基于物联网的智慧充电桩控制系统设计

谈耿 赵雄峰 丁福军 翟明远 吴学梅

（甘肃易享行新能源发展有限公司 甘肃省兰州市 730000）

近年来，随着新能源汽车的不断普及，充电站的建设规模也在持续扩大，而充电桩作为充电站的重要组成部分，从成本和安全等角度考虑，如何实现充电桩的智慧控制就显得尤为重要[1]。基于物联网的智慧充电桩控制系统是以创新网络通信架构为支撑，实现对区域范围内充电桩工作状态参数的动态监测，并根据实际监测结果进行控制，如此，则能够实现大规模充电桩的智能控制，提高控制效率，避免安全事故的发生。

1 充电桩控制系统概述

充电桩的大规模推广解决了新能源汽车快速补充电力的问题，不同新能源汽车可以根据实际需要选择与之型号、接口相对应的充电桩，并且，不同新能源汽车的充电参数有着明显差异，充电桩控制系统应根据实际充电情况动态调整充电参数，从而保证充电安全，以及减少充电过程对新能源汽车的损伤。充电桩控制系统不仅能够对充电过程进行控制，为降低运营成本，充电站多为无人值守模式，工作人员可以通过远程控制系实时获取充电站的状态参数，从而保证充电站的正常运行。

2 基于物联网的智慧充电桩控制系统设计

智慧充电桩控制系统的实现需要完善的物联网作为支撑，在融合大数据技术、人工智能的基础上，充电桩控制系统的稳定性、安全性将得到显著提升。针对传统充电桩控制系统的基本架构，以及参考物联网的技术特点，基于智慧物联网的智慧充电桩控制系统在功能方面将得到进一步的丰富。

2.1 物联网技术

物联网技术是利用互联网将各种相对独立的信息化终端进行连接，从而形成一个庞大的信息网络，因此，这里需要强调的是，物联网的终端载体应具有信息接收和传输功能[2]。随着网络覆盖终端数量的增加，以及不同终端丰富的功能构成，物联网技术已经不再局限于对终端载体的状态检测，而是以“万物互联”的终端控制为目标，实现安全、高效的规模化、低成本控制。

2.2 智慧充电桩控制系统设计

新能源汽车充电站除变压器、蓄电池等基础设施外，还包括大量充电桩，因此，智慧充电桩控制系统设计需要综合考虑充电站的整体配置。基于物联网的智慧充电桩控制系统主要包括综合管理单元、通信单元、人机交互单元、终端接入单元、充电管理服务单元（如图1所示）。

图1：智慧充电桩控制系统原理框图

2.2.1 综合管理单元

综合管理单元是智慧充电桩控制系统的关键之一，图1 中综合管理单元主要是通过物联网获取充电桩的状态信息，并根据充电桩的实际工作状态变化发送控制指令[3]。综合管理单元需要同时满足多个不同业务需求（如图2所示），除营销业务管理外，基于物联网的充电站管理、充电桩管理、分时费率、设备故障、订单管理等都需要通过物联网实现。

图2：智慧充电桩控制系统综合管理单元设计

为实现以上功能，综合管理单元需要满足基于物联网技术的多种通信协议（如表1所示），在实现充电桩与控制系统之间内部交互的同时，还可以为用户提供更加便捷的在线交易和管理。针对充电桩管理的安全性、可靠性等要求，以及结合物联网的开放性特点，在单元设计中增加组合防御模块，从而避免外来威胁对运营造成的威胁。

表1：物联网通信协议

2.2.2 通信单元

物联网是以通信网络为支撑的应用型网络平台，物联网技术的实现改变了传统控制模式，基于物联网的智慧充电桩控制系统融合了有线通信、无线通信两种通信机制，在以表1 中所示通信协议展开研究的基础上，增加了包括UDS 服务器、多级网关和数据库等在内的通信网络架构，使其更加智能化（如图3所示）[4]。其中，分布式数据处理中心则最大限度利用了该系统内部数据存储资源和算力，从而提高了数据处理效率，尤其是在充电桩大规模占用的情况下，充电桩动态监控数据体量庞大，且需要同时满足不同用户的访问请求，分布式处理中心与UDS 服务器的并发访问优化网络架构能够有效应对这一问题。

图3：智慧充电桩网络架构图

分布式开源流处理平台解决了传统服务器在大规模并发处理中横向扩展南、状态管理难、模块协同难等多个问题，通过对用户行为的动态监控，并实时匹配基于物联网的智慧充电控制系统数据，从而避免非法后台欺诈行为。为提高开源流处理平台的效率，针对文本、图像、声音、视频等数据流的实际情况，该设计增加了3 个开源流处理平台，并配合冗余网关方案提高了平台网络架构的稳定性。

2.2.3 人机交互单元

基于物联网的智慧充电桩控制系统多为无人职守，因此，人机交互单元的设计将直接影响用户的充电体验，同时也关系着充电桩控制系统的智能化水平。传统充电桩控制系统人机交互多通过实体按键等方式实现，而物联网技术与人工智能技术的融合提高了人机交互模式，赋予了充电桩控制系统多种行为感知能力，其逻辑架构如图4所示。

图4：智慧充电桩控制系统人机交互原理框图

设备层。基于物联网的智慧充电桩控制系统的设备构成较为复杂，除充电桩外，还包括各种视频采集设备、音频采集设备、红外传感器等，而不同物理设备所能够识别的人机交互信息具有明显差异。

词法层。通过手势、语音等对充电桩进行控制是基于物联网的充电桩控制系统智能化的重要体现，以手势识别为例，充电桩内置视频采集设备可以对几种特定手势进行识别，如插拔充电器行为识别后系统自动断电，从而避免发生短路等故障[5]。这里需要注意的是，交互动作识别准确率会随着用户交互数据的不断增加而提升，人机交互模的匹配算法将得到深度优化。

语法层。用户行为与指令之间具有单一的映射关系，通过特定手势可以对充电桩的工作状态进行控制。为提高交互效率，基于物理网的智慧充电桩控制系统拥有严格的交互语法要求，并为用户建立独立交互语法集，随着控制系统对用户交互语法模型持续完善，交互行为与指令之间的映射关系将更加明确。

语义层。在人机交互单元设计中，基于不同手势、语言变化的交互语义模型可以通过公式进行形式化描述，通过人机交互形式化描述语言的变化对用户意图进行判断，从而将单一映射关系进行串联。如此，则可以进一步优化用户交互语法集，使控制系统能够更加准确判断用户目的。

接口层。基于物联网的智慧充电桩控制系统包括多种应用程序，用户可通过应用程序与充电桩控制系统进行交互，而应用接口层实现了第三方应用对物联网资源的调用权限[6]。由于应用接口层多关联用户个人信息查询、账户收支明细等数据，并支持包括JSON、XML 在内的多种数据格式，解决了基于物联网的智慧充电桩功能升级、优化对控制系统架构的影响。

2.2.4 电池管理单元

智慧充电桩控制系统的主要管理对象为新能源汽车电池，且电池状态将直接影响充电效率和安全，因此，基于物联网的智慧充电桩控制系统需要实时获取汽车电池状态，并调整充电桩工作参数。如图5所示，智慧充电桩插头与新能源汽车连接后，控制系统将与车机进行互联（或下载云端车载电池数据），从而对车载电池健康状态进行评估，选择最佳充电电流，从而避免对车载电池造成损伤。

图5：智慧充电桩电池管理单元执行流程

如图5所示，基于物联网的智慧充电桩控制系统电池管理单元设计增加了故障预测功能，充电桩控制系统在充电过程中动态分析单组电池电压变化数据、温度变化数据等，对未来一段时间内单组电池欠压、自燃、亏电等风险进行预测。预测结果将通过API 应用程序接口发送给用户，并为用户提供最佳的车载电池保养、维修方案。

2.2.5 充电管理服务单元

智慧充电桩控制系统综合管理单元的业务体系不仅包括充电桩、新能源汽车，用户手机、智能手表等终端同样可以接入物联网，从而打通应用程序接口，调用智慧充电桩控制系统中的功能模块。除用户外，基于物联网的智慧充电桩控制系统充电管理服务单元还需要满足工作人员的远程接入需求，因此，区分不同主体的充电管理服务单元构成具有一定的复杂性和差异性。

充电管理服务单元主要包括业务管理、客户管理、资产管理、监测管理和运营管理四个部分，其中，针对主体身份差异，充电管理服务单元所提供的权限范围也有着明显不同。为提高系统服务质量，基于物联网的智慧充电桩控制系统对不同服务终端的API 接口进行重新定义，提高服务响应速度，并能够实现不同主体数据的私有化部署，兼顾数据安全性、隐蔽性。

以充电监测管理服务为例，管理员所获取的核心数据是充电过程中充电桩的电流变化和车载电池温度变化数据，而用户的关注点则是充电量、费用和充满所需时间等。管理员所获取的数据是通过物联网固定API 接口实现，而用户只能通过扫描二维码的方式建立临时API接口，且数据读取权限具有一定限制，且无法直接对充电桩的工作状态进行控制。

3 总结

基于物联网的智慧充电桩控制系统设计是在传统充电桩的基础上对其系统架构、核心技术等进行优化，从而满足了无人值守充电站的建设目标。智慧充电桩控制系统对物联网技术有着较强的依赖性，通过完善系统功能模块，明确以数据、接口为支撑的控制系统设计思路，将显著提升基于物联网的智慧充电控制系统的可靠性、有效性，保证充电桩和车载电池安全。