基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

談耿 趙雄峰 丁福軍 翟明遠(yuǎn) 吳學(xué)梅

（甘肅易享行新能源發(fā)展有限公司 甘肅省蘭州市 730000）

近年來(lái)，隨著新能源汽車(chē)的不斷普及，充電站的建設(shè)規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大，而充電樁作為充電站的重要組成部分，從成本和安全等角度考慮，如何實(shí)現(xiàn)充電樁的智慧控制就顯得尤為重要[1]?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)是以創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)為支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)充電樁工作狀態(tài)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行控制，如此，則能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模充電樁的智能控制，提高控制效率，避免安全事故的發(fā)生。

1 充電樁控制系統(tǒng)概述

充電樁的大規(guī)模推廣解決了新能源汽車(chē)快速補(bǔ)充電力的問(wèn)題，不同新能源汽車(chē)可以根據(jù)實(shí)際需要選擇與之型號(hào)、接口相對(duì)應(yīng)的充電樁，并且，不同新能源汽車(chē)的充電參數(shù)有著明顯差異，充電樁控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際充電情況動(dòng)態(tài)調(diào)整充電參數(shù)，從而保證充電安全，以及減少充電過(guò)程對(duì)新能源汽車(chē)的損傷。充電樁控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)Τ潆娺^(guò)程進(jìn)行控制，為降低運(yùn)營(yíng)成本，充電站多為無(wú)人值守模式，工作人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制系實(shí)時(shí)獲取充電站的狀態(tài)參數(shù)，從而保證充電站的正常運(yùn)行。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧充電樁控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要完善的物聯(lián)網(wǎng)作為支撐，在融合大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能的基礎(chǔ)上，充電樁控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性將得到顯著提升。針對(duì)傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)，以及參考物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)，基于智慧物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)在功能方面將得到進(jìn)一步的豐富。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是利用互聯(lián)網(wǎng)將各種相對(duì)獨(dú)立的信息化終端進(jìn)行連接，從而形成一個(gè)龐大的信息網(wǎng)絡(luò)，因此，這里需要強(qiáng)調(diào)的是，物聯(lián)網(wǎng)的終端載體應(yīng)具有信息接收和傳輸功能[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋終端數(shù)量的增加，以及不同終端豐富的功能構(gòu)成，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)不再局限于對(duì)終端載體的狀態(tài)檢測(cè)，而是以“萬(wàn)物互聯(lián)”的終端控制為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全、高效的規(guī)模化、低成本控制。

2.2 智慧充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新能源汽車(chē)充電站除變壓器、蓄電池等基礎(chǔ)設(shè)施外，還包括大量充電樁，因此，智慧充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮充電站的整體配置?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)主要包括綜合管理單元、通信單元、人機(jī)交互單元、終端接入單元、充電管理服務(wù)單元（如圖1所示）。

圖1：智慧充電樁控制系統(tǒng)原理框圖

2.2.1 綜合管理單元

綜合管理單元是智慧充電樁控制系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，圖1 中綜合管理單元主要是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)獲取充電樁的狀態(tài)信息，并根據(jù)充電樁的實(shí)際工作狀態(tài)變化發(fā)送控制指令[3]。綜合管理單元需要同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)不同業(yè)務(wù)需求（如圖2所示），除營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)管理外，基于物聯(lián)網(wǎng)的充電站管理、充電樁管理、分時(shí)費(fèi)率、設(shè)備故障、訂單管理等都需要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

圖2：智慧充電樁控制系統(tǒng)綜合管理單元設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)以上功能，綜合管理單元需要滿(mǎn)足基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多種通信協(xié)議（如表1所示），在實(shí)現(xiàn)充電樁與控制系統(tǒng)之間內(nèi)部交互的同時(shí)，還可以為用戶(hù)提供更加便捷的在線(xiàn)交易和管理。針對(duì)充電樁管理的安全性、可靠性等要求，以及結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)放性特點(diǎn)，在單元設(shè)計(jì)中增加組合防御模塊，從而避免外來(lái)威脅對(duì)運(yùn)營(yíng)造成的威脅。

表1：物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議

2.2.2 通信單元

物聯(lián)網(wǎng)是以通信網(wǎng)絡(luò)為支撐的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)控制模式，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)融合了有線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)通信兩種通信機(jī)制，在以表1 中所示通信協(xié)議展開(kāi)研究的基礎(chǔ)上，增加了包括UDS 服務(wù)器、多級(jí)網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)庫(kù)等在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使其更加智能化（如圖3所示）[4]。其中，分布式數(shù)據(jù)處理中心則最大限度利用了該系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)資源和算力，從而提高了數(shù)據(jù)處理效率，尤其是在充電樁大規(guī)模占用的情況下，充電樁動(dòng)態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)體量龐大，且需要同時(shí)滿(mǎn)足不同用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求，分布式處理中心與UDS 服務(wù)器的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠有效應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題。

圖3：智慧充電樁網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

分布式開(kāi)源流處理平臺(tái)解決了傳統(tǒng)服務(wù)器在大規(guī)模并發(fā)處理中橫向擴(kuò)展南、狀態(tài)管理難、模塊協(xié)同難等多個(gè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)用戶(hù)行為的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，并實(shí)時(shí)匹配基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從而避免非法后臺(tái)欺詐行為。為提高開(kāi)源流處理平臺(tái)的效率，針對(duì)文本、圖像、聲音、視頻等數(shù)據(jù)流的實(shí)際情況，該設(shè)計(jì)增加了3 個(gè)開(kāi)源流處理平臺(tái)，并配合冗余網(wǎng)關(guān)方案提高了平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2.3 人機(jī)交互單元

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)多為無(wú)人職守，因此，人機(jī)交互單元的設(shè)計(jì)將直接影響用戶(hù)的充電體驗(yàn)，同時(shí)也關(guān)系著充電樁控制系統(tǒng)的智能化水平。傳統(tǒng)充電樁控制系統(tǒng)人機(jī)交互多通過(guò)實(shí)體按鍵等方式實(shí)現(xiàn)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能技術(shù)的融合提高了人機(jī)交互模式，賦予了充電樁控制系統(tǒng)多種行為感知能力，其邏輯架構(gòu)如圖4所示。

圖4：智慧充電樁控制系統(tǒng)人機(jī)交互原理框圖

設(shè)備層。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成較為復(fù)雜，除充電樁外，還包括各種視頻采集設(shè)備、音頻采集設(shè)備、紅外傳感器等，而不同物理設(shè)備所能夠識(shí)別的人機(jī)交互信息具有明顯差異。

詞法層。通過(guò)手勢(shì)、語(yǔ)音等對(duì)充電樁進(jìn)行控制是基于物聯(lián)網(wǎng)的充電樁控制系統(tǒng)智能化的重要體現(xiàn)，以手勢(shì)識(shí)別為例，充電樁內(nèi)置視頻采集設(shè)備可以對(duì)幾種特定手勢(shì)進(jìn)行識(shí)別，如插拔充電器行為識(shí)別后系統(tǒng)自動(dòng)斷電，從而避免發(fā)生短路等故障[5]。這里需要注意的是，交互動(dòng)作識(shí)別準(zhǔn)確率會(huì)隨著用戶(hù)交互數(shù)據(jù)的不斷增加而提升，人機(jī)交互模的匹配算法將得到深度優(yōu)化。

語(yǔ)法層。用戶(hù)行為與指令之間具有單一的映射關(guān)系，通過(guò)特定手勢(shì)可以對(duì)充電樁的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。為提高交互效率，基于物理網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)擁有嚴(yán)格的交互語(yǔ)法要求，并為用戶(hù)建立獨(dú)立交互語(yǔ)法集，隨著控制系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)交互語(yǔ)法模型持續(xù)完善，交互行為與指令之間的映射關(guān)系將更加明確。

語(yǔ)義層。在人機(jī)交互單元設(shè)計(jì)中，基于不同手勢(shì)、語(yǔ)言變化的交互語(yǔ)義模型可以通過(guò)公式進(jìn)行形式化描述，通過(guò)人機(jī)交互形式化描述語(yǔ)言的變化對(duì)用戶(hù)意圖進(jìn)行判斷，從而將單一映射關(guān)系進(jìn)行串聯(lián)。如此，則可以進(jìn)一步優(yōu)化用戶(hù)交互語(yǔ)法集，使控制系統(tǒng)能夠更加準(zhǔn)確判斷用戶(hù)目的。

接口層?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)包括多種應(yīng)用程序，用戶(hù)可通過(guò)應(yīng)用程序與充電樁控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，而應(yīng)用接口層實(shí)現(xiàn)了第三方應(yīng)用對(duì)物聯(lián)網(wǎng)資源的調(diào)用權(quán)限[6]。由于應(yīng)用接口層多關(guān)聯(lián)用戶(hù)個(gè)人信息查詢(xún)、賬戶(hù)收支明細(xì)等數(shù)據(jù)，并支持包括JSON、XML 在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)格式，解決了基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁功能升級(jí)、優(yōu)化對(duì)控制系統(tǒng)架構(gòu)的影響。

2.2.4 電池管理單元

智慧充電樁控制系統(tǒng)的主要管理對(duì)象為新能源汽車(chē)電池，且電池狀態(tài)將直接影響充電效率和安全，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取汽車(chē)電池狀態(tài)，并調(diào)整充電樁工作參數(shù)。如圖5所示，智慧充電樁插頭與新能源汽車(chē)連接后，控制系統(tǒng)將與車(chē)機(jī)進(jìn)行互聯(lián)（或下載云端車(chē)載電池?cái)?shù)據(jù)），從而對(duì)車(chē)載電池健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，選擇最佳充電電流，從而避免對(duì)車(chē)載電池造成損傷。

圖5：智慧充電樁電池管理單元執(zhí)行流程

如圖5所示，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)電池管理單元設(shè)計(jì)增加了故障預(yù)測(cè)功能，充電樁控制系統(tǒng)在充電過(guò)程中動(dòng)態(tài)分析單組電池電壓變化數(shù)據(jù)、溫度變化數(shù)據(jù)等，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)單組電池欠壓、自燃、虧電等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果將通過(guò)API 應(yīng)用程序接口發(fā)送給用戶(hù)，并為用戶(hù)提供最佳的車(chē)載電池保養(yǎng)、維修方案。

2.2.5 充電管理服務(wù)單元

智慧充電樁控制系統(tǒng)綜合管理單元的業(yè)務(wù)體系不僅包括充電樁、新能源汽車(chē)，用戶(hù)手機(jī)、智能手表等終端同樣可以接入物聯(lián)網(wǎng)，從而打通應(yīng)用程序接口，調(diào)用智慧充電樁控制系統(tǒng)中的功能模塊。除用戶(hù)外，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)充電管理服務(wù)單元還需要滿(mǎn)足工作人員的遠(yuǎn)程接入需求，因此，區(qū)分不同主體的充電管理服務(wù)單元構(gòu)成具有一定的復(fù)雜性和差異性。

充電管理服務(wù)單元主要包括業(yè)務(wù)管理、客戶(hù)管理、資產(chǎn)管理、監(jiān)測(cè)管理和運(yùn)營(yíng)管理四個(gè)部分，其中，針對(duì)主體身份差異，充電管理服務(wù)單元所提供的權(quán)限范圍也有著明顯不同。為提高系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)對(duì)不同服務(wù)終端的API 接口進(jìn)行重新定義，提高服務(wù)響應(yīng)速度，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同主體數(shù)據(jù)的私有化部署，兼顧數(shù)據(jù)安全性、隱蔽性。

以充電監(jiān)測(cè)管理服務(wù)為例，管理員所獲取的核心數(shù)據(jù)是充電過(guò)程中充電樁的電流變化和車(chē)載電池溫度變化數(shù)據(jù)，而用戶(hù)的關(guān)注點(diǎn)則是充電量、費(fèi)用和充滿(mǎn)所需時(shí)間等。管理員所獲取的數(shù)據(jù)是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)固定API 接口實(shí)現(xiàn)，而用戶(hù)只能通過(guò)掃描二維碼的方式建立臨時(shí)API接口，且數(shù)據(jù)讀取權(quán)限具有一定限制，且無(wú)法直接對(duì)充電樁的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。

3 總結(jié)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)充電樁的基礎(chǔ)上對(duì)其系統(tǒng)架構(gòu)、核心技術(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，從而滿(mǎn)足了無(wú)人值守充電站的建設(shè)目標(biāo)。智慧充電樁控制系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著較強(qiáng)的依賴(lài)性，通過(guò)完善系統(tǒng)功能模塊，明確以數(shù)據(jù)、接口為支撐的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，將顯著提升基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧充電控制系統(tǒng)的可靠性、有效性，保證充電樁和車(chē)載電池安全。