物聯網賦能下新能源電動汽車充電樁智能管理研究

安科瑞 宣依依

　　摘要：隨著新能源汽車的不斷發展，新能源汽車產業鏈的完善成為關鍵。充電樁作為新能源汽車補充電量的裝置，與新能源汽車互聯互通，因此，實現充電樁的智能化是重要的發展趨勢。該文在對新能源汽車充電樁的運維現狀及物聯網技術的應用優勢進行分析的基礎上，構建基于物聯網技術的新能源汽車充電樁智能管理系統，為新能源汽車充電樁設施的智能管理提供新的思路和方向。

　　關鍵詞：物聯網技術；新能源汽車；充電樁；智能管理系統

　　0 引言

　　充電樁是為新能源汽車提供電能的裝置，當前的市場需求日益增加。為滿足用戶的充電需求，提高充電樁運行的安全性、穩定性，搭建可用來管理和監控充電樁運行情況的智能管理平臺是行業發展趨勢中。物聯網技術利用傳感器等末端設施對數據進行收集，通過特定的技術對數據進行傳輸和處理能在物與物、人與物之間建立緊密的聯系，其關鍵技術能實現充電設施運維過程中對運行數據的實時監控并提供有效輔助的運維決策。將物聯網技術應用到新能源汽車充電樁智能管理系統中，是實現充電樁智能化的有效路徑。

　　1 新能源汽車充電樁運維現狀

　　目前，由于新能源汽車充電樁的鋪設總量有限新能源汽車車主普遍存在“充電焦慮"的問題。在有限的充電設施的基礎上實現充電樁的運維是促進新能源汽車產業與基礎設施體系協同發展的關鍵舉措。

　　新能源汽車充電樁運維過程中存在信息滯后及運維不及時的問題。信息滯后指的是充電樁使用過程中，其運行數據無法及時更新，使得充電樁的使用情況無法更新到用戶端，導致充電樁的資源利用率不高，車主充電的便利性偏低。運維不及時意味著當充電樁出現問題時，不能根據問題的類別進行不同等級的判定，以及采取靈活的決策。此外，充電樁所處環境大多為戶外，受天氣影響較大，當出現暴雨、大風等*端天氣時，充電樁的數據傳輸容易出現問題，并且部分充電樁建設在較為偏僻的地方，存在通信不暢通的問題口。可見，要實現充電樁的運維，應提高充電樁的信息化水平，拓展大數據輔助運維決策功能，提升數據傳輸和使用過程中的可靠性和安全性。

　　2 物聯網技術在新能源汽車充電樁智能管2理系統中的應用優勢

　　新能源汽車充電樁智能管理系統可利用物聯網關鍵技術中的*傳感技術、大數據技術及通信技術實現智能化管理。物聯網技術在推動系統智能化的過程中，具有3方面優點。

　　*一，物聯網技術中的雙向通信技術能實現物與物、人與物之間的緊密聯系，將其應用到新能源汽車充電樁智能管理系統中，能夠提高充電設備與設施間的信息傳輸能力、用戶及運維人員與充電樁的交互能力、數據采集和傳輸的效率。當充電站中的充電樁出現問題時，充電樁智能管理系統可以對充電樁運行數據的變化進行跟蹤，及時發現問題判斷出問題的發生位置和類型，再由系統進行判定并將具體的問題進行報送。運維人員收到告警信息后，可根據具體情況進行實時處理。

　　*二，物聯網技術中的大數據技術有*強的數據處理和分析能力，可對充電樁的故障進行分析根據實際情況分級報送，并提供輔助運維決策，實現對充電樁的智能化管理。例如收集檢測到的充電樁正常運行時的數據，在系統中定期與各類問題數據庫中的數據進行對比，對可能發生的故障進行預測，提高系統的預見性功能。

　　*三，物聯網技術中的數據加密技術可對傳輸的信息進行加密防護，以便在發現有試圖攻擊充電樁智能管理系統的惡意軟件時，對企圖獲取用戶個人信息的行為進行攔截，并對情況進行報送。另外，在數據傳輸的過程中，信息安全技術可對系統的數據進行加密，防止信息泄露事件的發生，進一步提高系統的安全性。

　　將物聯網技術應用到新能源汽車充電樁智能管理系統中，能有效改善目前新能源汽車充電樁運維過程中存在信息滯后及運營維護不及時的問題，有利于提高充電樁的使用率，增加經濟效益，是推動充電樁設施智能化發展的有效舉措".

　　3 基于物聯網技術的新能源汽車充電樁智能管理系統總體設計

　　3.1 系統總體框架

　　綜合考慮新能源汽車充電樁智能管理系統在可靠性、實時性、安全性和經濟性方面的發展需求將物聯網技術應用到充電樁的智能管理系統中，建立基于物聯網技術的“云、邊、端"3 層式充電樁智能管理系統。系統的總體框架如圖1所示。

圖 1 充電樁智能管理系統總體

　　“云"是主站云平臺，是一個遠程的數據處理中*，可以儲存大量的數據，并通過物聯網技術對復雜數據進行處理，以提供更加有效的信息，并將結果反饋給終端設備和邊緣服務器，提升整個系統的智能化水平。“邊"是邊緣計算，指的是靠近終端設備的邊緣服務器，能快速對終端設備的數據進行處理和分析，并將處理結果發送到終端設備。“端"是終端設備，在充電樁智能管理系統中，終端設備有充電頭、霍爾電流傳感器、超聲波傳感器、攝像頭:計量裝置等。這些設備對數據進行收集和處理，同時將有效數據上送到邊緣服務器，為完成用戶及運維人員的交互奠定基礎。

　　3.2 終端設備的數據采集

　　終端設備對數據的采集是整個充電樁智能管理系統中的重要一環。*一，從保證充電樁正常供電的角度來看，終端設備能夠監控充電樁的運行狀態收集充電樁的充電情況，便于及時發現充電樁異常。*二，從提高智能管理系統可靠性的角度出發，收集充電樁的充電數據，包括充電的電量總數、充申收取費用的金額、充電時長的統計等，為合理分配資源提供重要依據。*三，從優化用戶體驗考慮對接使用車主的用戶信息，調取車主的充電記錄包括充電汽車的型號、充電地點、充電時段、充電續航需求等，以了解車主用戶的消費習慣，提高對用戶的服務質量。

　　3.3 邊緣服務器的架構模型

　　當前的智能管理系統多采用集中式云平臺架構模型，如圖2所示，各終端設備將測量的運行數據傳送到云平臺，由云平臺進行數據分析后才能傳回終端設備，并進行相應的動作，適用于對運行數據的傳輸速度要求低且運行數據較少的場合。

圖 2 集中式云平臺架構模型

　　為滿足新能源汽車車主的充電需求，充電樁的數量多且運行數據龐大，傳統的集中式云平臺架構模型已無法滿足對運行數據實時監控的需求，通過研究選用分布式的邊緣服務器架構模型，如圖3所示。終端設備將測量的運行數據傳送到邊緣服務器由邊緣服務器對數據進行分析后將處理結果傳回終端設備，同時邊緣服務器還承擔將處理的數據及結果上送到主站云平臺的任務，以便云平臺對相關數據進行進一步分析和儲存入庫。分布式的邊緣服務器架構模型與新能源汽車充電樁的實際情況適配，能提高充電樁智能管理系統的處理效率，提供更加便利的充電服務。

　　3.4 主站云平臺的大數據應用

　　要對充電樁進行智能化的管理，就要有效處理充電樁在運行過程中產生的類型豐富且幾雜的大量數據，普通的數據處理技術不能達到這一要求，但大數據技術與這種情況適配:數據集成管理技術能有效進行海量數據的存儲人庫，數據挖掘技術可對海量運行數據進行關系分析并提供有效的運維決策，數據處理技術可實現大量數據的實時分析與處理。將大數據技術應用到充電樁智能管理系統的主站云平臺中，能實現各類充電樁的運行狀態監測并對監測到的數據進行分析判斷，實現及時的故障預警、告警和報警通知，從而提高充電樁的運維效率。

圖 3 分布式的邊緣服務器架構模型

　　4 基于物聯網技術的新能源汽車充電樁智能管理系統運行原理

　　充電樁智能管理系統利用終端設備對充電樁的運行信息、環境信息、充電數據信息等進行實時監控，并將數據通過以太網、5G通信上傳到邊緣服務器。如圖4所示，當充電樁需要進行升級、啟停或出現故障時，邊緣服務器會根據收到的數據信息將處理方式反饋到終端設備就近進行處理，并將相關信息上傳到云平臺，云平臺對收集到的數據進行辨識，分類別存儲到數據庫，便于后續的大數據分析。當出現問題的邊緣服務器無法進行修復時，云平臺的數據管理中*將會進一步對當前情況進行評估，并將評估結果及相應的數據報送給App，進而報送給運維人員，實現人機的交互。主站云平臺應用的大數據技術，使充電樁智能管理系統具有完善的保護功能，如過壓保護、欠壓保護過流保護、短路保護、過溫保護、輸出反接保護急停功能等，并通過實時檢測的充電樁動態數據實現主動防護，保護電池安全，充分提高整個系統的安全性、可靠性。

圖 4 充電樁智能管理系統拓撲結構

　　5 安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

　　5.1概述

　　AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

　　5.2應用場所

　　適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

　　5.3系統結構

系統分為四層：

　　1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據中*層和客戶端層。

　　2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

　　3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

　　4）數據中*層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

　　5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

　　小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

　　5.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

　　5.4.1智能化大屏

　　智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

　　5.4.2實時監控

　　實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

5.4.3交易管理

　　平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

5.4.4故障管理

　　設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

5.4.5統計分析

　　通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

5.4.6基礎數據管理

　　在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

5.4.7運維APP

　　面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送。

5.4.8充電小程序

　　面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

5.5系統硬件配置

　　6 結束語

　　從新能源汽車充電樁運維現狀出發，分析將物聯網技術應用到充電樁智能管理系統中的優勢，結合充電樁智能管理的發展需求，建立基于物聯網技術的“云、邊、端"3層式充電樁智能管理系統，實現可靠性強、實時性好、安全性高和經濟性佳的充電樁智能化管理的運維系統設計。但在構建充電樁智能管理系統時，仍有可能出現未考慮到現場干擾因素影響數據采集的情況，后續應根據特殊環境的個例情況對整個充電樁智能管理系統進行一定的優化，并搜集現場出現的典型現實案例，對數據進行分析后，將其傳人數據處理中*，完善數據庫，以增強整個智能管理系統的實際應用性。

　　參考文獻:

　　[1] 付若琪,薛婧怡,郭玉琦,等.中國新能源汽車充電樁設施發展現狀及建議[J].時代汽車,2024(8):130-132.

　　[2] 張小莉,何艷.基于物聯網技術的能源數據服務平臺[J].電氣傳動自動化 ,2023(2):59-63.

　　[3]安科瑞企業微電網應用手冊2020.06版.

　　[4]張 洋,張清小.基于物聯網技術的新能源汽車充電樁智能管理系統研究[J].