徐秋霞
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：為了解決城市居民小區(qū)的電動自行車、電動慢速車、電動汽車等電動車充電面臨的充電模式單一、支付手段單一、充電設施缺乏有效運營管理和充電設施無法實現共享等問題，提出了構建小區(qū)電動車充電服務平臺的設想。通過小區(qū)電動車充電服務平臺總體目標、方案、架構和關鍵技術領域的分析探討，提出了小區(qū)電動車充電服務平臺技術解決方案，通過小區(qū)電動車充電服務平臺網站及手機 APP 的示范應用解決了小區(qū)電動車充電面臨的問題。示范應用結果表明，居民小區(qū)電動車充電服務平臺技術方案有效地解決了小區(qū)充電面臨的問題，為居民小區(qū)電動車充電服務業(yè)務發(fā)展提供了重要的理論依據和應用探索，具有重要的研究和應用價值。
關鍵詞：電動自行車；電動慢速車；小區(qū)；充電服務平臺；手機 APP
隨著我國電動汽車產量的快速攀升，國家對電動汽車充電設施建設的布局規(guī)劃逐步明晰，社會多元化資本的投入不斷加大，多種充電創(chuàng)新服務商業(yè)模式不斷探索實踐，城市居民小區(qū)建設充電樁成為整個社會關注的熱點。
在我國 2015—2020 年電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南中，分場所建設目標已經明確了在居民小區(qū)等單位內部停車場建設超過 150 萬個用戶專用充電樁，因此居民小區(qū)與使用者居住地充電成為電動汽車補給能源的主要方式，但這種模式目前存在以下問題：
1)居民小區(qū)面向電動自行車/電動三輪車、電動慢速車等電動車提供充電服務的充電設施，存在充電模式單一、支付手段單一，同時充電設施缺乏有效的運營管理和服務共享模式，充電設施無法實現共享，存在信息孤島。
2)居民小區(qū)個人停車位和公共停車位自建的充電樁僅僅是自用，充電設施的利用率低，造成充電資源浪費，并且相對于公共充電站而言，居民小區(qū)個人自建的充電樁缺乏專業(yè)的運維管理，難以實現基于互聯網/移動互聯網的遠程智能化服務和統一管理。
3)居民小區(qū)建設充電樁，對整個小區(qū)而言引入了新的用電負荷，造成居民小區(qū)已有供電容量不足， 需要綜合考慮居民小區(qū)已有配電容量、小區(qū)負荷用電特性、電動車充電特性和車主用戶充電習慣與需求等多種因素，實現居民小區(qū)已有用電需求和新增電動汽車充電需求的能源生態(tài)平衡。
針對上述問題，如何快速尋找解決對策和方案成為制約小區(qū)電動車充電服務發(fā)展的關鍵因素。
以居民小區(qū)為基本單位，基于互聯網和移動互聯網，結合居民小區(qū)電動車(電動自行車/電動三輪車、電動慢速車、電動汽車)的充電需求，提出涵蓋交直流充電設施系統集成、監(jiān)控與運營管理和公共服務平臺的三級架構居民小區(qū)電動車充電整體解決方案，構建居民小區(qū)電動車充電服務平臺(以下簡稱小區(qū)充電平臺), 通過信息互動、協調一致的就地控制策略以及智能化的服務和消費引導，解決居民小區(qū)電動車充電設施存在的充電模式與支付手段單一、缺乏有效的運營管理和服務共享模式等問題， 從而提高充電設施的利用率，實現充電設施智能化的遠程服務和統一管理。
1小區(qū)充電平臺需求
居民小區(qū)充電設施服務的車輛類型眾多，包括電動自行車、電動三輪車、電動慢速車、電動汽車等，需要從電動車輛的運行特點、車輛的充電模式、充電接口及支付方式等多個方面進行充電需求分析，為后續(xù)居民小區(qū)充電平臺提供必要的支撐。
1)電動自行車：晚上集中停放充電，白天存在補電的情況，需要交流慢速充電模式、充電接口220 V/AC、配套充電適配器 48 V/10 A、充電功率100~350 W、充電卡支付方式等。
2)電動三輪車：晚上集中停放充電，白天存在補電的情況，需要交流慢速充電模式、充電接口220 V/AC 、 配套適配器 60 V/20A 、充電功率500~1400 W、充電卡支付方式等。
3)電動慢速車：晚上集中停放充電，白天存在補電的情況，需要交流慢速充電模式、充電接口220 V/AC 、配套適配器 60 V/20 A 、充電功率2 kW~3 kW、充電卡或者手機掃描支付方式等。
4)電動汽車：私家車隨時隨地充電，需要隨時家電動汽車為例，分析充電需求與設施需求間的關系。根據家庭出行調查數據對私家車充電需求進行分析，如表 1 所示。
表1 私家車出行目的頻率統計表
Table 1 Frequency statistics of private car trip purpose
從表 1 可以看出，工作日和雙休休息日目的有較大區(qū)別，6 類目的之和達到 90%，居家停車占 30% 左右，有 40%的停車集中在工作、購物、公共休閑場所。
對表 1 中主要出行目的平均單次行駛里程進行統計及目的地的平均停車時間進行統計(以工作日為例)，如表 2 所示。
表2 私家車平均里程及停車時間統計表
Table 2 Average mileage and parking time statistics of private cars
目前，交流慢充功率以 3.3 kW 和 7 kW 為主，
其中住宅小區(qū)充電功率以 3.3 kW 為主，戶外公共充
電樁則 3.3 kW 和 7 kW 并存�，F階段電動乘用車百公里耗電多集中于 10~20 kWh，住宅區(qū)充電功率取為 3.3 kW，其余區(qū)域為 7 kW，折算后的單程平均耗電量與停車期間平均可補充電量如表 3 所示。
表3 私家車平均耗電量及可停車期間補充電量統計表Table 3 Average power consumption of private cars and the statistics of supplementary electricity during the parking period
從表 3 分析可看出，私家車在一次停車過程中， 慢速基本上可補充上一次行駛所消耗的電量，結合淺充淺放對電池的有益效果，建議私家車采用目的地分散充電形式補充電量，當有范圍足夠廣的小區(qū)分散充電網絡作為支撐時，可使私家車在頻繁停車地點找到相應的充電設施進行電量補充。私家車適宜采用慢充為主進行充電。住宅區(qū)是主要的充電地點，但是僅在住宅區(qū)進行充電無法滿足所有用戶一日的出行需求，因此，需在日間頻繁停車區(qū)域建設一定數量的充電設施。
2小區(qū)充電平臺方案設計
2.1總體目標
小區(qū)充電平臺通過掌握居民小區(qū)電動車充電需求與分析技術，提出了涵蓋交直流充電設施系統集成、監(jiān)控與運營管理和公共服務平臺的三級架構小區(qū)電動車充電整體解決方案，滿足居民小區(qū)電動車充電設施的建設與運營管理需求；通過基于“互聯網+二維碼”的移動 APP 充電技術，解決了目前小區(qū)充電模式單一、支付手段單一的問題；通過基于互聯網+的充電樁遠程運維管理技術，解決了目前小區(qū)充電設施缺乏有效的運營管理模式問題，解決了個人自建的充電樁缺乏專業(yè)的運維管理，難以實現基于互聯網/移動互聯網的遠程智能化服務和統一管理問題，通過設計居民小區(qū)電動車有序充電策略，實現了居民小區(qū)電動車有序充電。滿足小區(qū)電動車有序充電需要，實現充電設施的優(yōu)化利用，如圖 1 所示。
2.2總體方案設計
小區(qū)充電平臺系統涵蓋了從“端”到“云”兩個層次的設計內容。端層指的是電動汽車充電樁/ 群，云層則是面向“互聯網+充電樁”的公共服務平臺；同時在端層和云層之間組建充電樁有線/無線GPRS/3G/4G 網絡通道，通過移動/公共互聯網，采用標準開放的充電設施接入協議將充電樁/群接入小區(qū)充電服務平臺。
小區(qū)電動車充電設施通過公共互聯 網(Internet)，采用基于 Internet 的充電設施開放接入協議接入充電系統。每個充電樁通過智能控制器與系統進行安全認證、充電消費結算、狀態(tài)監(jiān)視等信息交互。對于散布充電樁，智能控制器通過無線 GPRS/3G/4G 上網與系統進行通信；對于群布充電樁(或者充電站)，智能控制器通過集中的上網設備(ADSL、光纖上網等)與系統進行通信。
充電運營管理者使用手機 APP 或者 PC 瀏覽器對充電設施進行監(jiān)控；電動汽車充電用戶使用手機APP 或者 PC 瀏覽器搜索并查看充電樁狀態(tài)，如圖2 所示。
圖 2 小區(qū)電動車充電平臺系統圖
Fig. 2 Platform architecture of energy charging system
2.3關鍵技術及方案
基于上述系統方案設計，采用移動 APP 充電技術、充電樁遠程運維管理技術和小區(qū)電動車與配網互動的有序充電技術，提出了目前小區(qū)電動車充電存在問題技術解決方案。
2.3.1基于“互聯網+二維碼”的移動 APP 充電技術， 解決小區(qū)充電模式單一、支付手段單一的問題
小區(qū)充電用戶利用手機掃描充電樁上的 APP 二維碼下載 APP 并安裝，通過手機 APP 注冊到小區(qū)充電站系統，并通過微信或支付寶自助完成賬戶的充值，充電用戶用充電線纜將電動車與充電樁連接后，充電用戶直接掃描充電樁上充電接口端的充電二維碼，完成支付同時對充電樁開啟充電，通過該技術解決了目前小區(qū)充電模式單一、支付手段單一的問題，同時通過該技術方案減少了充電用戶充電的操作次數，提升了充電用戶充電過程的體驗， 提高了充電服務水平。
2.3.2基于互聯網+的充電樁遠程運維管理技術，解決目前小區(qū)充電設施缺乏有效的運營管理模式
充電運營商通過小區(qū)充電站系統遠程進行充電樁的配置升級維護、遠程更新升級軟件、遠程診斷充電樁的預警故障信息，同時小區(qū)充電站系統通過運維人員手中的運維 APP 下發(fā)檢修工單并及時通知運維人員，運維人員在運維工作完成后將充電樁檢修的結果上報。該技術解決了目前小區(qū)充電設施缺乏有效的運營管理模式問題，解決了個人自建的充電樁缺乏專業(yè)的運維管理，難以實現基于互聯網/移動互聯網的遠程智能化服務和統一管理，同時通過該技術方案降低了充電樁運行維護成本，提高了充電樁運維能力水平。
2.3.3小區(qū)電動車與配網互動的有序充電技術，解決小區(qū)新建設充電樁引入了新的用電負荷，造成居民小區(qū)已有供電容量不足的問題。
通過設計限制功率和充電用戶優(yōu)先級的算法策略，實現小區(qū)電動車與配網間協調互動功能。該系統通過能源互聯充電終端采集并實時分析小區(qū)配用電特性，追蹤出小區(qū)配電臺區(qū)除小區(qū)用電負荷以外的限制功率，結合電動車主的充電時間和電動車的SOC，利用限制功率和充電用戶優(yōu)先級算法，動態(tài)調整電動車有序充電。該技術解決了居民小區(qū)新建設充電樁，對整個小區(qū)而言引入了新的用電負荷， 造成居民小區(qū)已有供電容量不足的問題，同時通過該技術方案實現居民小區(qū)已有用電需求和新增電動汽車充電需求的能源生態(tài)平衡。
3小區(qū)充電平臺功能設計
小區(qū)充電平臺對外提供三大板塊功能：一是向社會公眾發(fā)布充電設施運行及運營信息，主要包含充電設施分布及狀態(tài)監(jiān)測、車主手機 APP 下載服務、平臺服務幫助、資訊活動等；二是向充電車主提供充電預約、充電導航、充電狀態(tài)管理等快捷方便的充電服務；三是向充電運營商提供設施監(jiān)控、發(fā)卡管理、充電收益等經濟方便的互聯網充電設施監(jiān)控運營服務。
小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施 GIS 全景檢測、充電設施狀態(tài)實時監(jiān)視及報警、運營商管理、充電用戶管理、充電設施運營管理功能等功能。
3.1充電設施 GIS 全景監(jiān)視功能
充電基于 GIS 技術搜索和監(jiān)視充電設施的運行工況，通過充電設施名稱、運行狀態(tài)、距離范圍等多種組合條件搜索。
3.2充電設施實時監(jiān)視報警功能
實時監(jiān)視充電設施運行工況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流、充電樁告警信息等。
3.3運營商管理功能
通過互聯網，系統平臺建立運營商基礎賬戶， 運營商利用該基礎賬戶建立和管理其運營所需的其他賬戶及其權限管理(系統管理員、設施及客戶管理員、發(fā)卡管理員、監(jiān)控管理員、財務管理員等)。
3.4充電設施運營管理功能
通過系統平臺，從充電站點、充電設施、充電用戶、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易詳細信息、充電交易統計信息。
3.5充電設施信息交互和監(jiān)控
從“運營商”、“充電站點”、“充電設施”三個層次實現對充電設施的全面監(jiān)控。完成充電設施充電狀態(tài)、運行信息、故障和告警信息、充電交易信息、充電控制命令信息、設施收費策略信息等的交互。
3.6充電用戶管理功能
充電用戶通過用戶手機 APP 注冊、充值、查詢賬戶余額；用戶基本信息維護；已注冊用戶的信息查詢和分組管理。充電卡的用戶綁定、發(fā)卡、充值、解灰、退卡、綜合業(yè)務查詢、收支明細查詢、操作記錄查詢、充電記錄查詢等管理。
4小區(qū)充電平臺模式創(chuàng)新
4.1“互聯網+充電樁”的充電運營服務模式
充電用戶利用手機 APP，方便快捷地掃描充電樁上的二維碼，并完成支付同時對充電樁開啟充電， 此種模式減少了充電用戶充電的操作次數，提升了充電用戶充電過程的體驗，提高了充電服務水平。
4.2基于“互聯網+”的充電樁遠程智能診斷模式
充電運營商通過運維平臺遠程實時診斷充電樁預警故障信息，同時通過運維 APP 通知運維人員，運維人員在運維工作完成后將結果上報。此種模式降低了充電樁運行維護成本，提高了充電樁運維能力水平。
5小區(qū)充電平臺示范應用
小區(qū)充電平臺已成功在河南省許昌市電動汽車智能充電服務網絡項目中上線運行，目前已接入包括廣匯君悅城、駿景中央公園等 6 個居民小區(qū)的共72 套充電設施，該小區(qū)充電平臺支持手機掃描和充電卡兩種充電方式，已注冊充電用戶近 500 人。
傳統小區(qū)充電系統主要指小區(qū)充電樁，整個系統封閉，沒有上層服務系統，全部采用離線充電卡方式進行充電，用戶通過物業(yè)公司辦理充電卡，無法實現自動結算，不同小區(qū)充電樁無法實現充電共享；新型充電平臺主要包括充電樁和上層充電服務系統兩個部分，支持用戶充電 APP 方式，支持微信、支付寶等多種支付方式，用戶無需通過物業(yè)可通過手機自助辦理開戶充值業(yè)務，用戶能夠跨小區(qū)充電， 并且小區(qū)充電服務平臺自動完成結算，無須人工參與；下面通過充電方式、支付方式、運維管理、設施共享及有序充電等方面對比分析傳統小區(qū)充電系統與新型小區(qū)充電平臺，如表 4 所示。
表4 傳統充電系統與新型充電平臺對比表
Table 4 Comparison of traditional charging system with new charging platform
與傳統的小區(qū)充電相比，該系統設計具有明顯的技術優(yōu)勢和廣闊的推廣應用價值，通過手機充電APP 及運營管理網站向居民小區(qū)電動車使用者提供各類充電服務，隨著電動汽車數量的增長，系統應用必將朝著更加全面、便捷、人性化的方向不斷發(fā)展，為用戶帶來更加舒適、完美的使用體驗。
5.1 小區(qū)充電服務配套 APP
小區(qū)充電手機 APP 為個人用戶提供基于移動互聯網的電動車充電信息共享與支付服務，實現了包括我要充電、充電網絡、個人中心三大功能。“我要充電”主要包含充電導航、預約充電、充電狀態(tài)等功能；“充電網絡”主要包含資訊、用戶提醒等功能；“個人中心”主要包含賬戶充值，充電卡查詢、交易查詢、個人設置等功能。如圖 3 所示。
圖 3 手機APP 充電應用圖
Fig. 3 Mobile APP charging navigation query
5.2 小區(qū)充電服務平臺
小區(qū)充電平臺實現了電動汽車用戶、充電運營商、小區(qū)物業(yè)管理者等多方需求信息互動共享的深度融合。通過充電信息和交易服務的互聯互通，推動多方需求開放共享、靈活轉化、智能協同，如圖4 所示。
圖 4 小區(qū)充電服務平臺網站應用圖
Fig. 4 Application of residential charging service platform website
6安科瑞充電樁運營管理平臺
安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進行監(jiān)控；實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效預警；實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等，提供相關異常數據，實現電動車充電安全管理的網絡化、可視化。
① 安全預警
對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發(fā)出報警信號，及時消除火災隱患。
② 交易結算管理
平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。
③ 充電服務
可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電。
④ 運營分析
對訂單進行數據化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據，并支持和第三方平臺對接。
⑤ 微信小程序
可通過微信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。
充電樁型號
ACX10A-YH
(1)可同時充10輛電瓶車。
(2)尺寸空間大，投幣箱容量大，內部空間充裕，具備充足的電氣穩(wěn)定性。
(3)實體按鍵設計，手感實在，使用壽命長。
(4)顯示投幣數、IC刷卡次數、IC卡余額，卡內余額語音播報。
(5)每次扣費和充電時間可調，可多次投幣刷卡，充電時間自動累計。
(6)可根據客戶需求開通免費充電功能、月卡功能和刷卡退費。
(7)可使用微信支付、支付寶支付、APP 支付。
(8)自動識別出現故障的線路，并伴有字母和語音提示。
(9)具有斷電記憶功能，當出現斷電，來電后可以繼續(xù)使用剩余的時間充電。
(10)具有拔掉斷電功能，當用戶拔掉充電器，及時自動斷電。
(11)具有充滿自停功能，自動檢測電瓶車充電狀態(tài)，如充滿則停止供電，計費時間清零。
(12)具有過載保護功能，能識別大功率電器，自動暫停供電，防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電。
(13)具有短路保護功能，當出現短路，保險絲熔斷確保穩(wěn)定。
(14)具有按功率給時間功能，根據檢測到的功率，按照設定時間開啟充電。
(15)可選配聯網煙感，當出現火情，可發(fā)送短信給指定責任人。
(16)過溫保護功能，當檢測機箱溫度過高，停止充電。
(17)夜間斷電功能，可設定夜間整機斷電黑屏，禁止夜間充電。
(18)遠程抄表，485電表數據采集上報。
7結論與展望
本文從當前居民小區(qū)電動車充電面臨的問題出發(fā)，通過小區(qū)電動車充電需求分析，采用居民小區(qū)電動車充電共享的理念，研究設計的居民小區(qū)電動車充電服務平臺，對當前電動汽車推廣發(fā)展具有及其重要的意義。
1)提供了多種充電方式和支付方式，實現了小區(qū)充電設施的共享，同時實現了跨小區(qū)充電，構建了充電用戶和充電服務運營商、充電設施投資者和充電設施供應商間的信息交互橋梁。
2)解決了居民小區(qū)充電設施利用率低，缺乏專業(yè)的充電樁運維管理，實現了基于互聯網/移動互聯網的遠程智能化服務和統一管理。
3)考慮了小區(qū)負荷用電特性、電動車充電特性和車主用戶充電習慣等因素，滿足小區(qū)已有用電需求和新增電動車充電需求的能源生態(tài)平衡。
通過居民小區(qū)電動車充電服務平臺的設計研究， 搭建了小區(qū)電動車充電用戶間的設施共享平臺，很好地解決了小區(qū)電動車在推廣發(fā)展過程中的各種瓶頸問題，加強了產業(yè)各方的互通互動。建設好面向居民小區(qū)電動車充電服務平臺，對電動汽車在國內的迅速普及與健康發(fā)展具有至關重要的作用。
參考文獻
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[2]李洪峰,陳志剛,郭葳,徐石明,蘇杭,小區(qū)電動車充電服務平臺技術方案探討
[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2019.11版
作者簡介：徐秋霞，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發(fā)和應用，Email:2885208035@qq.com，手機：18702112087，QQ:2885208035
