电动汽车“智慧”充电系统研究

江金群　叶钧　朱廷华　谢雷　马志豪

摘 要：针对当前国内对电动汽车的逐步推广，以及电动汽车充电桩的现状和需求，为满足用户参与用电管理，以便实时了 解充电桩的状态与位置信息、电价信息等，本文提出了电动汽车“智慧”充电系统，对系统的三个主要组成部分智能充电桩、服务器和微信平台的功能与结构进行分析与设计。本系统通过微信平台即可实时查询充电桩的状态与位置信息，并实现充电桩的定位导航、充电预约及锁定、选择充电模式、停止充电等功能，使用户参与用电管理，实现合理用电、有序充电，为未来电动汽车的发展提供实践条件。

关键词：电动汽车 智能充电桩 服务器 微信平台

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0045-03

Abstract： For the current domestic gradual promotion of electric vehicles， the current status and demand for electric vehicle charging piles， in order to meet the user's participation in electricity management， to understand the status and location information of the charging piles， electricity price information and so on. This article proposes a 'wisdom' charging system for electric vehicles. It analyzes and designs the functions and structures of the three main components of the system： smart charging piles， servers， and WeChat platforms. The system can query the status and position information of the charging pile in real time through the WeChat platform， and realize the functions of positioning and navigation of the charging pile， charging reservation and locking， selecting the charging mode， and stopping the charging. Enable users to participate in power management， achieve reasonable use of electricity， orderly charging， and provide practical conditions for the future development of electric vehicles.

Key Words： Electric vehicle； Smart charging pile； Server； WeChat platform

常規化石燃料的使用对大气造成很大程度污染的同时，其储量也越来越少，如今新能源开发已经成为当今世界的热门话题，其相关技术也越来越受到重视。随着国家对新能源战略的推动及电动汽车产业的发展，电动汽车凭借其环保高效的优势成为社会关注的焦点，并带动相关产业的发展[1-3]。作为电动汽车最为核心的部分，其充电技术成为亟待解决的技术难题。

电动汽车的充电用户希望能实时了解充电桩的电价信息、位置信息等，实现这一目的需要对充电桩进行电量监测和智能控制，达到智能化管理。文献[4-5]提出了集智能充电桩、云服务器和移动客户端APP应用软件于一体的应用系统。针对目前国内电动汽车充电系统的现状，相较于APP客户端这一类的应用软件，微信的用户量更大，因此建立微信平台的价值更大。本文提出了电动汽车“智慧”充电系统研究，通过微信平台实现充电桩的定位导航、状态查询、充电预约、选择充电模式和停止充电等功能，为电动汽车未来大规模推广奠定基础。

1 系统组成

电动汽车“智慧”充电系统主要由智能充电桩、服务器和微信平台组成，如图1所示。

（1）智能充电桩是为电动汽车提供充电的装置。交流充电桩建设在小区停车场，采用220V或390V交流电压，利用车辆夜间闲置的时间来进行充电，为慢充，充电时间为4～5h。直流充电桩建设在电动公交车站或大型电动汽车的场合，可以快速完成车辆的充电过程，为快充，充电时间在1h内[6]。

（2）服务器是为电动汽车充电提供数据的发布、收集、存储和加工的综合平台，由计算机、存储设备、网络设备和其他外围设备组成，系统平台硬件和软件都具有高可靠性和可扩展性[6]。

（3）微信平台是用户参与用电管理的接口，用户通过微信平台实时查询充电桩的位置状态信息，同时定位与导航，进行充电预约，选择充电模式和停止充电等。

2 系统设计

2.1 智能充电桩

智能充电桩与以往传统充电桩相比增加了Wi-Fi通信模块，通过Wi-Fi路由器与服务器连接[5]。图2为智能充电桩原理框图，主要由智能电表、MCU单元、Wi-Fi通信模块、保护单元和电源转换模块等组成。

（1）智能电表：其核心采用高精度电能计量芯片RN8209设计电能检测电路，实现对电动汽车充电过程中的电压、电流、频率、有功功率、无功功率的实时监测计量并对其充电状态的检测。该芯片5V供电，其有功无功电能误差在1500∶1动态范围内<0.1%，工作基本频率为3.579545M，均满足IEC62053标准要求[7]。电压采样采用电阻分压方式，电流采样分别采集火线和零线电流。电能检测电路原理图如图3所示。

（2）MCU单元：为充电桩的控制核心，完成数据的收发与指令控制。采用基于Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器STM32F103C8T6芯片，系统时钟频率高达72MHz，在存储器的等待周期访问时可达1.25DMips/MHz，具有较强的运算和数据处理能力[8]。通过串口或SPI总线与智能电表和Wi-Fi通信模块通信，通过I2C总线与Flash存储单元通信，通过驱动电路与接触器相连实现电能输出的通断控制。

（3）保护单元：包括漏电保护器和防雷器，漏电保护器用于设备发生漏电故障和有致命危险的人身触电保护，防雷器用于防止直击雷或其他内部过电压侵入设备造成的损坏。

（4）Wi-Fi通信模块：采用低功耗Wi-Fi模块，与无线网关进行数据通信实现充电装置开关状态的远程控制、电压、电流、功率、电能等信息的上报。

（5）电源转换模块：用于将交流电转换为直流电，以提供不同电压等级的直流电，为其他电路提供电源。

2.2 服务器

服务器采用分层处理策略，逐层分解数据，提高系统整体稳定性和整体性能。主要包括网络层、业务层和应用层，总体技术架构如图4所示。网络层按照规范化的统一通信规约实现数据的传送；业务层实现各环节数据的统一与表达，规范网络层的数据接入，建立统一的信息模型；应用层遵循服务器体系架构，将多种数据信息进行统一管理，向外提供统一数据服务，同时支撑各类业务应用[5]。

（1）网络层：将充电桩的实时数据进行统一信息模型描述后传输至网络层，通过信息模型映射到统一的标准通信规约，进行数据传输到集群服务器，经过集群服务器传输至业务层。

（2）业务层：负责处理前端及网络层采集的指令、数据等，实现数据处理及业务功能。处理来自两个方向的数据流：网络层数据流和应用层数据流。通过缓存、队列、实时存储等实现对数据的拆分/合并、过滤、转换等操作完成计算任务。

（3）应用层：服务器前端采用表述性状态转移架构，超文本传输协议；通过REST API方式对外发布接口。主要提供各种资源的修改、获取等操作，提供事务、缓存等解决方案。

2.3 微信平臺

微信平台开发总体设计为B/S体系结构，采用多层体系结构，提供强大的扩展能力和更好的灵活性。对于用户端来说是三层结构，分别是视图层、业务逻辑层和业务实体层。

（1）视图层：是与用户交互的界面，响应用户的请求，通过调用业务逻辑层的接口进行处理，根据结果以不同形式展现给用户。视图层包括地图显示、状态显示、支付结算、控制界面和查询界面。

（2）业务逻辑层：主要完成对视图层中所有功能的业务逻辑支撑，主要包括地图功能、状态显示功能、支付功能、控制功能和查询功能。对业务逻辑进行运算和判断，包括对本地数据库的读取和对服务器的数据请求。

（3）业务实体层：包含各个业务实体，对平台服务器的数据请求、解析；对网关服务器的数据请求、解析；数据库的维护。

3 功能分析

（1）地图功能：智能充电桩具备地图应用功能，用户可以通过地图查询充电桩的位置信息。

（2）状态显示功能：通过微信平台显示智能充电桩的各种状态，如故障、空闲、正在使用、已预约等。

（3）支付功能：具有充电结算功能，通过微信账户实现定时、定额、定量等方式的智能充电。

（4）控制功能：通过命令实现对智能充电装置的控制和设置，包括取消预约、开始充电、停止充电等。

（5）查询功能：用户可以查询充电数据详情（电量、次数、累计）。

用户有4种不同的充电服务模式选择：

模式1：定时间充电，即在人机界面输入设定的时间，充电桩开始充电直到达到时间设定值。

模式2：定金额充电，即在人机界面输入设定的金额，充电桩开始充电直到达到金额设定值。

模式3：定电量充电，即在人机界面输入所需的电量，充电桩开始充电直到达到电量设定值。

模式4：自动充电，即在人机界面选择充满为止，充电桩开始充电直到电动汽车充满电为止。

这4种模式充电过程中，用户均可手动停止充电。在充电过程中，充电桩显示已充电电量、充电时间等信息。充电结束后，充电桩显示用户的已充电量、已充时间、消费金额等信息。

4 结语

本文对电动汽车“智慧”充电系统进行研究，分析了智能充电桩、服务器和微信平台三个主要单元的组成和功能。该系统通过微信平台让用户采用手持终端即可实现充电桩的定位导航、状态查询、充电预约及锁定、选择充电模式、停止充电等功能。实现电动汽车用户参与用电管理、合理用电及有序充电，为电动汽车大规模推广提供基本动力和实践条件。

参考文献

[1] 王旭，齐向东.电动汽车智能充电桩的设计与研究[J].机电工程，2014，31（3）：393-396.

[2] 夏正鹏，汪兴兴，霓洪军，等.电动汽车电池管理系统研究进展[J].电源技术，2012（7）：1052-1054.

[3] Sortomme E， EI-Sharkawi M A. Optimal charging strategies for unidirectional vehicle-to-grid[J].IEEE Transaction on Smart Grid，2011，2（1）：131-138.

[4] 殷树刚，龚桃荣，刘瑞，等.基于云平台的电动汽车智能充电系统设计与应用[J].供用电，2015（7）：43-47.

[5] 龚桃荣，刘瑞，秦晓敏，等.面向互联网的电动汽车智能充电系统设计与应用[J].电力建设，2015，36（7）：222-226.

[6] 龚桃荣，李涛，刘瑞，等.面向互联网的电动汽车智能充电系统运营分析[J].供用电，2015，32（12）：11-15.

[7] 深圳市锐能微科技有限公司.单相计量芯片RN8209C/RN8209D用户手册_V1.5[Z]. 2015.

[8] 意法半导体（中国）投资有限公司.STM32中文参考手册_V10[Z].2010.