摘要：针对当前电动汽车续航能力严重不足以及不能及时充电的问题，将电力电子变流技术、智能监控技术、REIP无线射频技术以及CAN总线技术应用到电动汽车智能充电桩的设计与研究中。开展了无人值守的智能电动车充电桩的现实依据和理论可行性分析，提出了一种兼备CAN总线网络通讯功能和无人值守功能的电动汽车智能充电桩的软件设计方法和硬件结构组成方案，把每个电动汽车智能充电桩视为一个智能节点，建立了上位机组态监控和下位机数据采集相互结合的系统整体框架。在组态软件MCGS上对电动汽车智能充电桩的人机交互界面进行了模拟演示试验，并对电池充电过程中的各项参数指标进行了采集与分析。研究结果表明：电动汽车智能充电桩能够快速地为电动汽车充电，并且具备远程通信和监控功能，保证了电动汽车的续航能力。

关键词：电动汽车；充电桩；REIP无线射频；智能监控；CAN总线

O引 言

常规石化燃料的使用在对大气造成了很大程度的污染的同时，其作为一种能源，储量也越来越少。目前，很多国家和科研机构正在致力于电动汽车的研发与生产，我国在电动汽车行业起步早、发展快，发展电动汽车已经成为节能减排与改善地球环境的必然趋势、1 o。

电动汽车凭借其驾驶简单的优势一度成为人们关注的焦点，但是电动汽车续航能力弱以及充电不方便等缺点也成为限制大范围使用的障碍。目前，电动汽车采用蓄能电池作为动力来源，当电压较低时，就必须进行电能补给，否则性能会受到很大影响。目前，国内有很多充电模式，例如：电池组快速更换、快速充电以及常规充电等，但是动力电池体积大、重量大、更换不方便旧J。电动汽车智能充电桩不仅能够解决电动汽车随时随地充电的问题，还能够对动力电池进行维护，具有人性化的人机交互界面和通讯能力，确保了用户操作简便，实现了智能化。 本研究将电力电子变流技术、智能监控技术、 REIP无线射频技术等应用到电动汽车智能充电桩的设计与研究中。

1电动汽车(EV)的充电方法和建设充电桩监控系统的必要性

目前，电动汽车(EV)充电的方法主要有：

(1)交流充电。由电网提供220 V或者380 V交流电源，经过车载充电装置的滤波、整流和保护等功能，实现对电动汽车蓄电池的充电过程。这种充电方法充电时间较长，充电功率较小，适合小型纯电动车以及混合动力运行的汽车。

(2)直流充电。这种充电方式是由地面提供直流电源，直接为车上的蓄电池进行充电，省去了车载充电装置，有利于车身自重的减轻。地面充电机一般功率较大，能实现快速充电。适合电动公交车等大型电动汽车。

(3)更换电池组。这种充电方法为每一辆电动汽车准备了两组蓄电池，一组为电动汽车提供电源的同时，另一组处于地面充电状态，当车载电池组电量不足的时候，可以及时地拆下并更换已经充足电量的电池组。这种方式能够实现最短时间的充电过程。但是需要建设大量的电池更换站，需要大量人员进行维护。 投资成本大，智能化程度低，不予采用[3]。

(4)非接触式充电。这种充电方式需要在路面上

嵌入电气元件，并且能够和车辆进行随时接触，这样在车辆行驶的过程中才能够实现随时充电，不用受到充电地点的限制。这种充电方式目前还没有引起人们足够的注意和兴趣，不予采用。 对建设充电桩监控系统的必要性分析如下： 随着社会科技力量的不断变化，电动车以其排放小和噪音小的绝对优势会逐渐地被人们所认可。 建设庞大的充电系统也是重要一部分，就如同现在的汽车加油站一样，遍地可见。同时，现在的电动车辆电池大部分采用能效比较高、体积较小的锂离子蓄电池作为能源电池。锂离子电池对充放电的要求较高，如果没有相应的监控方式，就会对电池造成不可修复的损害，严重时还会危及到人们的人身安全。

2电动汽车(EV)充电桩监控系统实现的功能

2．1充电桩建设的两种可行模式

(1)建设交流充电桩。在小区停车场建设交流充电桩，采用220 V或者390 V交流电压，这两种电压等级容易获得。经过地面充电桩，可以为家用电动汽车或者环卫清洁车等小型电动汽车充电，这种交流充电桩的优势就是可以利用车辆夜间闲置的时间进行充电。

(2)建设直流充电桩。在电动公交车站或者大型

电动汽车的场合建设直流充电桩，可以快速地完成车辆充电过程。这种充电桩的功率较大，对电网会进行一定的冲击，所以在建设的时候需要考虑对电网的保护措施。

本研究只要考虑交流220V、380 V充电桩的监控

系统的设计。

2．2监控系统的主要功能

监控系统的主要功能包括：

(1)具备IC卡识别功能，通过手持Ic卡进行充电桩的激活和计费功能。

(2)具备对充电桩交流电源的电压和电流的检测和保护功能。

(3)具备对电池的充电状态、充电电压、充电电流、充电阶段进行监控的功能。

(4)具备通信功能，能够和上级管理层进行通信和数据交换。

(5)具备电池智能维护的功能，能够在充电过程中，对电池进行检测，适度维护电池。

3.充电桩智能监控系统的设计

3．1硬件框架组成

充电池监控系统的结构图如图1所示。图1中，AC交流电源输入为直接接人的380 V电网电源，经过中央处理单元的滤波、整流、稳压等一系列操作变成可供电动汽车充电的可用直流电源。IC卡识别模块用来用户激活充电桩的方式，通过读卡器识别Ic卡上的用户信息，可用来显示余额，以及个人信息H]。状态显示用来显示当前的充电模式、充电电流／电压以及电池的充电状态等信息。

硬件系统主要包括中央主控板、Ic读卡器、检测芯片、以及显示电表和显示屏、键盘、通信模块等设备。

主控板是硬件系统的核心组成部分，完成充电过程的启动、运行、实时监控以及关闭，并可通过多种通讯方式将数据实时传输至后台，主控板的主要功能特点包括：具备7个串口，下位机检测以及数据采集办卡通过通用串行总线和上位机CPU模块进行通信，同时上位机需具备显示功能。具备一个以太网口，动态的SDRAM控制器，NAND控制器，以及多路口，具备工业级的温度范围等。5 J。为了实时监测充电桩的运行状态，保证充电过程的安全可靠，本研究设计了监控保护单元，该单元对充电桩的进线输入电压、充电输出电压／电流、充电接口连接状态、车载电池管理系统

状态、车载电池状态等进行实时监测，一旦出现异常，能够及时切断电源输出，保护电动汽车电池及充电桩本身的安全。

在电动车充电桩建设的过程中，充电桩外体材料应选择镀锌钢板，并具备一定的防潮防水性能，保证了在阴湿天气情况下能正常运行∞1。在元件选型时，应该选择具有工业级标准的电力电子器件，保证充电桩在恶劣环境下能正常运行。另外，为防止电磁干扰，应选用带屏蔽功能的通信线，以及在外体上链接一根接地线，起到共模抑制的作用。

3．2充电桩智能监控系统的软件构成

软件系统程序流程图如图2所示。当用户需要充电时，将电动汽车的充电插口与充电桩的充电手柄相连接，然后通过IC卡读卡器激活充电桩；如果充电手柄与充电插口连接不正常则提示报警。用户身份识别完成后，用户可选择充电模式和充电时间，同时充电桩检测电池状态，如果电池当前状态不允许用户选择当前充电模式的话，则提示报警，由充电桩给出合理的充电模式的选择建议。当充电模式选择正确后，则可以研究正常充电过程，在充电过程中，显示屏会显示当前用户的信息、卡余额、充电时间以及估计剩余时间等等

有效信息"J。充电结束后，充电桩给出提示，卡计费停止，打印票据，用户离开，充电桩自动进行锁定状态， 等待下一用户激活。

图2软件系统程序流程图

主程序在编写时，采用了模块化的原则，这样能够保证充电桩高效的运行，笔者按照充电桩的几大功能，将程序分为几个大的模块：中央控制模块、IC卡识别模块、通讯模块、显示模块、打印机模块、检测模块等6大模块。8 J。当充电桩被激活时，主程序能够有效地协调各个模块之间的工作从而完成从身份识别到充电结束的一整套流程，多线程处理可以保证各个模块之间相互独立，互不影响。

4智能充电桩的性能测试

经过现场测试，电动汽车智能充电桩能够满足快速充电的要求，并且具备电池的维护和保养功能，现场监控画面能够实时显示电池电压、电池电流、充电电压、充电电流、卡内余额等各项信息，用户可以很方便地进行充电操作，现场测试表明，电动汽车智能充电桩运行状况良好。系统整体测试截图如图3所示。

由于社会活动的幂律特性，不同安装位置充电桩的计量重要性不平均。有关研究已证实，充电桩的充电量、交易次数都呈长尾分布［1］。由于电动汽车能耗费用远低于燃油车，社会可以接受较大的电能计量误差，依照传统模式对充电桩逐台检定已不再具有经济上的合理性。

充电桩与电能表同属于电能计量器具，人们自然希望像电能表一样，将大数据方法应用于充电桩。然而不论是求解能量守恒方程［2］，还是使用其他数据处理方法［3］，都需要利用电网树形拓扑所蕴含的总表、分表约束关系，辅以远程数据采集技术。可是充电桩之间非但没有树形拓扑约束，就连一致的数据采集平台都还没有建立，如果生搬硬套电能表方案，则势要对已安装的充电桩实施改造，加装计量总表及数据采集模块。尽管一些充电站装有计量总表，但是能否获取其数据尚属未知，而且直流充电桩自身能量损耗与输出功率间的复杂函数关系也限制了这一方法应用［4］。因此，至少现阶段，将电能表的方案应用于充电桩还无法取得令人满意的成效。

那么充电桩之间是否存在某种约束关系呢？如果考虑到电动汽车这一中介因素，就会发现答案是肯定的。如果一台充电桩检定合格，成为计量可信度高的充电桩，那么电动汽车就有可能将这种可信度传递给其他充电桩。此处车已经不再是一台机器，而是由驾驶员的人机复合智能体，可以凭借知识、经验、工具（如车载仪表）等为充电桩评分。这种评分可以是显性的投诉，也可以是隐性的“用脚投票"。评分既包含充电桩的计量因素，又包含便利性、停车费用等非计量因素，甚至不可避免地包含人的记忆、感觉等主观因素。上述所有决定评分的因素可统称为“消费体验"。

正如大众消费领域已经发生的，人们对充电的关注焦点也在变化：从单纯追求“足斤足两"延伸到追求消费体验；从寻求机构的背书扩展到参考大众评分。事实上，大量用户综合的评分。对这一原理的经典应用要数谷歌PageRank网页排名算法［5］，该算法很好地展示了复杂信息网络的投票智慧，而充电桩与电动汽车的结合也构成了一个复杂信息网络。本文旨在挖掘其中的投票智慧，探索建立一种适用于充电桩的、相对于传统检定校准“弱"的计量评价方法，用于排除低风险的充电桩，使检定校准有的放矢。

本文研究的原则之一是立足于可获得的条件，力避免向桩、车、环境提出更多要求。

5桩车网络

根据一个时期内可获得的充电桩的交易流水数据，构造桩车网络。图1为一个由6桩7车构成的网络。

图1由6桩7车构成的网络

桩车网络可以用矩阵表示，以行区分桩、列区分车。如果用矩阵元素表示对应的桩车连接次数，则图1网络可用式（1）表示。

如果将连接次数达到2次的连接视为有效连接，并且仅考虑连通性，那么就能得到图2网络，相应的矩阵为式（2）。

图2仅考虑连通性的网络

6讨论

根据以往研究，可以得出以下结论：

表1 初始充电桩排名

表2  v₁作用时的排名

表3  v₂作用时的排名

对比表1～3数据可知，因为网络效应，所以v引起了几乎所有桩的评分改变。本文以排名变差而非评分变差作为评价计量特性传播的依据，这是因为自然数排名具有离散性和排他性，所以相比实数评分而言更加显著和稳定。然而是否能够直接以评分变差作为评价依据，还值得进一步研究。

算例中的控制变量不是真实施加于网络的，而是虚拟的，类似于力学研究中的“虚位移"，其目的在于给出一种任意桩对其他桩影响的计算方法。

算法对网络完整性没有要求，原则上该方法可应用于桩集合的任何子集。特别是当真实（而非虚拟）的控制变量施加于网络时，同一桩集合的排名变差能够反映出实际计量可信度的变化。

另外，可想而知，控制变量不只可以用来标记计量因素。排名变差原理还可用于研究其他因素的网络传播，发现那些对传播发挥关键作用的节点，使得资源的投放更有效率。

7.安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

7.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

7.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

7.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

7.4安科瑞充电桩云平台系统功能

7.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

7.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压电流，充电桩告警信息等。

7.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

7.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

7.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

7.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

7.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

7.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

7.5系统硬件配置

8.结论与展望

数据驱动的内涵之一是数据决定方法，根据能够获取的数据寻找适宜的方法。本文提出的排名变差算法以充电桩交易流水数据为前提条件，在一定程度上能够识别充电桩计量可信度的传播范围。需要强调的是，由于交易记录包含个人隐私，保管人在提交交易流水数据之前将个人信息进行编码处理。无论互联网还是桩车网络，节点的排名都主要由节点间连接强度决定。互联网由于建立连接的代价低，其排名可以很好地反映网页的质量。在桩车网络中，决定连接强度的因素众多，因而排名本身并不足以反映计量特性，受控计量变量引起的排名变差则具有大得多的参考价值。网络排名变差算法中，排名变差原理是实质性的，而评分算法是非实质性的，可以有多种选择，是否存在更适宜的评分算法有待进一步研究。