电动汽车具有以电代油、环保高效的优点，是节约能源大力提倡的方式。随着电动汽车的逐步推进，充电用户希望能够实时了解充电桩的位置、电价等信息，主动参与用电管理，提高能源利用效率。其重要基础之一是需要对充电桩进行电量监测并智能控制其状态，实现精细化、智能化管理。国内现有充电设施主要以充电站、充电桩或换电站建设为主，截至2015年3月，国家电网公司已经建成618座充换电站、2.4万个充电桩，并形成了一定规模的充换电服务网络。文献[5-6]主要是关于电动汽车有序充电策略的研究;文献[7]提出了电动汽车智能充电的导航系统;文献[8]描述了智能充电桩的设计;文献[9]提出了建设电动汽车智能服务平台。云计算技术已经应用于电力系统的多个方面，但目前国内还未推出集智能充电服务平台、智能充电装置和App应用软件于一体的系统。美国在电动汽车智能充电系统中已经有了新的突破，可实现充电站寻找及付费功能。针对国内电动汽车充电系统的现状，设计了基于云平台的电动汽车充电系统，将人机交互操作界面由传统的充电装置屏幕显示变为手持终端显示，通过App实现充电装置定位导航、锁定及充电预约等功能，还可基于智能云平台进一步对用户充电行为进行数据挖掘与分析，为未来电动汽车大规模推广奠定基础。
1 系统架构设计
本系统是建立在互联网、高速无线网和电力信息系统基础上的大型分布式网络信息系统。整个系统分为平台层、网络层和终端层，其逻辑架构见图1。
图1 系统逻辑架构图
1)平台层：采用针对电动汽车充电服务的数据挖掘技术、云计算技术、门户技术，提供用户管理、身份认证、权限控制、充电装置信息记录、电动汽车充电海量数据存储等基础服务，并支撑手机App实现充电装置使用情况查询、定位导航、充电预约及充电装置锁定等业务，并与相关外部系统进行数据交换实现跨应用、跨系统的信息互通、共享和协同。后期通过深度挖掘将为用户推送充电服务计划、充电商店等增值服务。2)网络层：是平台层和终端层之间的纽带，提供了各类用户信息、电动汽车充电信息等多种数据的传输通道。网络层既包括诸如Wi-Fi形式的高速无线网络，也包含广域铺设的互联网。3)终端层：包括电动汽车充电终端设施(交流桩、直流桩等)、智能手机和平板电脑等用户设备。电动汽车充电终端可以将车辆的充电信息通过网络层发送给远端平台，也可以接收平台下发的控制指令。智能手机、平板电脑等终端设备通过其上的App应用软件进行实时互动，接收用户输入，并展示系统所提供的各类服务。系统通信结构示意图见图2，充电终端含有Wi-Fi通信模块，可与Wi-Fi路由器进行通信;Wi-Fi路由器通过2G、3G或光纤网络等将信息发送给云平台服务器;智能手机、平板电脑等终端设备通过Wi-Fi、GPRS和CDMA等与后台服务器通信。此外，为了确保信息安全，在云平台中部署密钥管理系统和加密机;在充电装置中加入自主研发的嵌入式安全模块芯片(ESAM)。
图2 系统通信架构2 系统组成及功能
本系统主要由云平台、智能充电装置和智能终端App应用软件组成，分别对这3个主要部分进行说明。
电动汽车充电服务云平台
电动汽车充电服务云平台是电动汽车充电提供数据发布、收集、存贮、加工、维护和挖掘的综合平台。为满足业务发展需求，电动汽车充电服务云平台支持百万级客户的多种业务请求，系统平台软件和硬件都具备高可靠性、可用性和可扩展性。该平台由计算机、网络设备、存储设备、其他外围设备和平台应用软件组成，整个电动汽车充电服务云平台主要分为3个子系统进行研发。(1)基于云计算技术的功能支撑子系统。该子系统深入研究了电动汽车充电服务的特性，利用云计算技术开发虚拟机与物理机资源统一管理子系统，将所有的计算资源进行全面、灵活的管控，为整个电动汽车智能充电系统提供具有弹性的计算能力。针对电动汽车充电服务接入特点采用负载均衡技术，支持海量用户的高并发访问。提供用户管理、身份认证、权限控制、充电装置信息记录、电动汽车充电海量数据存储与处理等功能，支撑手机App实现充电装置使用情况查询、定位导航、充电预约、充电装置锁定等多种业务应用。
(2)数据交换子系统。为了解决在系统中各类数据交换、整合的难题，主要从以下4个方面突破，设计数据交换子系统。1)有效降低系统间的耦合度，使每个应用系统逻辑上只和数据交换子系统有关系，而不必考虑数据交换的另一端具体部署，使系统间形成简单的数据耦合。2)提高数据交换接口的规范性，使得系统接口统一面向数据交换子系统，在接口的逻辑和技术形态上具备一致性，为系统接口的稳定和规范提供基础。3)提高数据交换的开放性，使得数据交换子系统就如同系统间的一个逻辑数据总线，可以对外提供灵活、多种形式的接口。4)保证数据交换的高效性和稳定性。从系统设计层面有效保证数据交换过程的高效和稳定。(3)数据挖掘子系统。深入分析整个电动汽车智能充电系统所提供的各类服务，依据服务的不同类别、特点及实际需求，将设计与电动汽车充电业务相对应的数据挖掘算法和数据分析模式，利用数据抽取、存储、管理及展现技术开发电动汽车充电数据分析和用户行为挖掘等业务应用，为用户提供深入、高效的增值服务。数据挖掘子系统将主要完成以下2类典型工作。1)通过对海量用户充电时间数据的收集和分析，可以挖掘得到不同时间段用户的充电密度，计算出用户充电行为对于电网负荷的影响规律，为负荷预测提供有力支撑，为电力调度提供依据。2)通过对海量用户充电地点数据的分析，可以挖掘得到不同区域、不同地段的用户充电需求分布，计算出目前已建的充电设施在各个地点的利用情况，为进一步建设充电设施提供直接的指导。
智能充电装置
智能充电装置除了具备传统的充电、计量、保护等功能外，以下功能在提高本系统的智能性同时，将会更为适应日新月异的技术变革：1)手持终端控制功能：分布式充电装置可通过移动端App控制启停机，当充电装置符合充电条件时，客户通过手机等移动终端可以实时控制充电装置的启停。2)充电信息上传功能：分布式充电装置可将充电信息上传至服务器并通过手机安装的App界面实时显示充电信息，包括当前充电电压、充电电流、充电电量、充电费率、计费信息、故障信息、工作状态信息等。智能充电装置原理框图见图3，具体包括：MCU单元、数字电能表、Wi-Fi通信模块、FLASH存储单元、保护单元、电源转换模块、接触器、急停开关等。其中MCU单元为充电装置的控制核心，完成指令控制与信息分发，采用低功耗、高性价比的CORTEX-M0系列芯片，通过串口或SPI总线与Wi-Fi通信模块通信，通过485总线与数字电能表通信，通过I2C总线与FLASH存储单元通信，MCU通过驱动电路与接触器相连实现充电电能输出的通断控制。Wi-Fi通信模块采用低功耗的Wi-Fi模块，实现与无线网关的数据通信进而实现充电装置开关状态远程控制，电流、功率、电能信息的上报。电源转换模块用于将交流电转换为直流电，提供不同电压等级的直流电，为充电装置中的其他电路提供电源。
图3 电动汽车充电装置原理框图APP 客户端
随着智能手机的普及，App客户端软件已经应用于日常生活的各个方面。本系统设计了客户端软件的2个版本，分别支持操作系统为iOSV7.0.0及以上版本和Android V2.3.3及以上版本，总体设计为C/S体系结构，客户端为多层体系结构，以提供更好的灵活性和强大的扩展能力。多层体系对于客户端来说是3层结构，分别从视图层、业务逻辑层、业务实体层进行分配。1)视图层：与用户交互的界面，响应用户的请求，调用业务逻辑层的接口进行逻辑处理，根据结果以不同的形式展现给用户。视图层包含地图显示、支付结算、状态显示、控制界面和查询界面。2)业务逻辑层：完成实际的业务逻辑，包括对服务器的数据请求和对本地数据库的读取。3)业务实体层：包含了各个业务实体，对网关服务器的数据请求、数据解析;对平台服务器的数据请求、数据解析;数据库维护。App客户端软件根据用户选择的功能调用业务逻辑层相应的模块，业务逻辑层负责业务流程的组织，并调用业务实体层的模块，通过网关服务器接口(或平台服务器接口)同网关服务器(或平台服务器)进行信息交换。具备以下功能：1)地图功能：智能充电装置具备地图应用功能，可以通过地图及导航查询充电装置的位置信息。2)状态显示功能：通过手机App显示智能充电装置的各种状态。3)支付功能：系统具有充电结算功能，通过账户和支付宝、微信账户等绑定，实现定额、定量、定时等方式的智能充电。4)控制功能：通过控制命令实现对智能充电装置的设置和控制，包括开始充电、取消预约、停止充电等。5)查询功能：用户可查询充电数据详情(次数、累计)。
3 应用实例
由北京市科学技术委员会牵头，昌平区政府参与，北京南瑞智芯微电子科技有限公司主持完成的京密北路东段路灯充电桩建设改造项目，工程路段全长1.5km，实施LED路灯改造84盏，以80W LED灯替换250W高压钠灯，建成8座慢充充电桩和2座快充充电桩，并部署了电动汽车智能充电系统1套。建成以后，以昌平地区电动出租车充电为例，使用慢充桩充电时间为4～5h，使用快充桩30min可补电80%。这些充电桩已逐步缓解昌平区的电动汽车充电难的问题，应用实例图见图4和图5。
图5 充电桩APP 查询界面
图6 电动出租车现场充电实景图
结语
本文设计了基于云平台的电动汽车智能充电系统，并介绍了其试点应用，验证了电动汽车用户参与用电管理、有序充电、合理用电的设计目标，为电动汽车用户与电网进行互动提供了一种解决方案。后期将根据北京市发展与改革委员会5月出台的电动汽车充电服务收费政策，对系统的计费功能进行改进，使之首先适应北京市电动汽车充电的需要，待系统进一步运行和功能完善后再向其他城市推广。
原标题：基于云平台的电动汽车智能充电系统设计与应用
