响使用。
3.6Guarder云智能自反馈系统
Guarder云智能电瓶车快速充电系统出现故障或被破坏将会对管理系统发出信号，通知维修人员，在短时间内对Guarder云智能电瓶车快速充电系统进行维修。
3.7支付以及收费方式
充电站设备安装好后，管理人员可根据自己实际情况任意设置，设备设置有多重保护措施，系统性能安全可靠。根据电动车充电功率，自动判断收费标准；可同时采用按次计费和预付费模式。预付费模式，剩余金额自动返还；收费标准自由设置，充电时间10-999分钟可调；计费方式：按充电次数计费，按电子钱包计费，按包月计费。支持APP支付、扫码支付、充电IC卡支付等多种支付方式。支持微信、支付宝扫码充电。用户自行选择“按时间、电量收费”，或者按时、按量、包月充电套餐。
4安科瑞电瓶车充电桩云平台应用解决方案
近年来电动自行车数量越来越多，解决了老百姓短距离出行问题，但是和电动自行车相关的安全和火灾事故新闻也屡见不鲜，给社会带来了很大的损失，成为人民生命和财产安全的一个隐患。
据统计，我国电动自行车保有量超过2亿辆，全国年产量超过3000万辆，是世界上电动自行车产销较多的大国。 2013~2017年全国共接报因电动自行车引发火灾10000余起，较大以上亡人火灾34起，造成142人死亡，占较大亡人火灾总数的11%（以上数据来自于应急管理部），电动自行车引起的火灾事故有逐年增长的趋势。
4.1政策文件（以上海为例）
通过嘉定区下发的文件的第三条、第五条、第七条、第八条对相关场所进行关于规范电动自行车充电的建设约束，推广相关场景下的智能充电桩的建设。
4.2全镇场景建设
4.2.1推荐建设标准
收集全国相关文件，引浙江省相关文件如下作为建设标准参考：
居住出租房集中区域、10人（含）以上的居住出租房就近建设智能充电桩，具备完全物理隔断的居住出租房内可以安装智能充电桩；
全市范围内有独立厂房的工业企业按员工电瓶车保有量与智能充电桩点位不低于3:1比例建设智能充电桩；
有独立办公场所的机关企事业单位要因地制宜建设电瓶车智能充电桩，满足单位内部人员使用；
市政府将按照每个充电点位100元的标准对公共场所安装的智能充电桩进行补助，并通过筛选方式确定入围企业库，限定公共场所充电收费标准。
4.2.2场景分类
（1）机关事业单位、学校、医院、养老院
推荐结合事业单位电动车数量及空余地面，进行不低于3:1的比例建设智能充电桩；
（2）社区街道、体育馆、图书馆
露天街道带多媒体视窗、信息发布宣传
案例：吴江市松陵区街道办出资，我司配套充电桩、平台系统和充电站建设，政府每年建设600-800个充电站，分8-10年执行，片区全覆盖。停车棚充电站改造费用5000元，立柱式改造费用10000元。（其中停车棚充电站占比30%，露天立柱式充电站占比70%）
该项目运营模式：政府出资，招商1-2家第三方公司负责具体运营及后续充电站维保服务。
该项目收益回报：立柱式多媒体功能充电桩沿街广告投放收益（政府招商广告投放收益高）、充电差价收益（在整体收益中占比较小），整体预计2年回本。
（3）住宅小区
其中住宅小区可按不低于10：1的人数比进行各小区规划建设公共充电桩，或按已有规划的电动自行车停车位1:1建设；
案例1：上海某小区和某公寓，电力安装公司出资建设并做项目运营，其中小区（200个10路充电桩）、公寓（20个10路充电桩）。
运营模式：电力安装公司自建充电桩云平台系统，并由其单位人员负责具体施工安装、后续维保服务。
收益回报：充电差价收益，上述小区为老旧安置房小区，充电价格低廉（100元/点/年），投资回收周期长，预估7-8年回收成本。上述公寓为人才公寓，充电定价高（2元4小时），投资回收周期较短，预估3-4年回收成本。
该电力安装公司根据今年收益情况，且未有政府补贴，整体投资回报偏低且成本回收周期太长，其已不再计划新投建充电站。
案例2：江苏无锡市某小区，小区物业出资建设并做项目运营。（237个10路充电桩）
运营模式：小区物业自建充电桩云平台系统，并由物业电工人员负责具体施工安装改造、后续维保服务。
收益回报：充电差价收益，地方银行流水补贴（30元/桩，平台充值流水全部走该银行账户），上述为新建商品房小区， 物业充电定价较高（3元6小时），施工安装及维保由物业电工负责，相关人工不需要另行投入，预估2年收回成本。
（4）大型办公楼、商业综合体、农贸集市场
该类场景推荐按已有电动自行车停车位按不低于3：1建设智能充电桩；
（5）工业园区
该类场景推荐按已有电动自行车停车位按不低于3：1建设智能充电桩；
案例：江苏某工业区，管委会出资招标建设园区智能充电桩，按5000-10000元/站标准建设，整体项目标的180万元，我司作为分包供应商提供充电桩及系统后台。
运营模式：电力安装公司应标承建、后续日常维保，系统平台布置第三方云服务器数据机房，工业区管委会负责具体运营；
收益回报：充电差价收益，各公司、工厂出50%资金接受改造，整体回收周期预估2-3年。
4.3产品方案差异化
4.3.1已有棚区改造类
多停车位
10回路壁挂式充电桩
充电桩配件
防雨插座
刷卡充值机
购电卡
少量停车位
4.3.2户外露天新建类
户外露天立柱式充电桩
4.4产品功能亮点
安全防护
智能充电管控充满自断，短路、过载、空载保护，充电异常、高温等故障以短信、微信、APP推送告警；
断电记忆
当进线电源异常断电，来电后充电桩可以继续使用剩余的时间充电；
多路管控
每台设备支持10路插座输出，满足多车辆充电，节约安装成本
多样支付
支持投币、刷卡、微信支付宝扫码支付，兼顾大众需求。
5电动车充电桩运营收费云平台
安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电动自行车充电桩的日常状态、充电过程进行监控；实现充电支付对接：支持投币、刷卡、微信支付等多种支付方式，保证支付交易过程的完整性，对充电过程中的异常情况进行有效预警；实现对下游站级平台的清算、对账功能。平台可对接消防物联网平台、小程序等，提供相关异常数据，实现电动车充电安全管理的网络化、可视化。
① 安全预警
对平台连接的所有充电桩状态进行监视，充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。
② 交易结算管理
平台为运营方提供充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表等，支持投币、刷卡和扫码充电。
③ 充电服务
可通过软件搜索附近充电桩，并查看充电桩状态，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。
④ 运营分析
对订单进行数据化分析，通过柱状图、报表方式直观展示数据，并支持和第三方平台对接。
⑤ 微信小程序
可通过微信小程序扫码充电，充电账单支付。运营商和物业管理人员均可通过小程序管理，监测充电桩状态和充电交易情况。
6盈利模式
6.1用户侧小程序及线下车棚投放广告
运营公司可在云平台所属的小程序中投放广告，由于电瓶车有着使用频次高，用户面广的特点，在充电前、充电中、充电完成后都可投入广告，享受在线广告收益。线下车棚也可以投入灯箱，寻找商家等进行投放广告运营。
6.2通过会员充值返现的活动快速回笼资金
6.3充电差价收益
①目前市面上绝大多数的充电桩都是采用按充电时间收费的方式：比如1元可以充4个小时。这是一个挺常见的收费方式，不论功率大小，一律设成固定的时长。但是电动车充电功率大小不一，有的电瓶车功率大，有的功率小，功率大的耗电多，成本就高，因此就赚的少。每台设备按1元充4小时计算，两轮电动车功率为200W。充电期间都按200W计算，则4小时消耗电能0.88千瓦时。如每度电为0.6元，则4小时共计消费0.88*0.6=0.528元，充电一元钱的利润则为1-0.528=0.472元。每台充电桩每天充电10次，则每台充电桩单日收益为4.72元，月收益为141.6元年收益为1722.8元。
②安科瑞电瓶车智能充电桩配置了按功率分档进行收费的功能。按功率分档进行收费后，相对于按时间充电收益可提高30%-60%。
第1档位.0-150W480分钟/元
第2档位.150-285W360分钟/元
第3档位.285-400W240分钟/元
第4档位.400-600W120分钟/元
注：客户可根据现场自行设置分档区间及时间；
6.4享受政府补贴
各地政府对电瓶车集中停放，集中充电及其重视，三令五申各类红头文件，对于这种基础设施建设非常重视，一般都伴有车棚建设的补贴。参考浙江省文件补贴100元/点位。
常规单个10停车位充电站改造建设费用为5000-10000元，由于广告费和政府补贴的不确定性，快则2-3年左右回收成本，慢则3-4年回收成本；
7运营模式
7.1分包运维托管模式：
政府下发红头文件规定相应场景充电站设立标准，各场景业主方出资建设，2~3家总包单位负责充电站建设及后续线下运维服务，充电站收益归各业主方所有，所有数据存储在政府数据机房或第三方云服务器租赁。（各场景投资效益回收率、政府补贴、用电安全概念三重强化推广助力实施）。
7.1.1四重安全把控：
①提供政府官员相应管理员账号权限，负责把控全镇充电站安全和落实进度；
②各业主子一级权限，用于查看实时收益和对应充电基站硬件安全管控；
③各场景总包子二级权限，用于充电基站硬件设施稳定的运维管控；
④安科瑞公司负责整个云平台的数据稳定性、安全性，保障各业主收益准确性，保障各总包充电桩硬件产品质量及售后服务；
7.1.2优点：
前期政府仅需出资少量进行相关补贴，无大量硬件资金压力的情况下落实相关政策执行；
平台收益区域化，资金风险碎片化，政府无需具体一线管控软硬件平台建设后的相关考核与后续使用，减少相关人力资源的支出。因为由各个场景业主方出资，其寻求收益回报率的主动性会提高，政府只需出台相应后续优惠、管理政策及建议；
由各场景业主出资投建，对应招标、项目包干实施等均由各业主方具体落实，政府仅负责统一验收标准，人力资源利用；
各总包负责充电站建设和运维服务，软硬件供应商提供相应产品的质保和售后服务，平台和前端设备的安全、稳定得到充分保障；
7.1.3缺点：
相对的强压模式，由各场景业主出资，相应落实实施进度会有阻碍，需政府指导、推广相关投资收益，辅以补贴政策文件灌输用电安全和智能化管理思想。
7.2政府出资自建模式：
政府下发红头文件规定相应场景充电站设立标准，并出资负责建设，集中招标多方总包负责承建、运维，充电站总收益归政府所有（各场景投资回收率、相关考核政策具体实施需亲自把关），所有数据存储在政府数据机房。
7.2.1三重安全把控：
①所有数据存储政府当地，骨干分管相应管理员账号权限，负责把控全镇充电站安全、建设落实进度、实时收益、实时查看各充电站使用率考核相关场景业主方；
②各场景总包子一级权限，用于查看对应充电基站日常运维；
③安科瑞公司负责云平台的数据稳定性、安全性、准确性，保障各充电桩硬件产品质量及售后服务；
7.2.2优点：
政府集中出资，并相应政策扶持，项目具体落实进度较快；
各总包负责充电站建设和运维服务，软硬件供应商提供相应产品的质保和售后服务，平台和前端设备的安全、稳定得到充分保障；
7.2.3缺点：
政府资金压力大，整体的投资收益周期较长；
前期政府集中招标，耗费巨大人力、物力、精力；
中期政府负责各场景项目现场落实进度，以及相应项目验收，需要有相关专业部门具体把控
后期由于平台收益为政府所有，各场景业主方无具体相关利益，全镇区收益率及考核措施的制定与落实需要有相关部门具体把控，难度大，效益低；
综上所述，推荐6.1运营合作模式。
8合作实例
9总结
Guarder云智能电瓶车快速充电系统是为电动自行车日常通勤用户提供户外公共充电的解决方案，安装在小区、园区和商业楼宇等用户生活、工作区域。充电柜是为外卖、快递等物流垂直领域提供的电池存储、充电解决方案，摆放在外卖快递集中商圈、商铺以及站点。
Guarder云智能电瓶车快速充电系统，突破了智能识别电池、自适应动态控制电源核心技术。给不同类型、规格电动车电池安全充电的基础和前提，能够识别出电池规格参数，在准确识别的基础上，自适应输出电压、电流，动态调整电源参数，识别电池充满，自动断电。Guarder云智能充电网络，具备人工智能网络学习算法，新的充电曲线即时上传云端，同步给所有在线设备，不断提高电池识别和电源控制准确度。另外，本方案还可以使用太阳能板、压电膜等绿色能源作为补充，同时，充电桩自助设备终端还可以投放商业广告（平面或对媒体形式）提高商家的额外收益，做到社会效益和经济效益的双赢。
参考文献
【1】王锦尧．国内外电动自行车充电桩对比[J]．合作经济与科技，2017（01）．
【2】邱亚楠，陈波，顾纯清．电动自行车用充电器产品发展状况分析[J]．电动自行车，2016（09）．
【3】陆灿楠，叶桦，仰燕兰等．校园电动自行车充电管理系统的设计[J]．信息技术与信息化．2016（11）．
麻友良，罗明胜，陈全世．电动汽车用电池智能化快速充电研究[J]．武汉科技大学学报，2010，
（02）：218-221．
【4】安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版
作者简介：
张小莉，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为电瓶车充电桩运营及收费解决方案；邮箱：2880157861@qq.com；手机：18702111813；QQ：2880157861
