仇婉蓉
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要：近年来，随着我国经济的飞速发展，环境问题日益严重，越来越多的电动汽车投入市场并逐渐得到了广泛的使用。由于电动汽车的使用时间尚短，存在不能及时充电、用户无法实现远程实时监控充电等问题，基于此，笔者设计了一套能够实现5G远程通信的充电桩智能监控系统，有效弥补了当前存在的相关技术漏洞。
关键词：电动汽车；充电桩；远程实时监控系统；设计
0 引言
由于目前的充电桩、特别是用户充电桩大多数不具备与车主进行信息交换的功能，对车辆的充电状况，需要车主到车上观察仪表才能掌握， 这给广大车主带来了很多不便，特别是在生活节奏加快的现代社会，更 是一种迫切需要解决的问题。因此有必要研制一种与电动汽车相配套的 汽车电池充电监控装置，该装置除确保充电安全外，还具有与车主的手 机进行通讯的功能，使车主能在不影响工作和休息的条下对车辆的充 电状况进行实时的有效的监控。该装置应设计成不仅能与公共充电桩配 套使用，而且也能适用于在廉价的用户充电桩上使用，即使是车主在家中拉一条电源线进行充电，也能使用。
1 电动汽车充电桩远程实时监控系统现状描述
目前，我国现有的充电桩远程控制系统通常都是一种嵌入式系统， 运用模块化的思想，对人机交流、充电监控、充电计价等模块进行独立 的软件层次设计和流程设计。目前市场上的充电桩设备还不支持用户通 过网络预约空闲充电桩及在线监控实时的充电情况，除此之外，充电桩的结算方式往往只有刷卡结算这一种，这对于电动汽车车主来说无疑非 常不方便。在互联网高速发展的背景下，国内对于充电桩设备智能监控系统的研究取得了可喜的成就。一部分技术人员提出了新的充电桩设计方案，运用无线网络来使充电桩之间能够实现信息交互。还有一部分技术人员基于传统的充电桩设计，为其补充了智能充电导航的功能。但这些改进方式虽然能够一定程度上提高充电桩的工作效率并便利人们的使用，但都仅侧重单一方面进行改进，成效并不显著。因此相关技术部门进一步设计了具备 5G 通信功能的智能充电桩远程控制系统，用户可以通过手机 APP 客户端来预约充电桩、查询充电状况等，这使充电桩远程监控系统的功能更加丰富且完善，充电桩使用效率提高，充电桩资源也能够得到更加充分的利用。
2 系统结构设计
2.1 设备层
设备层是充电桩远程设备监控系统的底层，包括多种功率的直流充电桩和交流充电桩，完成对不同功率需求的电动汽车充电的任务。根据充电站的空间的不同需求，又可分为离散桩和预装式充电集群，其中离散桩内置ＧＰＲＳ模块，可进行无线数据传输，预装式充电集群通过网线和交换机与数据库服务器通讯。
2.2 通讯层
通讯层作为联系数据库服务器和设备层的纽带，为多种不同数据结构的数据提供传输通道，包括充电基础数据、充电桩故障信息、电动汽车 BMS 信息、维修进度信息等。通讯层包括 GPRS 实现的高速无线网络和连接至广域网的有线网络组成。
2.3 数据库服务器
数据库服务器系统作为充电站远程设备监控系统的服务端，要具有信息接收、储存、管理、发送的功能，是现场充电桩与 Web 服务器之间连接的有效途径。它通过通讯层从站设备中接收数据并将数据储存在数据库中，为响应 Web 服务器的数据请求做好准备。本系统采用的是微软公司的 Microsoft SQL Server 数据库。
2.4 Web 服务器
Web 服务器作为整个系统的第四层，也是远程监控系统的核心部分。Web 服务器负责接收客户端发出的指令，在数据库服务器中取得相应的数据，并协助客户端完成相应的数据信息响应。由于现场数据种类较多，较为复杂，除了要求信息采集的实时性外，还必须实现在客户端显示的实时性。因此该系统采用动态交互式的Ｗｅｂ技术和具有局部刷新功能的 Ajax 技术，很好地解决了实时性的问题。
3 充电桩监控的设计
3.1 硬件设计
充电桩智能监控硬件系统有主控台、IC 读卡器、显示屏、通信、键盘等等，充电桩监控系统。交流电是接入的 220V/380V 电网电源，通过充电模块的过滤和整流等，直接对电动汽车充电；IC 卡识别模块是给用户开启充电桩的功能，IC 卡识别模块可以显示用户余额以及个人信息，人机交互模块可以选择充电模式、里程充满，或自我选择充电电量等；计费模块显示当前计费等。主控模块是硬件系统的核心部分，有很多串口、网口和控制器等，它是控制一切模块的枢纽，实时监控运行情况和充电情况，以便及时传送到后台。为了有效对充电桩进行实时检测，还需要建设一个保护程序，见图 2。通过监控保护单元对充电模块电压和电流进行控制以及对电动汽车的电池系统进行检测，如出现异常或不稳定时，及时断开电源，保护电桩电池的安全，确保电动汽车电池不受到损害。
3.2 软件设计
充电桩智能监控软件设计需能有效实现与用户的沟通。用户给电动汽车充电的流程是这样:用户先将电动汽车充电接口和充电桩充电输入手柄连接，再插入 IC 卡，开启充电桩，如果用户充电接口与充电输出口没有连接好，系统提示报警；用户在身份识别完成后，就可以选择自己想要的充电模式，如果所选择的充电模式不匹配当前电池状态，系统提示报警；在充电过程中，屏幕会显示余额、充电时间、充电时长等，充电结束后，自动停止计费并打印发票，然后系统自行锁定。所有系统程序可以分为中央控制程IC卡识别程序、通信程序、显示程序、检测程序和打印程序，每个程序都是独立的，但又能协调处理工作。在设计上，编写程序人员必须严格按照电桩系统的稳定性以及可行性进行开发。在人机交互程序设计上，需要考虑多样化功能，比如，充电种类选择、充电时间设置、里程充电设置、停止充电等，人机程序和主控程序的连接能更好地控制其他程序的工作。在程序设置上，安全程序是保障读卡器程序加密的，以确
保用户信息安全以及电量计费和金额数据加密。
3.3 环境和电磁设计
电动汽车充电桩一般都安装在户外，因此受环境影响很大，尤其是阴雨潮湿等天气，不仅会给充电设施带来影响，也会给通讯带来不便。在建设智能充电电桩的时候，可以选择交叉覆盖式结构，这样充电桩外壳要选择防水防潮的材料，既防雨又通风，能很好降低充电桩的温度，硬件以及元件的选型都要选择工业级的；另外也要注意通信被干扰的情况，选择通信线时要注意抗干扰，保证这些元件能在不同环境下工作。
4 安科瑞充电桩运营管理平台
4.1系统架构
安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。
充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：
资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。
交易结算：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
用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理
充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等
微信小程序：扫码充电，账单支付等功能
数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析
变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。
4.2平台功能
4.2.1平台登录
在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。
4.2.2平台首页
平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。
4.2.3实时监控
l 充电站监控
充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。
l 充电枪监控
充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。
4.2.4微信小程序
l 搜索与使用
微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示
l 授权登录界面
用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：
l 主功能页
初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。
l 充电
扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。
l 个人信息
个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能
4.3硬件配置
4.3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。
推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）
若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：
4.3.2现场推荐硬件配置清单：
5 结语
智能充电桩远程监控系统具有操作简单、功能丰富等优点。用户通过 APP 客户端即可完成预约、查询、支付等操作，实现了对能源的充分利用和设备的便利应用，能够带来相当的经济效益和社会效益。随着未来电动汽车行业的进一步发展，对于充电桩远程监控系统的研究也会更加深入，使其得到不断地完善，从而能够获得更高的市场认可度。
参考文献
[1]刘朝辉.电动汽车智能充电桩的设计与应用[J].电子技术与软件工程,2017(3):248.
[2]张国伟.杨雷雷.电动汽车充电桩远程实时监控系统的研究与设计
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版
作者简介：仇婉蓉，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:2881780372@qq.com，手机：18702105278，QQ:2881780372