浅谈云计算平台的电动汽车充电桩设计与实现

浅谈云计算平台的电动汽车充电桩设计与实现

张颖姣

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：基于云计算平台的建立，我国电动汽车充电桩将面临一个全新的规划和设计。目前各地都在投入巨资建设电动汽车充电站和充电桩等与新能源汽车相关的配套充电设施，预示着电动汽车进入普及阶段。这种全新的设计降低了充电桩过多对于电网的影响，解决了我国电动汽车充电的问题。

关键词：云计算平台；电动汽车；充电桩；设计；实现

1基于云计算平台的电动汽车充电桩系统的概述

本系统是基于云计算平台基础上，开发的一种智能充电设备，用以完成为电动汽车电池充电操作，并实现充电桩的有序充电管理，实现充电过程的规划、监控、计费和调度管理。

该系统包含了云客户端、通信模块、监控模块以及人机交互装置四个方面，通过互联网来实现对于充电的相关服务。云客户端即中央处理器设备，是整个设备的核心部分，采用超低功能IntelPentiumM处理器和WindowsXPEmbedded多任务嵌入式操作系统，具有独特的32位计算体系结构，以及完全保护的内存模型，能够满足信息采集记录、信息查询显示，监控、通信和急停控制等多任务的并行执行。通信模块能够通过GPRS、3/4G以及WIFI等网络来将云服务器端的数据信息转换到云客户端上，方便了客户的查阅和了解。监控模块实现了对于充电过程中的数据的采集，并能对充电桩在运行过程中的各种信息加以控制。人机交换设备包括触摸屏、打印机和读卡器等，通过触摸屏输入控制命令，包括设备配置、操作命令输入等操作，并显示处理结果；通过打印机打印票；通过读卡器对IC卡数据进行读写操作。

2基于云计算平台的电动汽车充电桩系统的设计

2.1设计方案

基于云计算平台的电动汽车充电桩系统实现对于电动汽车充电过程中的监控、计费和记录数据的管理，降低了大量充电桩的使用对于电网造成的影响。这一设计方案使得电动汽车的充电过程更加安全，方便了客户对于电动汽车的充电。另外，充电桩具有安全性高，维护、扩展和功能增加方便的优点。

2.2云客户端

云客户端采用了WindowsXPEmbedded操作系统，使云客户端的应用程序能够同时进行操作，提高了云客户端的处理能力。其一，客户在充电桩中输入操作命令之后，云客户端能够将此命令传达到云服务端。云服务端通过对所使用的充电桩的参数的分析来实现对于客户的电动汽车的充电。另外，云服务端能够实现对于充电桩的规划，使充电桩的充电过程得到*效管理；其二，将充电桩的部署配置信息上传到云服务器端进行保存，维修或更换设备时从云服务器端下载相应的部署配置信息并应用；其三，云服务端能够存储云客户端的充电监控数据信息。在数据信息传递的过程中，云客户端采用了端对端的通信模式。这种通信模式提高了数据信息的安全性，使得客户的充电数据信息更加的安全；其四，充电结束后计量信息上传至云服务器端并由云服务器端结合所处区域、充电时间、充电方式和分时电价等参数进行计价计算，并自动下发至充电桩进行扣款操作。另外，云服务器端可以将费用直接下发到充电桩的装置上，使充电桩能够自动对客户的读卡器实现扣款。

2.3监控模块

监控板包括模拟量采集单元、开关量采集单元和输出控制单元，三者通过RS485方式与云客户端双向通信连接。工业级串口采集12路数字量/开关量输入控制、8路继电器输出控制，防雷击，抗强干扰，全光电隔离数字量，用于实时监控充电桩各种开关量信号的状态。在CAN总线的作用下，电池监控模块能够实现对于客户的电动汽车电池数据的读取。CAN总线通过与云客户端的连接，能够监测到客户的充电电池的各个参数情况，实现了对于充电的整个过程的控制管理。CAN总线、RS485与云客户端的连接能够实现对于充电机上的数据的读取。充电机上的各个参数也能够通过这种连接被时刻的进行监测，提高了整个充电过程的可靠性和安全性。充电机监控模块能够实现对于整个充电过程的控制管理。采用静止式交流有功电能表，安装在充电桩输出端与充电机之间，通过RS232方式与云客户端连接，可计量基波有功总电能和各费率有功电能，计量奇次庇波电能。

3基于云计算平台的电动汽车充电桩系统的实现

首先，基于云计算平台的电动汽车充电桩通过云服务器端来对客户所用的充电桩进行监控。在实际应用中，云服务器端能够降低充电桩的大量使用对于电网所造成的影响，提高了充电过程的安全性；其次，使用基于云计算平台的电动汽车充电桩，实现了将充电过程数据全部上传，既保证数据安全也便于对设备运行进行监控；同时由云服务器端综合考虑用电时间、区域和方式等多方面因素进行计费，保证计费准确性与合理性；然后，基于云计算平台的电动汽车充电桩可以把充电桩的充电设备的配置信息通过云客户端上传导云服务器端进行存储。当维修人员需要对充电桩进行维修时，可以直接从云服务器端实现对于配置信息的下载，不需要再对信息进行重新配置。另外，基于云计算平台的电动汽车充电桩系统通过对于模块化的使用使得系统具有一定的独特性和灵巧性。这在一定程度上有利于维修人员对于充电桩的维护并且能够在后期实现对于充电桩的功能的增加和扩展，使得人们对于充电桩的操作更加方便。

4 安科瑞充电桩收费运营云平台

4.1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。

4.2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。

4.3系统结构

4.3.1系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据中心层和客户端层。

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）数据中心层：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。

4.4安科瑞充电桩云平台系统功能

4.4.1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。

4.4.2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。

4.4.3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。

4.4.4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。

4.4.5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。

4.4.6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。

4.4.7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

4.4.8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。

4.5系统硬件配置

类型	型号	图片	功能
安科瑞充电桩收费运营云平台	AcrelCloud-9000

	安科瑞响应国家节能环保、绿色出行的号召，为广大用户提供慢充和快充两种充电方式壁挂式、落地式等多种类型的充电桩，包含智能7kW交流充电桩，30kW壁挂式直流充电桩，智能60kW/120kW直流一体式充电桩等来满足新能源汽车行业快速、经济、智能运营管理的市场需求，提供电动汽车充电软件解决方案，可以随时随地享受便捷高效安全的充电服务，微信扫一扫、微信公众号、支付宝扫一扫、支付宝服务窗，充电方式多样化，为车主用户提供便捷、高效、安全的充电服务。实现对动力电池快速、高效、安全、合理的电量补给，能计时，计电度、计金额作为市民购电终端，同时为提高公共充电桩的效率和实用性。
互联网版智能交流桩	AEV-AC007D

	额定功率7kW，单相三线制，防护等级IP65，具备防雷 保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用。 通讯方：4G/wifi/蓝牙支持刷卡，扫码、免费充电可选配显示屏
互联网版智能直流桩	AEV-DC030D

	额定功率30kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远 程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC060S

	额定功率60kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
互联网版智能直流桩	AEV-DC120S

	额定功率120kW，三相五线制，防护等级IP54，具备防雷保护、过载保护、短路保护、漏电保护、智能监测、智能计量、恒流恒压、电池保护、远程升级，支持刷卡、扫码、即插即用 通讯方式：4G/以太网 支持刷卡，扫码、免费充电
10路电瓶车智能充电桩	ACX10A系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10A-TYHN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，扫码、免费充电 ACX10A-TYN：防护等级IP21，支持投币、刷卡，免费充电 ACX10A-YHW：防护等级IP65，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX10A-YW：防护等级IP65，支持刷卡、免费充电 ACX10A-MW：防护等级IP65，仅支持免费充电
2路智能插座	ACX2A系列		2路承载电流20A，单路输出电流10A，单回路功率2200W，总功率4400W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX2A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡、扫码充电 ACX2A-HN：防护等级IP21，支持扫码充电 ACX2A-YN：防护等级IP21，支持刷卡充电
20路电瓶车智能充电桩	ACX20A系列		20路承载电流50A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率11kW。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别，报警上报。 ACX20A-YHN：防护等级IP21，支持刷卡，扫码，免费充电 ACX20A-YN：防护等级IP21，支持刷卡，免费充电
落地式电瓶车智能充电桩	ACX10B系列		10路承载电流25A，单路输出电流3A，单回路功率1000W，总功率5500W。充满自停、断电记忆、短路保护、过载保护、空载保护、故障回路识别、远程升级、功率识别、独立计量、告警上报。 ACX10B-YHW：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电,不带广告屏 ACX10B-YHW-LL：户外使用，落地式安装，包含1台主机及5根立柱，支持刷卡、扫码充电。液晶屏支持U盘本地投放图片及视频广告
智能边缘计算网关	ANet-2E4SM

	4路RS485 串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC 12 V ～36 V 。支持4G扩展模块，485扩展模块。
扩展模块ANet-485	M485模块：4路光耦隔离RS485
扩展模块ANet-M4G	M4G模块：支持4G全网通
导轨式单相电表	ADL200

	单相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，输入电流：10（80）A； 电能精度：1级 支持Modbus和645协议 证书：MID /CE认证
导轨式电能计量表	ADL400

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，分相总有功电能，总正反向有功电能统计，总正反向无功电能统计；红外通讯；电流规格：经互感器接入3×1（6）A，直接接入3×10（80）A，有功电能精度0.5S级，无功电能精度2级 证书：MID /CE认证
无线计量仪表	ADW300

	三相电参量U、I、P、Q、S、PF、F测量，有功电能计量（正、反向）、四象限无功电能 、总谐波含量、分次谐波含量（2～31次） ；A、B、C、N四路测温；1路剩余电流测量；支持RS485/LoRa/2G/4G/NB；LCD显示；有功电能精度：0.5S级 证书：CPA/CE认证
导轨式直流电表	DJSF1352-RN

	直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量，复费率电能统计，SOE事件记录:8位LCD显示:红外通讯:电压输入较大1000V，电流外接分流器接入(75mV)或霍尔元件接入(0-5V);电能精度1级，1路485通讯，1路直流电能计量AC/DC85-265V供电 证书：MID/CE认证
面板直流电表	PZ72L-DE

	直流电压、电流、功率测量，正反向电能计量:红外通讯:电压输入*大1000V，电流外接分流器接入·(75mV)或霍尔元件接入(0-20mA0-5V);电能精度1级 证书：CE认证
电气防火限流式保护器	ASCP200-63D

导轨式安装，可实现短路限流灭弧保护、过载限流保护、内部超温限流保护、过欠压保护、漏电监测、线缆温度监测等功能;1路RS485通讯，1路NB或4G无线通讯(选配);额定电流为0~63A，额定电流菜单可设。

5结语

总之，电动汽车充电桩采用这种全新的云计算平台不仅在安全性、稳定性方面有较大的提高，在大规模数据的并行批量处理、海量数据的存储、设备容错和故障恢复能力等问题上也有了很大改进，不仅提高了计算效果，同时提升了整个充换电站的安全等级，解决了阻碍充电站发展的一个瓶颈问题。

参考文献：

[1]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.

[2]徐志丹，赵宏振，张宗慧.基于云计算平台的电动汽车充电桩设计与实现[J].电气时代，2014.

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[4]王清品，罗印升，宋伟.电动汽车充电桩充电管理系统设计[J].机械设计与制造工程，2016.

[5]赖茂松.电动汽车充电桩集中式电能规划技术研究[J].汽车实用技术.2018.

[6]李隆淳.云计算平台的电动汽车充电桩设计与实现

[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

审核编辑 黄宇