安科瑞魯一揚15821697760

摘要：為滿足國內電動汽車充電樁規范化和標準化需求，設計并實現了一款符合國網公司標準的電動汽車智能充電樁。首先闡述國內電動汽車充電樁現狀及需求，隨后以國網公司標準為依據進行硬件系統、主控板及監控單元設計，采用模塊化原則設計軟件系統，并針對充電樁惡劣工作環境開展環境及電磁兼容設計。該充電樁已在山東臨沂、濟南等多地充換電站運行，結果顯示其安全、穩定、可靠，將為電動汽車發展提供有力保障。

關鍵詞：電動汽車充電樁硬件系統

0引言

隨著新能源戰略推進及電動汽車行業發展，電動汽車充電行業發展迅猛。我國電動汽車充換電設施試點工程已建成并投運眾多標準化充換電站、充電機和交流充電樁，覆蓋多個省市，杭州初步建成電動汽車充換電服務網絡，充換電站及充電樁數量居世界前列。國家電網將在 “十二五” 期間建設大量充換電站和充電樁，初步建成智能充換電服務網絡。

鑒于市場上電動汽車和充電設備接口、功能、性能設計標準不統一，質量參差不齊的現狀，相關規范和標準陸續出臺。電動汽車充電樁作為電動汽車充電主要渠道，其性能、工藝和質量對電動汽車推廣影響重大，故有必要依據相關標準進行設計。電動汽車充電樁設計不僅要滿足基本充電功能，還需強化電氣安全、數據安全及環境與電磁兼容性能設計。

1電動汽車充電樁設計

本項目設計的電動汽車智能充電樁依據《NB/T33002－2010電動汽車交流充電樁技術條件》、《Q/GDW485－2010電動汽車交流充電樁技術條件》、《Q/GDW478－2010電動汽車充電設施建設技術導則》、《國家電網公司電動汽車充電設施建設指導意見》相關要求進行設計。該產品在滿足相關標準對電動汽車充電樁的技術要求基礎上，強化了充電樁電氣安全、數據安全設計和環境及電磁兼容性能的設計，增加了視頻拍照、微型熱敏打印、無線組網等功能。

1.1硬件系統設計

電動汽車充電樁硬件系統主要由主控板、監控板、IC卡讀寫器、數字電表、移動通信模塊、觸摸屏、指示燈、按鍵等組成。硬件系統的硬件組成如圖1所示。

圖1充電樁硬件系統組成框圖

主控板是核心，負責充電過程啟動、運行、監控及關閉，并通過多種通訊方式將數據傳至后臺，具備多種接口和功能特點。為保障充電安全可靠，設計了監控保護單元，對充電樁進線電壓、輸出電壓電流、接口連接狀態、車載電池管理系統及電池狀態等實時監測，異常時及時切斷電源。

1.2軟件系統設計

1．2．1系統工程流程

當電動汽車需充電時，用戶將充電卡置于刷卡區，按提示操作，連接充電接口并選擇充電模式后啟動充電。控制保護單元檢測連接狀態，異常則無法啟動。充電中，指示燈點亮，監控單元實時監測各項狀態，異常或故障時斷開開關并報警。

圖2監控單元組成框圖

充電樁軟件系統主要完成的功能是將各功能模塊有機的結合起來，實現各模塊的協調調用，系統整體控制流程圖如圖3所示。

圖3充電樁軟件系統主程序流程圖

1.2.2功能模塊設計

充電樁軟件設計時采用了模塊化的編寫原則，這樣既能保證電動汽車充電樁軟件系統高效可靠的運行，又能使該軟件系統具有良好的擴展性，對產品升級換代具有非常重要的意義。

按充電樁軟件系統的功能可以把系統分為主控模塊、人機交互、讀卡器模塊、計量計費模塊、打印模塊、后臺通訊模塊、遠程通信模塊等功能模塊。其主要功能框圖如圖4所示。

圖4軟件系統功能框圖

當軟件系統啟動時，主控程序根據系統配置文件加載程序配置信息，并根據配置信息完成各通信模塊的加載。軟件平臺強大的多線程處理能力，主控程序能夠輕松的完成與各通信模塊的交互。主控程序通過各模塊通信能夠完成用戶信息采集與展示、實時數據采集與展示、充電流程控制、計量計費功能等功能，同時該主控程序還具備后臺通信功能，能夠把充電過程中的實時數據、充電記錄等信息上送到遠方后臺系統。

人機交互模塊設計時，界面顯示單元顯示的內容非常豐富，其中主要界面有歡迎界面、連接確認界面、充電參數設定界面、啟動充電界面、充電界面、停止充電界面、結賬界面、打印界面等。人機交互模塊通過與主控模塊的交互，獲取控制命令完成界面切換;獲取用戶信息與實時數據信息并進行信息展示。

安全模塊由帶安全存取模塊(SAM)的讀卡器，密鑰管理系統，數據加密、解密模塊組成。帶安全存取模塊(SAM)的讀卡器采用硬件加密技術，對用戶卡與充電樁數據交互過程中所使用的臨時變量進行加密處理，并對傳遞過程進行線路加密，保證了用戶卡與充電樁進行數據交互的過程中，信息不會被外界竊取。密鑰管理系統的主要功能是提供各種密鑰的生成機制和加密算法，并將生成的密鑰存儲在具有密鑰導出功能的CPU智能卡，即SAM(SecurityAccessModule)卡中。數據加密模塊用于把用戶數據按照事先約定的加密方式加密并存儲在用戶卡的用戶數據區域。解密模塊用于將讀取的用戶卡數據還原為原始數據并進行相關的用戶識別，扣費等操作。

1.3環境及電磁兼容設計

電動汽車充電樁應用環境多在室外，工作環境惡劣，需適應各種惡劣天氣及電磁干擾。樁體結構及工藝采用交叉覆蓋工藝，達到 IP54 防護等級且保證散熱；主體采用鍍鋅鋼板，外表面汽車烤漆工藝，防止銹蝕；元件選型采用工業級元器件，電氣設計采用防雷器及多種防護措施，確保充電樁在惡劣環境和工業騷擾環境下正常工作。

2項目實施情況

本項目開發完成的電動汽車充電樁，于2010年12月27日通過了電力工業電力系統自動化設備質量檢驗測試的型式試驗;目前，本項目已通過有關專家的鑒定，并在山東臨沂焦莊充電站、義堂充電站，山東濟南英賢充電站、葛家莊充電站等推廣應用，得到一致好評。現場應用圖片如圖5所示。

圖5臨沂焦莊充換電站現場照片充電樁操作界面

如圖6所示

3樁車網絡

根據一個時期內可獲得的充電樁的交易流水數據，構造樁車網絡。圖1為一個由6樁7車構成的網絡。

圖1由6樁7車構成的網絡

樁車網絡可以用矩陣表示，以行區分樁、列區分車。如果用矩陣元素表示對應的樁車連接次數，則圖1網絡可用式（1）表示。

如果將連接次數達到2次的連接視為有效連接，并且僅考慮連通性，那么就能得到圖2網絡，相應的矩陣為式（2）。

圖2僅考慮連通性的網絡

4討論

根據以往研究，可以得出以下結論：

表1初始充電樁排名

表2v1作用時的排名

表3v2作用時的排名

對比表1～3數據可知，因為網絡效應，所以v引起了幾乎所有樁的評分改變。本文以排名變差而非評分變差作為評價計量特性傳播的依據，這是因為自然數排名具有離散性和排他性，所以相比實數評分而言更加顯著和穩定。然而是否能夠直接以評分變差作為評價依據，還值得進一步研究。

算例中的控制變量不是真實施加于網絡的，而是虛擬的，類似于力學研究中的“虛位移”，其目的在于給出一種任意樁對其他樁影響的計算方法。

算法對網絡完整性沒有要求，原則上該方法可應用于樁集合的任何子集。特別是當真實（而非虛擬）的控制變量施加于網絡時，同一樁集合的排名變差能夠反映出實際計量可信度的變化。

另外，可想而知，控制變量不只可以用來標記計量因素。排名變差原理還可用于研究其他因素的網絡傳播，發現那些對傳播發揮關鍵作用的節點，使得資源的投放更有效率。

5安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

5.1概述

AcrelCloud - 9000 安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動自行車充電站及各個充電樁進行數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，實現充電服務、支付管理、交易結算、資產管理、電能管理、明細查詢等功能。同時對充電機各類故障進行預警，充電樁支持多種方式接入互聯網，用戶可通過微信、支付寶、云閃付掃碼充電。

5.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

5.3系統結構

系統分為四層：

包括數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。數據采集層采用標準通訊協議采集電力參數并計量保護；網絡傳輸層通過 4G 網絡上傳數據；數據層包含應用服務器和數據服務器，部署多種服務和數據庫；客戶端層供系統管理員和終端充電用戶使用。小區充電平臺功能涵蓋多方面，為運維人員提供運維 APP，為充電用戶提供充電小程序。

5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

5.4.1智能化大屏

展示站點分布及設備狀態、使用率、充電次數、時長、金額、度數、故障等統計信息，可查看站點詳細信息、充電樁列表、充電記錄等，便于統一管理小區充電樁和分配資源。

5.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、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、注銷等操作，可查看小區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，平臺管理人員派發處理，運維人員通過 APP 接收推送，處理后上報結果，充電用戶也可通過小程序反饋問題。

5.4.5統計分析

通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，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、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

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系統硬件配置

類型	型號	圖片	功能
安科瑞充電樁收費運營云平臺	AcrelCloud-9000		安科瑞響應節能環保、綠色出行的號召，為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kW交流充電樁，30kW壁掛式直流充電樁，智能60kW/120kW直流一體式充電樁等來滿足新能源汽車行業快速、經濟、智能運營管理的市場需求，提供電動汽車充電軟件解決方案，可以隨時隨地享受便捷安全的充電服務，微信掃一掃、微信公眾號、支付寶掃一掃、支付寶服務窗，充電方式多樣化，為車主用戶提供便捷、安全的充電服務。實現對動力電池快速、安全、合理的電量補給，能計時，計電度、計金額作為市民購電終端，同時為提高公共充電樁的效率和實用性。
互聯網版智能交流樁	AEV-AC007D		額定功率7kW，單相三線制，防護等級IP65，具備防雷 保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用。 通訊方：4G/wifi/藍牙支持刷卡，掃碼、免費充電可選配顯示屏
互聯網版智能直流樁	AEV-DC030D		額定功率30kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠 程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯網版智能直流樁	AEV-DC060S		額定功率60kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電
互聯網版智能直流樁	AEV-DC120S		額定功率120kW，三相五線制，防護等級IP54，具備防雷保護、過載保護、短路保護、漏電保護、智能監測、智能計量、恒流恒壓、電池保護、遠程升級，支持刷卡、掃碼、即插即用 通訊方式：4G/以太網 支持刷卡，掃碼、免費充電
10路電瓶車智能充電樁	ACX10A系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10A-TYHN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，掃碼、免費充電 ACX10A-TYN：防護等級IP21，支持投幣、刷卡，免費充電 ACX10A-YHW：防護等級IP65，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX10A-YW：防護等級IP65，支持刷卡、免費充電 ACX10A-MW：防護等級IP65，僅支持免費充電
2路智能插座	ACX2A系列		2路承載電流20A，單路輸出電流10A，單回路功率2200W，總功率4400W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX2A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡、掃碼充電 ACX2A-HN：防護等級IP21，支持掃碼充電 ACX2A-YN：防護等級IP21，支持刷卡充電
20路電瓶車智能充電樁	ACX20A系列		20路承載電流50A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率11kW。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別，報警上報。 ACX20A-YHN：防護等級IP21，支持刷卡，掃碼，免費充電 ACX20A-YN：防護等級IP21，支持刷卡，免費充電
落地式電瓶車智能充電樁	ACX10B系列		10路承載電流25A，單路輸出電流3A，單回路功率1000W，總功率5500W。充滿自停、斷電記憶、短路保護、過載保護、空載保護、故障回路識別、遠程升級、功率識別、獨立計量、告警上報。 ACX10B-YHW：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電,不帶廣告屏 ACX10B-YHW-LL：戶外使用，落地式安裝，包含1臺主機及5根立柱，支持刷卡、掃碼充電。液晶屏支持U盤本地投放圖片及視頻廣告
智能邊緣計算網關	ANet-2E4SM		4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊。
	擴展模塊ANet-485		M485模塊：4路光耦隔離RS485
	擴展模塊ANet-M4G		M4G模塊：支持4G全網通
導軌式單相電表	ADL200		單相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，輸入電流：10（80）A； 電能精度：1級 支持Modbus和645協議 證書：MID/CE認證
導軌式電能計量表	ADL400		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，分相總有功電能，總正反向有功電能統計，總正反向無功電能統計；紅外通訊；電流規格：經互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功電能精度0.5S級，無功電能精度2級 證書：MID/CE認證
無線計量儀表	ADW300		三相電參量U、I、P、Q、S、PF、F測量，有功電能計量（正、反向）、四象限無功電能、總諧波含量、分次諧波含量（2～31次）；A、B、C、N四路測溫；1路剩余電流測量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD顯示；有功電能精度：0.5S級（改造項目） 證書：CPA/CE認證
導軌式直流電表	DJSF1352-RN		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量，復費率電能統計，SOE事件記錄:8位LCD顯示:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入(75mV)或霍爾元件接入(0-5V);電能精度1級，1路485通訊，1路直流電能計量AC/DC85-265V供電 證書：MID/CE認證
面板直流電表	PZ72L-DE		直流電壓、電流、功率測量，正反向電能計量:紅外通訊:電壓輸入*大1000V，電流外接分流器接入·(75mV)或霍爾元件接入(0-20mA0-5V);電能精度1級 證書：CE認證
電氣防火限流式保護器	ASCP200-63D		導軌式安裝，可實現短路限流滅弧保護、過載限流保護、內部超溫限流保護、過欠壓保護、漏電監測、線纜溫度監測等功能;1路RS485通訊，1路NB或4G無線通訊(選配);額定電流為0~63A，額定電流菜單可設。
開口式電流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列開口式電流互感器安裝方便，無須拆一次母線，亦可帶電操作，不影響客戶正常用電，可與繼電器保護、測量以及計量裝置配套使用。
霍爾傳感器	AHKC		霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。
智能剩余電流繼電器	ASJ		該系列繼電器可與低壓斷路器或低壓接觸器等組成組合式的剩余電流動作保護器，主要適用于交流50Hz，額定電壓為400V及以下的TT或TN系統配電線路，防止接地故障電流引起的設備和電氣火災事故，也可用于對人身觸電危險提供間接接觸保護。

6結論與展望

本充電樁嚴格遵循國網公司標準研制，運行結果表明其提高了電動汽車充電樁技術和實用化水平，有力推動了電動汽車充電行業發展。數據驅動中數據決定方法，本文提出的排名變差算法以充電樁交易流水數據為前提，能一定程度識別充電樁計量可信度傳播范圍。交易記錄含個人隱私，提交前需編碼處理。在網絡中，節點排名主要由連接強度決定，互聯網排名能反映網頁質量，樁車網絡中連接強度因素多，排名本身不足以反映計量特性，排名變差更具參考價值，且評分算法有多種選擇，有待進一步研究更適宜的算法。

參考文獻：

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[4]孟祥軍，梁濤，王興光，陳杰，李建祥，電動汽車智能充電樁的設計與實現

[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版

審核編輯 黃宇