基于充电安全的电瓶车充电桩云平台设计

张 振， 李 强

(1. 安科瑞电气股份有限公司，上海 201800；2. 内蒙古工大建筑设计有限责任公司，呼和浩特 010000)

0 前言

如今，电瓶车已经成为民众出行的主要交通工具之一。 据统计，目前全国使用电瓶车的用户超过3 亿，并且以每年超过3 000 万用户的速度在增加。虽然电瓶车给大家带来了便利，但是安全问题依然存在，全国多个城市相继发生了多起电瓶车充电和进电梯起火事故。 为了预防和遏制电瓶车火灾事故发生，国家出台各种政策，公安部安委会出台了《电动自行车集中停放和充电治理方案》。

大部分电瓶车充电过程存在安全隐患，比如电流、电池不匹配，充电设备简陋，乱停放、私拉电线现象严重，极易造成火灾事故。 还有部分人员推着电瓶车进电梯，电瓶车在电梯内自燃，导致严重的人员伤亡。

另外，传统的功率控制由充电桩对充电功率进行识别，实现功率分档，这种机制仅由充电桩控制输出功率，并未充分考虑整个充电站配电系统中的其他负载，会形成充电站变压器过载，影响电网安全运行。

电瓶车充电桩监控云平台使用无线通信技术、物联网技术和电气火灾探测及防护技术，与接入平台的电瓶车充电桩进行交互，24 h 不间断采集数据，对充电站点和充电桩进行远程集中监控，监控电瓶车充电过程，同时对充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障、漏电、过温、短路、电瓶车进电梯等一系列故障和隐患进行预警。 同时，从顶层考虑整个充电站的负载，监测变压器运行状态，为充电站的可靠、安全、经济运行提供保障。

该平台可广泛应用于商场、小区等物业环境；学校、医院等公建；各类企事业单位；公交枢纽、公路充电站等场所，本地不需要单独部署专门的系统，统一接入云端平台，实现了充电站和离散充电桩的资源整合，既达到远程集中监控的目的，也能够保障充电安全，避免发生火灾事故。

平台充电安全方面的主要功能包括:充电过程监控、电瓶车进电梯监控、充电桩功率控制、充电桩参数远程下发、充电桩异常报警。

1 方案设计

1.1 总体结构

电瓶车充电桩云平台采用分层分布式结构设计，平台可以部署在私有云上，也可以部署在如阿里云、腾讯云、华为云等公有云上。 详细拓扑结构如图1 所示。

图1 电瓶车充电桩云平台系统架构

云端服务器需要具备固定IP 地址并开放相应的端口号，电瓶车充电桩和多功能仪表设置目标IP地址和端口号之后，通过4G 通信模块与云端服务器建立TCP 连接，基于TCP/IP 协议进行数据交互。

电瓶车识别摄像头通过有线RJ45 网口模块接入数据网关，再由数据网关通过4G 通信模块接入互联网，基于TCP/IP 的数据交互协议，与云端平台直连。

云端服务器既可以由用户自己搭建，也可以租赁云服务器，用于部署数据采集程序、B/S 网站、移动端数据服务、数据库。 平台采用分布式部署的方式，后期可以根据电瓶车充电桩、多功能仪表和电瓶车识别摄像头接入数量的递增对服务器进行水平扩展，在不修改平台架构的基础上满足高并发和大数据的性能要求。

1.2 系统协议

充电桩与云端建立连接后，使用表1 所示的协议，并使用加密技术和秘钥分发技术，周期性向云端主机上报充电数据信息及实时上报故障信息，主机在收到上报数据后返回成功应答，默认周期性上报数据的周期为5min。 主机在超过15min 未接收到充电桩的任何有效数据时判定充电桩离线。 故障状态解析如表2 所示。

表1 数据上报格式和定义

表2 故障状态解析

2 产品设计

2.1 电瓶车智能充电桩

基于充电安全的考虑，在电瓶车充电过程中，充电桩本身需要对各类故障如充电机输入/输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警，并在检测到漏电、过温、短路等容易引起电气火灾的隐患时切断对应回路的供电。

充电桩主要安全功能:(1)过载保护:具备检测大功率负载功能，可以设定功率报警值，达到报警值时会断开对应充电回路，防止用户私接插线板给多台电瓶车充电或大功率设备进行充电；(2)功率识别:具有功率分档功能，根据检测到的功率，按照不同功率档位设定的时间开启充电；(3)故障回路识别:可判断继电器故障或计量故障导致的故障回路，显示该回路故障信息，并伴有语音提示，断开回路；(4)空载保护:用户拔掉充电器或充电器插头未插紧，若还有剩余时间或电量，则会发出报警，同时在已设定的一定时间内关闭该回路供电；(5)短路保护:每个出线回路均设置有熔断器保护，在发生短路意外时，会使熔断器熔断；(6)箱内过温保护:当检测机箱温度过高时，停止充电。

2.2 多功能仪表

在充电站变压器出线回路安装多功能仪表，实时监控变压器的运行状态，通过识别变压器的负载控制整个充电站的充电桩能否启动充电，提升用电质量，保证用电安全。

多功能仪表主要技术参数如下:(1)支持监测设备主动上报停上电信息；(2)支持标准的DIN35导轨安装、安装完成后可加装铅封盖，防止私自拆卸；(3)支持全电力参数测量(U、I、P、Q、S、PF、F)，电压及电流不平衡度，电压电流相位角、电压、电流2～31 次分次谐波测量及总谐波含量；(4)支持正反向有功、无功电能、四象限无功计量；支持有功脉冲输出；支持4 种最大需量及发生时间统计；支持上12 月历史电能(包含各费率电能)；(5)支持上三月极值及发生时间(包括三相电压、电流、功率、合相功率的极大值和极小值)；(6)支持4 路NTC 测温功能；(7)支持1 路漏电流测量。

2.3 电瓶车识别摄像头

在充电区域和电梯中安装电瓶车识别摄像头，实时监控充电行为和电瓶车是否进电梯，其中当识别到电瓶车进入电梯之后产生实时报警。 此摄像头不监控电瓶车电池进电梯行为。

电瓶车识别摄像头主要技术参数:(1)调整角度:水平:0°～360°，垂直:0°～75°，旋转0°～360°；(2)日夜转换方式:白天、夜晚、自动、定时、报警触发；(3)常规报警:移动侦测，遮挡报警，声音报警输出，闪光灯报警输出，网线断，IP 地址冲突，非法登录，存储器满，存储器错；(4)行为分析:越界侦测，区域入侵侦测，进入/离开区域侦测；(5)智能报警:人体、车体分类报警；(6)联动报警:支持联动白光报警、支持联动声音报警。

3 系统软件设计

3.1 软件体系结构

充分考虑系统兼容性、高并发、可扩展性，系统采用分布式架构设计，将数据存储、数据服务、数据应用分离，保障系统的高可用性，建立数据通讯安全相关规范标准，保障数据通讯的安全性、规范化、合理化。

系统分为表现层、业务层、持久层和数据库层，其中数据库采用关系型数据库和非关系型数据库相结合，保证数据的高并发、可靠性和完整性。 关系型数据库mysql 读写、统计方便，用于保存基础数据。 内存数据库redis 读写速度快，用于存储设备端上报的实时数据及访问频率高的数据。 非关系型数据库mongodb 存储容量大，数据读取效率高，用于存储设备端上报的历史数据及报警记录。 持久层与数据库进行交互，对数据进行持久化增删改查。业务层对数据进行分析和计算。 表现层为用户提供交互式操作的界面。 体系结构如图2 所示。

3.2 云端数据服务子系统

为了满足充电过程监控和安全管理功能，云端数据服务子系统要满足以下功能:数据采集、解析、存储、数据分析、逻辑运算和与充电桩进行指令交互。

(1)数据采集:负责定时采集已注册的充电桩的状态和充电数据，采集频率可设。 实时采集充电桩的故障和隐患信息。

(2)数据解析与存储:对充电桩数据进行解析，区分实时数据、历史数据与报警数据，进行数据存储。

(3)报警提醒:触发失联、故障、产生隐患的充电桩报警提醒，提醒方式包括手机短信、邮件、App消息推送等。

(4)指令交互:将控制指令远程下发给现场的充电桩，并等待指令执行的回送。

(5)逻辑运算:判断数据是否异常、识别充电站变压器负载并对充电桩进行功率控制。

3.3 B/S 云平台

B/S 云平台为用户提供充电过程监控和安全管理功能，主要功能包括:充电过程监控、电瓶车进电梯监控、充电桩功率控制、充电桩参数远程下发、充电桩异常报警。

(1)实时监控:展示充电桩的状态和充电过程中的实时电流、电压、功率、漏电、温度，其中充电桩状态包括失联、故障、异常和正常，支持查看历史充电数据。

(2)故障管理:展示充电桩的故障记录，并将故障记录派发给相关人员进行处理，故障类型包括过压、欠压、绝缘检测故障、漏电、过温、短路等。

(3)视频管理:实时监控充电区域的充电行为和电瓶车进电梯情况，支持查看历史视频回放。

(4)隐患管理:识别电瓶车进电梯之后产生报警，并触发短信、邮件、App 消息推送等方式的报警提醒，支持查看异常抓拍图片。

(5)参数设置:远程设置充电桩相关报警参数，包括越限报警值设定、过温报警设定、漏电报警设定、过压报警设定、欠压报警设定及是否开启相关报警等。

(6)统计分析:按日/月/季度/年统计时间段内的故障情况，展示故障趋势分析图、故障状态图、故障类型图、故障列表等。

3.4 手机App

运维人员可以通过使用App 对充电桩进行远程监控和安全管理，主要功能包括:充电过程监控、充电行为监控、电瓶车进电梯监控、充电桩参数远程下发、充电桩异常报警。

(1)实时监控:展示充电桩的状态和充电过程中的实时电流、电压、功率、漏电、温度，其中充电桩状态包括失联、故障、异常和正常，支持查看历史充电数据。 (2)故障处理:对派发给当前用户的故障记录进行确认和闭环处理。 (3)隐患管理:查看电瓶车进电梯的报警记录，支持查看异常抓拍图片。(4)参数设置:远程设置充电桩相关报警参数，包括越限报警值设定、过温报警设定、漏电报警设定、过压报警设定、欠压报警设定及是否开启相关报警等。

4 系统的意义及收益

基于电瓶车充电及进电梯引发火灾的危害，各级政府部门高度重视这些行为带来的火灾隐患。随着电瓶车充电桩建设的逐渐普及，电网的负载压力越来越大，如何有效地降低电网负载对于提高配电效率、保证充电安全有着较好的经济效益及安全意义。 本文设计了一种基于充电安全的电瓶车充电桩云平台方案，该系统能够将现场所有统一协议的离散电瓶车充电桩接入云平台，进行集中管理，方便用户运维，同时通过充电桩本身的安全监控与控制，结合多功能仪表和电瓶车识别摄像头的辅助管理，在发生火灾隐患后向用户实时发出警告信息，能够及时有效的杜绝充电过程中和电瓶车进电梯后存在的火灾隐患。 同时，充分考虑整个充电站配电系统的负载，通过判断变压器的运行状态执行功率控制，保证充电站运行和充电桩使用的安全可靠。

基于充电安全的电瓶车充电桩云平台让充电更安全、更放心。 为政府部门、运营商和管理人员提供基于无线通信技术、物联网技术和电气火灾探测及防护技术的管理手段，便民利民，能够切实保障人民群众生命财产安全。