基于云平臺的電動汽車充電管理主站研究

／石家莊科林電氣股份有限公司 張成鎖／

基于云平臺的電動汽車充電管理主站研究

／石家莊科林電氣股份有限公司 張成鎖／

隨著電動汽車的普及，充電難的問題越來越凸顯，本文提出了采用云平臺的方式進行管理，詳細講解了整體思路、技術(shù)方案、關(guān)鍵技術(shù)、實施效果，并簡述了系統(tǒng)主站各個組成部分及各自的作用，為充電管理系統(tǒng)的搭建運行提供了必要的技術(shù)依據(jù)。

云平臺；電動汽車；充電管理

0 引言

目前，新能源汽車已進入“十三五”開局之年，據(jù)統(tǒng)計，截至2016年4月，國家及地方共出臺新能源汽車相關(guān)政策58項，其中國家出臺15項，地方出臺43項。現(xiàn)在，公共充電設(shè)施數(shù)量不足、分布不均等問題仍制約著我國新能源汽車的發(fā)展。在全球能源危機和環(huán)境危機嚴重的大背景下，我國政府積極推進新能源汽車的應(yīng)用與發(fā)展，合理分配電動汽車充電資源具有非常重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 總體思路

通過管理云平臺，實現(xiàn)對分散在全國各地的充電樁進行數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠程維護，并支持遠程參數(shù)設(shè)定、遠程升級，實現(xiàn)智能管理、智能運營、智能監(jiān)控。支持PC瀏覽器、手機/平板APP客戶端接入訪問，在線查看充電樁狀態(tài)信息。基于在線地圖的圖層標(biāo)注、定位技術(shù)，實現(xiàn)充電站（樁）在線顯示、查詢及導(dǎo)航功能。

1.1 需要解決的問題

1）實現(xiàn)動態(tài)接受大量充電樁同主站的連接，保證海量數(shù)據(jù)的可靠接入；2）互聯(lián)網(wǎng)云平臺有方便快捷的特點，同時也有非法登錄、惡意破解等網(wǎng)絡(luò)問題，如何保證身份合法性，保障系統(tǒng)安全性；3）個人車主查詢充電站、自動設(shè)置導(dǎo)航路線，解決找樁問題；4）通過采集監(jiān)測充電樁、充電站及整個線路的用電負荷，由管理云平臺引導(dǎo)用戶到負載較輕線路充電，實現(xiàn)線路的負載均衡。

1.2 研究內(nèi)容

1）研究負載均衡和服務(wù)器集群技術(shù)，保證海量數(shù)據(jù)的安全接入。2）研究在線地圖的圖層標(biāo)注、定位技術(shù)，充電站（樁）在線顯示、查詢及導(dǎo)航功能。3）研究動態(tài)隨機短信驗證+IP注冊授權(quán)雙重模式技術(shù)，確保系統(tǒng)安全性。4）研究手機等移動客戶端 Android/iOS開發(fā)技術(shù)，基于支付寶、微信錢包的在線安全支付、充值。5）研究費控及結(jié)費技術(shù)，保證充電樁計費準(zhǔn)確性。6）研究充電樁、充電站及整個線路的用電負荷，實現(xiàn)電網(wǎng)線路的負載均衡。7）研究SM1加密技術(shù)，保證充電樁用戶卡及傳輸數(shù)據(jù)安全性。

2 技術(shù)方案

系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

采集服務(wù)器集群：采用負載均衡動態(tài)連接的方式，通過互聯(lián)網(wǎng)采集現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)。其中，負載均衡服務(wù)器收到充電樁的連接請求后，通過負載算法動態(tài)分配連接的采集服務(wù)器，保持采集服務(wù)器負載均衡，不至于滿負荷運轉(zhuǎn)導(dǎo)致癱瘓。采集服務(wù)軟件動態(tài)接受遠程連接后，首先通過充電樁地址和校驗密鑰驗證來連接數(shù)據(jù)的合法性，避免非法惡意連接，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不安全。

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器：采用MySQL數(shù)據(jù)庫，基于MySQL Cluster集群技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并發(fā)存儲。通過MySQL Cluster集群技術(shù)，可解決數(shù)據(jù)庫訪問、存儲并發(fā)瓶頸問題，通過增加服務(wù)器來擴大集群，增加并發(fā)處理節(jié)點，實現(xiàn)高速訪問，存儲處理，提高訪問效率。

支付服務(wù)器：通過與支付寶、微信合作，注冊為正式商戶，采用安全的支付接口，通過移動客戶端發(fā)起支付操作，在服務(wù)器端通過與支付寶、微信快速、安全的回調(diào)機制保證支付交易的原子性。

對賬服務(wù)器：定期從支付寶、微信系統(tǒng)獲取對賬文件，通過與系統(tǒng)中用戶的充值記錄對比，處理單邊帳記錄，對賬中心是對支付中心的一個驗證和有效補充，進一步確保交易數(shù)據(jù)的完整性。

計費服務(wù)器：車主掃碼并確認充電后，充電樁工作，定時上報用戶充電消費數(shù)據(jù)，通過APP可以查看到當(dāng)前充電電量、電費，充電結(jié)束后，由計費中心根據(jù)電量、峰谷電價，實時計算用戶消費金額、扣減用戶的剩余金額，并生成消費交易記錄，供歷史數(shù)據(jù)查詢，對賬使用。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

結(jié)算服務(wù)器：用戶充電后生成了對應(yīng)的消費交易記錄，系統(tǒng)定期計算加盟商的所有充電樁累計充電記錄，生成月結(jié)算報表，加盟商核對無誤后、由財務(wù)結(jié)算中心根據(jù)協(xié)議約定給加盟商打款。

充電樁運維管理Web：運維管理系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)進行在線發(fā)布，采用Tomcat 6.0作為Web服務(wù)應(yīng)用。負責(zé)建立充電樁通訊通道、費率檔案運營商檔案、操作員檔案。為充電樁運營商建立充電站、充電樁、參數(shù)設(shè)置、手工召測、工況查詢等維護信息。查詢車主充值、充電記錄、對賬查詢、結(jié)算查詢、掛失充電卡、車主狀態(tài)維護等工作。

充電樁門戶Web：門戶Web提供APP下載、加盟說明、充電樁規(guī)格；加盟商登錄后可以查詢充電樁當(dāng)前狀態(tài)信息、歷史充電記錄、資金對賬；車主登錄后可以完善個人信息、查詢充電記錄、充值記錄。

移動客戶端APP：APP提供自注冊賬號、完善本人信息、在線充值、在線充電、查詢充值記錄、查詢充電記錄、地圖導(dǎo)航、附近電站等。

整個互聯(lián)網(wǎng)+管理云平臺充分考慮了資金賬務(wù)的安全、惡意攻擊的安全性、大量數(shù)據(jù)接入、大量用戶訪問的并發(fā)性、處理效率等多方面問題，在安全性、可擴展性、高可靠性進行了充分考慮和論證。整個系統(tǒng)采用分布式、模塊化設(shè)計，可動態(tài)增加業(yè)務(wù)應(yīng)用而不影響已有應(yīng)用。軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖 2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

采用的技術(shù)：項目采用C++語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)處理等后臺應(yīng)用，采用Java語言、Jsp技術(shù)、Ajax異步訪問技術(shù)、HTTP通信技術(shù)、DIV+CSS網(wǎng)頁布局技術(shù)、JSP+Structs+Hibernat+Ajax開發(fā)架構(gòu)實現(xiàn)。

硬件設(shè)備：運營平臺包括采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、Web發(fā)布服務(wù)器，支付服務(wù)器、計費服務(wù)器、結(jié)算服務(wù)器、對賬服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機、負載均衡服務(wù)器、安全防御裝置、防火墻等若干設(shè)備。

現(xiàn)場設(shè)備：若干充電樁樁體及數(shù)據(jù)采集器設(shè)備。

3 關(guān)鍵技術(shù)

1）基于負載均衡服務(wù)器集群模式，構(gòu)建了采集、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)器集群的應(yīng)用架構(gòu)，保證海量數(shù)據(jù)接入的穩(wěn)定性、完整性。采用數(shù)據(jù)庫雙機冗余技術(shù)，實現(xiàn)熱備切換，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。2）采用充電樁計費、計費服務(wù)器扣費方式，充電樁實時算費，充電結(jié)束后由計費服務(wù)器統(tǒng)一運算、校驗、扣除交易金額、生成消費記錄。3）實現(xiàn)加盟商自動結(jié)算，根據(jù)充電流水賬單，自定義預(yù)設(shè)結(jié)算周期，結(jié)算服務(wù)中心定時自動結(jié)算運營費用給加盟運營商，并生成結(jié)算賬單。4）移動充值、監(jiān)測技術(shù)，通過支付寶、微信錢包接口實現(xiàn)手持設(shè)備充值業(yè)務(wù)，通過APP客戶端實現(xiàn)充電數(shù)據(jù)的在線顯示和查詢功能。5）有效監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，采集服務(wù)器實時更新充電樁在線狀態(tài)、充電/空閑狀態(tài)，自動為車主尋找周邊空閑充電樁，實現(xiàn)精確導(dǎo)航服務(wù)。6）安全的Web防御機制，通過“動態(tài)隨機短信驗證+IP注冊授權(quán)雙重模式”的安全認證模式，任何登入系統(tǒng)的操作員必須通過身份認證，保證用戶身份合法性，保障系統(tǒng)安全性。7）通過監(jiān)測用電負荷進行短期負荷預(yù)測，利用空余容量實現(xiàn)電動車智能充電管理。8）采集充電線路三相電流，智能安排電動車停放及充電次序，實現(xiàn)三相電流平衡調(diào)節(jié)。

4 實施效果

本項目基于云數(shù)據(jù)中心，通過互聯(lián)網(wǎng)采集充電樁的實時數(shù)據(jù)、運行工況。采用分時計費模式，實現(xiàn)錯峰用電，指導(dǎo)用戶合理用電，改善了局部電網(wǎng)運行質(zhì)量。通過遠程智能運維，方便了系統(tǒng)的調(diào)試，減少了充電樁升級的工作量。通過互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測分布式充電站當(dāng)前充電信息、運行信息、狀態(tài)信息、告警信息，實時發(fā)現(xiàn)、預(yù)測系統(tǒng)故障，把問題消滅在萌芽期。通過APP與充電卡雙模操作，實現(xiàn)雙路充電的無縫自動切換，給用戶帶來多樣性、可選擇性的充電體驗。

本系統(tǒng)的建設(shè)能夠有效推動電動汽車充電樁、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，解決電動汽車充電樁互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控維護困難的問題，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。智能化運維服務(wù)，保證充電樁高可靠、高質(zhì)量運行，同時能夠帶動充電樁相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。