符合国网标准的电动汽车智能充电桩设计与应用

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：为满足国内电动汽车充电桩规范化和标准化需求，设计并实现了一款符合国网公司标准的电动汽车智能充电桩。首先阐述国内电动汽车充电桩现状及需求，随后以国网公司标准为依据进行硬件系统、主控板及监控单元设计，采用模块化原则设计软件系统，并针对充电桩恶劣工作环境开展环境及电磁兼容设计。该充电桩已在山东临沂、济南等多地充换电站运行，结果显示其安全、稳定、可靠，将为电动汽车发展提供有力保障。

关键词：电动汽车充电桩硬件系统

0引言

随着新能源战略推进及电动汽车行业发展，电动汽车充电行业发展迅猛。我国电动汽车充换电设施试点工程已建成并投运众多标准化充换电站、充电机和交流充电桩，覆盖多个省市，杭州初步建成电动汽车充换电服务网络，充换电站及充电桩数量居世界前列。国家电网将在 “十二五” 期间建设大量充换电站和充电桩，初步建成智能充换电服务网络。

鉴于市场上电动汽车和充电设备接口、功能、性能设计标准不统一，质量参差不齐的现状，相关规范和标准陆续出台。电动汽车充电桩作为电动汽车充电主要渠道，其性能、工艺和质量对电动汽车推广影响重大，故有必要依据相关标准进行设计。电动汽车充电桩设计不仅要满足基本充电功能，还需强化电气安全、数据安全及环境与电磁兼容性能设计。

1电动汽车充电桩设计

本项目设计的电动汽车智能充电桩依据《NB/T33002－2010电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q/GDW485－2010电动汽车交流充电桩技术条件》、《Q/GDW478－2010电动汽车充电设施建设技术导则》、《国家电网公司电动汽车充电设施建设指导意见》相关要求进行设计。该产品在满足相关标准对电动汽车充电桩的技术要求基础上，强化了充电桩电气安全、数据安全设计和环境及电磁兼容性能的设计，增加了视频拍照、微型热敏打印、无线组网等功能。

1.1硬件系统设计

电动汽车充电桩硬件系统主要由主控板、监控板、IC卡读写器、数字电表、移动通信模块、触摸屏、指示灯、按键等组成。硬件系统的硬件组成如图1所示。

图1充电桩硬件系统组成框图

主控板是核心，负责充电过程启动、运行、监控及关闭，并通过多种通讯方式将数据传至后台，具备多种接口和功能特点。为保障充电安全可靠，设计了监控保护单元，对充电桩进线电压、输出电压电流、接口连接状态、车载电池管理系统及电池状态等实时监测，异常时及时切断电源。

1.2软件系统设计

1．2．1系统工程流程

当电动汽车需充电时，用户将充电卡置于刷卡区，按提示操作，连接充电接口并选择充电模式后启动充电。控制保护单元检测连接状态，异常则无法启动。充电中，指示灯点亮，监控单元实时监测各项状态，异常或故障时断开开关并报警。

图2监控单元组成框图

充电桩软件系统主要完成的功能是将各功能模块有机的结合起来，实现各模块的协调调用，系统整体控制流程图如图3所示。

图3充电桩软件系统主程序流程图

1.2.2功能模块设计

充电桩软件设计时采用了模块化的编写原则，这样既能保证电动汽车充电桩软件系统高效可靠的运行，又能使该软件系统具有良好的扩展性，对产品升级换代具有非常重要的意义。

按充电桩软件系统的功能可以把系统分为主控模块、人机交互、读卡器模块、计量计费模块、打印模块、后台通讯模块、远程通信模块等功能模块。其主要功能框图如图4所示。

图4软件系统功能框图

当软件系统启动时，主控程序根据系统配置文件加载程序配置信息，并根据配置信息完成各通信模块的加载。软件平台强大的多线程处理能力，主控程序能够轻松的完成与各通信模块的交互。主控程序通过各模块通信能够完成用户信息采集与展示、实时数据采集与展示、充电流程控制、计量计费功能等功能，同时该主控程序还具备后台通信功能，能够把充电过程中的实时数据、充电记录等信息上送到远方后台系统。

人机交互模块设计时，界面显示单元显示的内容非常丰富，其中主要界面有欢迎界面、连接确认界面、充电参数设定界面、启动充电界面、充电界面、停止充电界面、结账界面、打印界面等。人机交互模块通过与主控模块的交互，获取控制命令完成界面切换;获取用户信息与实时数据信息并进行信息展示。

安全模块由带安全存取模块(SAM)的读卡器，密钥管理系统，数据加密、解密模块组成。带安全存取模块(SAM)的读卡器采用硬件加密技术，对用户卡与充电桩数据交互过程中所使用的临时变量进行加密处理，并对传递过程进行线路加密，保证了用户卡与充电桩进行数据交互的过程中，信息不会被外界窃取。密钥管理系统的主要功能是提供各种密钥的生成机制和加密算法，并将生成的密钥存储在具有密钥导出功能的CPU智能卡，即SAM(SecurityAccessModule)卡中。数据加密模块用于把用户数据按照事先约定的加密方式加密并存储在用户卡的用户数据区域。解密模块用于将读取的用户卡数据还原为原始数据并进行相关的用户识别，扣费等操作。

1.3环境及电磁兼容设计

电动汽车充电桩应用环境多在室外，工作环境恶劣，需适应各种恶劣天气及电磁干扰。桩体结构及工艺采用交叉覆盖工艺，达到 IP54 防护等级且保证散热；主体采用镀锌钢板，外表面汽车烤漆工艺，防止锈蚀；元件选型采用工业级元器件，电气设计采用防雷器及多种防护措施，确保充电桩在恶劣环境和工业骚扰环境下正常工作。

2项目实施情况

本项目开发完成的电动汽车充电桩，于2010年12月27日通过了电力工业电力系统自动化设备质量检验测试的型式试验;目前，本项目已通过有关专家的鉴定，并在山东临沂焦庄充电站、义堂充电站，山东济南英贤充电站、葛家庄充电站等推广应用，得到一致好评。现场应用图片如图5所示。

图5临沂焦庄充换电站现场照片充电桩操作界面

如图6所示

3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

4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2v1作用时的排名

表3v2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。

5安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

5.1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自行车充电站及各个充电桩进行数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，实现充电服务、支付管理、交易结算、资产管理、电能管理、明细查询等功能。同时对充电机各类故障进行预警，充电桩支持多种方式接入互联网，用户可通过微信、支付宝、云闪付扫码充电。

5.2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。

5.3系统结构

系统分为四层：

包括数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。数据采集层采用标准通讯协议采集电力参数并计量保护；网络传输层通过 4G 网络上传数据；数据层包含应用服务器和数据服务器，部署多种服务和数据库；客户端层供系统管理员和终端充电用户使用。小区充电平台功能涵盖多方面，为运维人员提供运维 APP，为充电用户提供充电小程序。

5.4安科瑞充电桩云平台系统功能

5.4.1智能化大屏

展示站点分布及设备状态、使用率、充电次数、时长、金额、度数、故障等统计信息，可查看站点详细信息、充电桩列表、充电记录等，便于统一管理小区充电桩和分配资源。

5.4.2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。

5.4.3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。

5.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员派发处理，运维人员通过 APP 接收推送，处理后上报结果，充电用户也可通过小程序反馈问题。

5.4.5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。

5.4.6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。

5.4.7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

5.4.8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。

5.5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、安全的充电服务。实现对动力电池快速、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、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。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（改造项目） 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*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。
开口式电流互感器	AKH-0.66/K		AKH-0.66K系列开口式电流互感器安装方便，无须拆一次母线，亦可带电操作，不影响客户正常用电，可与继电器保护、测量以及计量装置配套使用。
霍尔传感器	AHKC		霍尔电流传感器主要适用于交流、直流、脉冲等复杂信号的隔离转换，通过霍尔效应原理使变换后的信号能够直接被AD、DSP、PLC、二次仪表等各种采集装置直接采集和接受，响应时间快，电流测量范围宽精度高，过载能力强，线性好，抗干扰能力强。
智能剩余电流继电器	ASJ		该系列继电器可与低压断路器或低压接触器等组成组合式的剩余电流动作保护器，主要适用于交流50Hz，额定电压为400V及以下的TT或TN系统配电线路，防止接地故障电流引起的设备和电气火灾事故，也可用于对人身触电危险提供间接接触保护。

6结论与展望

本充电桩严格遵循国网公司标准研制，运行结果表明其提高了电动汽车充电桩技术和实用化水平，有力推动了电动汽车充电行业发展。数据驱动中数据决定方法，本文提出的排名变差算法以充电桩交易流水数据为前提，能一定程度识别充电桩计量可信度传播范围。交易记录含个人隐私，提交前需编码处理。在网络中，节点排名主要由连接强度决定，互联网排名能反映网页质量，桩车网络中连接强度因素多，排名本身不足以反映计量特性，排名变差更具参考价值，且评分算法有多种选择，有待进一步研究更适宜的算法。

参考文献：

[1]王涛，张东华，贺智轶等．电动汽车充电桩的控制系统研究与设计［J］．湖北电力，2011．1

[2]张允，陆佳政，李波．利用有源滤波功能的新型电动汽车交流充电桩［J］．高电压技术，2011．1

[3]严晓燕．基于RFID预付费支付系统在充电站中的应用［J］．电力信息化，2010．7

[4]孟祥军，梁涛，王兴光，陈杰，李建祥，电动汽车智能充电桩的设计与实现

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版

审核编辑 黄宇