徐红香
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：为了解决城市居民小区的电动自行车、电动慢速车、电动汽车等电动车充电面临的充电模式单一、支付手段单一、充电设施缺乏有效运营管理和充电设施无法实现共享等问题，提出了构建小区电动车充电服务平台的设想。通过小区电动车充电服务平台总体目标、方案、架构和关键技术领域的分析探讨，提出了小区电动车充电服务平台技术解决方案，通过小区电动车充电服务平台网站及手机 APP 的示范应用解决了小区电动车充电面临的问题。示范应用结果表明，居民小区电动车充电服务平台技术方案有效地解决了小区充电面临的问题，为居民小区电动车充电服务业务发展提供了重要的理论依据和应用探索，具有重要的研究和应用价值。
关键词：电动自行车；电动慢速车；小区；充电服务平台；手机 APP
随着我国电动汽车产量的快速攀升，国家对电动汽车充电设施建设的布局规划逐步明晰，社会多元化资本的投入不断加大，多种充电创新服务商业模式不断探索实践，城市居民小区建设充电桩成为整个社会关注的热点。
在我国 2015—2020 年电动汽车充电基础设施发展指南中，分场所建设目标已经明确了在居民小区等单位内部停车场建设超过 150 万个用户专用充电桩，因此居民小区与使用者居住地充电成为电动汽车补给能源的主要方式，但这种模式目前存在以下问题：
1)居民小区面向电动自行车/电动三轮车、电动慢速车等电动车提供充电服务的充电设施，存在充电模式单一、支付手段单一，同时充电设施缺乏有效的运营管理和服务共享模式，充电设施无法实现共享，存在信息孤岛。
2)居民小区个人停车位和公共停车位自建的充电桩仅仅是自用，充电设施的利用率低，造成充电资源浪费，并且相对于公共充电站而言，居民小区个人自建的充电桩缺乏专业的运维管理，难以实现基于互联网/移动互联网的远程智能化服务和统一管理。
3)居民小区建设充电桩，对整个小区而言引入了新的用电负荷，造成居民小区已有供电容量不足， 需要综合考虑居民小区已有配电容量、小区负荷用电特性、电动车充电特性和车主用户充电习惯与需求等多种因素，实现居民小区已有用电需求和新增电动汽车充电需求的能源生态平衡。
针对上述问题，如何快速寻找解决对策和方案成为制约小区电动车充电服务发展的关键因素。
以居民小区为基本单位，基于互联网和移动互联网，结合居民小区电动车(电动自行车/电动三轮车、电动慢速车、电动汽车)的充电需求，提出涵盖交直流充电设施系统集成、监控与运营管理和公共服务平台的三级架构居民小区电动车充电整体解决方案，构建居民小区电动车充电服务平台(以下简称小区充电平台), 通过信息互动、协调一致的就地控制策略以及智能化的服务和消费引导，解决居民小区电动车充电设施存在的充电模式与支付手段单一、缺乏有效的运营管理和服务共享模式等问题， 从而提高充电设施的利用率，实现充电设施智能化的远程服务和统一管理。
1小区充电平台需求
居民小区充电设施服务的车辆类型众多，包括电动自行车、电动三轮车、电动慢速车、电动汽车等，需要从电动车辆的运行特点、车辆的充电模式、充电接口及支付方式等多个方面进行充电需求分析，为后续居民小区充电平台提供必要的支撑。
1)电动自行车：晚上集中停放充电，白天存在补电的情况，需要交流慢速充电模式、充电接口220 V/AC、配套充电适配器 48 V/10 A、充电功率100~350 W、充电卡支付方式等。
2)电动三轮车：晚上集中停放充电，白天存在补电的情况，需要交流慢速充电模式、充电接口220 V/AC 、 配套适配器 60 V/20A 、充电功率500~1400 W、充电卡支付方式等。
3)电动慢速车：晚上集中停放充电，白天存在补电的情况，需要交流慢速充电模式、充电接口220 V/AC 、配套适配器 60 V/20 A 、充电功率2 kW~3 kW、充电卡或者手机扫描支付方式等。
4)电动汽车：私家车随时随地充电，需要随时家电动汽车为例，分析充电需求与设施需求间的关系。根据家庭出行调查数据对私家车充电需求进行分析，如表 1 所示。
表1 私家车出行目的频率统计表
Table 1 Frequency statistics of private car trip purpose
从表 1 可以看出，工作日和双休休息日目的有较大区别，6 类目的之和达到 90%，居家停车占 30% 左右，有 40%的停车集中在工作、购物、公共休闲场所。
对表 1 中主要出行目的平均单次行驶里程进行统计及目的地的平均停车时间进行统计(以工作日为例)，如表 2 所示。
表2 私家车平均里程及停车时间统计表
Table 2 Average mileage and parking time statistics of private cars
目前，交流慢充功率以 3.3 kW 和 7 kW 为主，
其中住宅小区充电功率以 3.3 kW 为主，户外公共充
电桩则 3.3 kW 和 7 kW 并存。现阶段电动乘用车百公里耗电多集中于 10~20 kWh，住宅区充电功率取为 3.3 kW，其余区域为 7 kW，折算后的单程平均耗电量与停车期间平均可补充电量如表 3 所示。
表3 私家车平均耗电量及可停车期间补充电量统计表Table 3 Average power consumption of private cars and the statistics of supplementary electricity during the parking period
从表 3 分析可看出，私家车在一次停车过程中， 慢速基本上可补充上一次行驶所消耗的电量，结合浅充浅放对电池的有益效果，建议私家车采用目的地分散充电形式补充电量，当有范围足够广的小区分散充电网络作为支撑时，可使私家车在频繁停车地点找到相应的充电设施进行电量补充。私家车适宜采用慢充为主进行充电。住宅区是最主要的充电地点，但是仅在住宅区进行充电无法满足所有用户一日的出行需求，因此，需在日间频繁停车区域建设一定数量的充电设施。
2小区充电平台方案设计
2.1总体目标
小区充电平台通过掌握居民小区电动车充电需求与分析技术，提出了涵盖交直流充电设施系统集成、监控与运营管理和公共服务平台的三级架构小区电动车充电整体解决方案，满足居民小区电动车充电设施的建设与运营管理需求；通过基于“互联网+二维码”的移动 APP 充电技术，解决了目前小区充电模式单一、支付手段单一的问题；通过基于互联网+的充电桩远程运维管理技术，解决了目前小区充电设施缺乏有效的运营管理模式问题，解决了个人自建的充电桩缺乏专业的运维管理，难以实现基于互联网/移动互联网的远程智能化服务和统一管理问题，通过设计居民小区电动车有序充电策略，实现了居民小区电动车有序充电。满足小区电动车有序充电需要，实现充电设施的最优化利用，如图 1 所示。
2.2总体方案设计
小区充电平台系统涵盖了从“端”到“云”两个层次的设计内容。端层指的是电动汽车充电桩/ 群，云层则是面向“互联网+充电桩”的公共服务平台；同时在端层和云层之间组建充电桩有线/无线GPRS/3G/4G 网络通道，通过移动/公共互联网，采用标准开放的充电设施接入协议将充电桩/群接入小区充电服务平台。
小区电动车充电设施通过公共互联 网(Internet)，采用基于 Internet 的充电设施开放接入协议接入充电系统。每个充电桩通过智能控制器与系统进行安全认证、充电消费结算、状态监视等信息交互。对于散布充电桩，智能控制器通过无线 GPRS/3G/4G 上网与系统进行通信；对于群布充电桩(或者充电站)，智能控制器通过集中的上网设备(ADSL、光纤上网等)与系统进行通信。
充电运营管理者使用手机 APP 或者 PC 浏览器对充电设施进行监控；电动汽车充电用户使用手机APP 或者 PC 浏览器搜索并查看充电桩状态，如图2 所示。
图 2 小区电动车充电平台系统图
Fig. 2 Platform architecture of energy charging system
2.3关键技术及方案
基于上述系统方案设计，采用移动 APP 充电技术、充电桩远程运维管理技术和小区电动车与配网互动的有序充电技术，提出了目前小区电动车充电存在问题技术解决方案。
2.3.1基于“互联网+二维码”的移动 APP 充电技术， 解决小区充电模式单一、支付手段单一的问题
小区充电用户利用手机扫描充电桩上的 APP 二维码下载 APP 并安装，通过手机 APP 注册到小区充电站系统，并通过微信或支付宝自助完成账户的充值，充电用户用充电线缆将电动车与充电桩连接后，充电用户直接扫描充电桩上充电接口端的充电二维码，完成支付同时对充电桩开启充电，通过该技术解决了目前小区充电模式单一、支付手段单一的问题，同时通过该技术方案减少了充电用户充电的操作次数，提升了充电用户充电过程的体验， 提高了充电服务水平。
2.3.2基于互联网+的充电桩远程运维管理技术，解决目前小区充电设施缺乏有效的运营管理模式
充电运营商通过小区充电站系统远程进行充电桩的配置升级维护、远程更新升级软件、远程诊断充电桩的预警故障信息，同时小区充电站系统通过运维人员手中的运维 APP 下发检修工单并及时通知运维人员，运维人员在运维工作完成后将充电桩检修的结果上报。该技术解决了目前小区充电设施缺乏有效的运营管理模式问题，解决了个人自建的充电桩缺乏专业的运维管理，难以实现基于互联网/移动互联网的远程智能化服务和统一管理，同时通过该技术方案降低了充电桩运行维护成本，提高了充电桩运维能力水平。
2.3.3小区电动车与配网互动的有序充电技术，解决小区新建设充电桩引入了新的用电负荷，造成居民小区已有供电容量不足的问题。
通过设计限制功率和充电用户优先级的算法策略，实现小区电动车与配网间协调互动功能。该系统通过能源互联充电终端采集并实时分析小区配用电特性，追踪出小区配电台区除小区用电负荷以外的限制功率，结合电动车主的充电时间和电动车的SOC，利用限制功率和充电用户优先级算法，动态调整电动车有序充电。该技术解决了居民小区新建设充电桩，对整个小区而言引入了新的用电负荷， 造成居民小区已有供电容量不足的问题，同时通过该技术方案实现居民小区已有用电需求和新增电动汽车充电需求的能源生态平衡。
3小区充电平台功能设计
小区充电平台对外提供三大板块功能：一是向社会公众发布充电设施运行及运营信息，主要包含充电设施分布及状态监测、车主手机 APP 下载服务、平台服务帮助、资讯活动等；二是向充电车主提供充电预约、充电导航、充电状态管理等快捷方便的充电服务；三是向充电运营商提供设施监控、发卡管理、充电收益等经济方便的互联网充电设施监控运营服务。
小区充电平台功能主要涵盖充电设施 GIS 全景检测、充电设施状态实时监视及报警、运营商管理、充电用户管理、充电设施运营管理功能等功能。
3.1充电设施 GIS 全景监视功能
充电基于 GIS 技术搜索和监视充电设施的运行工况，通过充电设施名称、运行状态、距离范围等多种组合条件搜索。
3.2充电设施实时监视报警功能
实时监视充电设施运行工况，主要包括充电桩运行状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流、充电桩告警信息等。
3.3运营商管理功能
通过互联网，系统平台建立运营商基础账户， 运营商利用该基础账户建立和管理其运营所需的其他账户及其权限管理(系统管理员、设施及客户管理员、发卡管理员、监控管理员、财务管理员等)。
3.4充电设施运营管理功能
通过系统平台，从充电站点、充电设施、充电用户、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易详细信息、充电交易统计信息。
3.5充电设施信息交互和监控
从“运营商”、“充电站点”、“充电设施”三个层次实现对充电设施的全面监控。完成充电设施充电状态、运行信息、故障和告警信息、充电交易信息、充电控制命令信息、设施收费策略信息等的交互。
3.6充电用户管理功能
充电用户通过用户手机 APP 注册、充值、查询账户余额；用户基本信息维护；已注册用户的信息查询和分组管理。充电卡的用户绑定、发卡、充值、解灰、退卡、综合业务查询、收支明细查询、操作记录查询、充电记录查询等管理。
4小区充电平台模式创新
4.1“互联网+充电桩”的充电运营服务模式
充电用户利用手机 APP，方便快捷地扫描充电桩上的二维码，并完成支付同时对充电桩开启充电， 此种模式减少了充电用户充电的操作次数，提升了充电用户充电过程的体验，提高了充电服务水平。
4.2基于“互联网+”的充电桩远程智能诊断模式
充电运营商通过运维平台远程实时诊断充电桩预警故障信息，同时通过运维 APP 通知运维人员，运维人员在运维工作完成后将结果上报。此种模式降低了充电桩运行维护成本，提高了充电桩运维能力水平。
5小区充电平台示范应用
小区充电平台已成功在河南省许昌市电动汽车智能充电服务网络项目中上线运行，目前已接入包括广汇君悦城、骏景中央公园等 6 个居民小区的共72 套充电设施，该小区充电平台支持手机扫描和充电卡两种充电方式，已注册充电用户近 500 人。
传统小区充电系统主要指小区充电桩，整个系统封闭，没有上层服务系统，全部采用离线充电卡方式进行充电，用户通过物业公司办理充电卡，无法实现自动结算，不同小区充电桩无法实现充电共享；新型充电平台主要包括充电桩和上层充电服务系统两个部分，支持用户充电 APP 方式，支持微信、支付宝等多种支付方式，用户无需通过物业可通过手机自助办理开户充值业务，用户能够跨小区充电， 并且小区充电服务平台自动完成结算，无须人工参与；下面通过充电方式、支付方式、运维管理、设施共享及有序充电等方面对比分析传统小区充电系统与新型小区充电平台，如表 4 所示。
表4 传统充电系统与新型充电平台对比表
Table 4 Comparison of traditional charging system with new charging platform
与传统的小区充电相比，该系统设计具有明显的技术优势和广阔的推广应用价值，通过手机充电APP 及运营管理网站向居民小区电动车使用者提供各类充电服务，随着电动汽车数量的增长，系统应用必将朝着更加全面、便捷、人性化的方向不断发展，为用户带来更加舒适、完美的使用体验。
5.1 小区充电服务配套 APP
小区充电手机 APP 为个人用户提供基于移动互联网的电动车充电信息共享与支付服务，实现了包括我要充电、充电网络、个人中心三大功能。“我要充电”主要包含充电导航、预约充电、充电状态等功能；“充电网络”主要包含资讯、用户提醒等功能；“个人中心”主要包含账户充值，充电卡查询、交易查询、个人设置等功能。如图 3 所示。
图 3 手机APP 充电应用图
Fig. 3 Mobile APP charging navigation query
5.2 小区充电服务平台
小区充电平台实现了电动汽车用户、充电运营商、小区物业管理者等多方需求信息互动共享的深度融合。通过充电信息和交易服务的互联互通，推动多方需求开放共享、灵活转化、智能协同，如图4 所示。
图 4 小区充电服务平台网站应用图
Fig. 4 Application of residential charging service platform website
6安科瑞充电桩运营管理平台
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。
充电桩型号
ACX10A-YH
(1)可同时充10辆电瓶车。
(2)尺寸空间大，投币箱容量大，内部空间充裕，具备充足的电气稳定性。
(3)实体按键设计，手感实在，使用寿命长。
(4)显示投币数、IC刷卡次数、IC卡余额，卡内余额语音播报。
(5)每次扣费和充电时间可调，可多次投币刷卡，充电时间自动累计。
(6)可根据客户需求开通免费充电功能、月卡功能和刷卡退费。
(7)可使用微信支付、支付宝支付、APP 支付。
(8)自动识别出现故障的线路，并伴有字母和语音提示。
(9)具有断电记忆功能，当出现断电，来电后可以继续使用剩余的时间充电。
(10)具有拔掉断电功能，当用户拔掉充电器，及时自动断电。
(11)具有充满自停功能，自动检测电瓶车充电状态，如充满则停止供电，计费时间清零。
(12)具有过载保护功能，能识别大功率电器，自动暂停供电，防止用户私接插线板给多台电瓶车充电。
(13)具有短路保护功能，当出现短路，保险丝熔断确保稳定。
(14)具有按功率给时间功能，根据检测到的功率，按照设定时间开启充电。
(15)可选配联网烟感，当出现火情，可发送短信给指定责任人。
(16)过温保护功能，当检测机箱温度过高，停止充电。
(17)夜间断电功能，可设定夜间整机断电黑屏，禁止夜间充电。
(18)远程抄表，485电表数据采集上报。
7结论与展望
本文从当前居民小区电动车充电面临的问题出发，通过小区电动车充电需求分析，采用居民小区电动车充电共享的理念，研究设计的居民小区电动车充电服务平台，对当前电动汽车推广发展具有及其重要的意义。
1)提供了多种充电方式和支付方式，实现了小区充电设施的共享，同时实现了跨小区充电，构建了充电用户和充电服务运营商、充电设施投资者和充电设施供应商间的信息交互桥梁。
2)解决了居民小区充电设施利用率低，缺乏专业的充电桩运维管理，实现了基于互联网/移动互联网的远程智能化服务和统一管理。
3)考虑了小区负荷用电特性、电动车充电特性和车主用户充电习惯等因素，满足小区已有用电需求和新增电动车充电需求的能源生态平衡。
通过居民小区电动车充电服务平台的设计研究， 搭建了小区电动车充电用户间的设施共享平台，很好地解决了小区电动车在推广发展过程中的各种瓶颈问题，加强了产业各方的互通互动。建设好面向居民小区电动车充电服务平台，对电动汽车在国内的迅速普及与健康发展具有至关重要的作用。
参考文献
[1]贾俊国,倪峰,电动汽车充电接口标准化研究[J]. 电力系统自动化, 2012, 35(8): 76-80.
[2]李洪峰,陈志刚,郭葳,徐石明,苏杭,小区电动车充电服务平台技术方案探讨
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：徐红香，女，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电瓶车充电桩的研发和应用，Email:2880581279@qq.com，手机：18701997389，QQ:2880581279
