浅谈基于物联网技术的新能源电动汽车充电桩智能管理研究

摘 要：随着新能源汽车的不断发展，新能源汽车产业链的完善成为关键。充电桩作为新能源汽车补充电量的装置，与新能源汽车互联互通，因此，实现充电桩的智能化是重要的发展趋势。该文在对新能源汽车充电桩的运维现状及物联网技术的应用优势进行分析的基础上，构建基于物联网技术的新能源汽车充电桩智能管理系统，为新能源汽车充电桩设施的智能管理提供新的思路和方向。

关键词：物联网技术；新能源汽车；充电桩；智能管理系统

0 引言

充电桩是为新能源汽车提供电能的装置，当前的市场需求日益增加。为满足用户的充电需求，提高充电桩运行的安全性、稳定性，搭建可用来管理和监控充电桩运行情况的智能管理平台是行业发展趋势中。物联网技术利用传感器等末端设施对数据进行收集，通过特定的技术对数据进行传输和处理能在物与物、人与物之间建立紧密的联系，其关键技术能实现充电设施运维过程中对运行数据的实时监控并提供有效辅助的运维决策。将物联网技术应用到新能源汽车充电桩智能管理系统中，是实现充电桩智能化的有效路径。

1 新能源汽车充电桩运维现状

目前，由于新能源汽车充电桩的铺设总量有限新能源汽车车主普遍存在“充电焦虑”的问题。在有限的充电设施的基础上实现充电桩的运维是促进新能源汽车产业与基础设施体系协同发展的关键举措。

新能源汽车充电桩运维过程中存在信息滞后及运维不及时的问题。信息滞后指的是充电桩使用过程中，其运行数据无法及时更新，使得充电桩的使用情况无法更新到用户端，导致充电桩的资源利用率不高，车主充电的便利性偏低。运维不及时意味着当充电桩出现问题时，不能根据问题的类别进行不同等级的判定，以及采取灵活的决策。此外，充电桩所处环境大多为户外，受天气影响较大，当出现暴雨、大风等*端天气时，充电桩的数据传输容易出现问题，并且部分充电桩建设在较为偏僻的地方，存在通信不畅通的问题口。可见，要实现充电桩的运维，应提高充电桩的信息化水平，拓展大数据辅助运维决策功能，提升数据传输和使用过程中的可靠性和安全性。

2 物联网技术在新能源汽车充电桩智能管2理系统中的应用优势

新能源汽车充电桩智能管理系统可利用物联网关键技术中的先进传感技术、大数据技术及通信技术实现智能化管理。物联网技术在推动系统智能化的过程中，具有3方面优点。

*一，物联网技术中的双向通信技术能实现物与物、人与物之间的紧密联系，将其应用到新能源汽车充电桩智能管理系统中，能够提高充电设备与设施间的信息传输能力、用户及运维人员与充电桩的交互能力、数据采集和传输的效率。当充电站中的充电桩出现问题时，充电桩智能管理系统可以对充电桩运行数据的变化进行跟踪，及时发现问题判断出问题的发生位置和类型，再由系统进行判定并将具体的问题进行报送。运维人员收到告警信息后，可根据具体情况进行实时处理。

*二，物联网技术中的大数据技术有*强的数据处理和分析能力，可对充电桩的故障进行分析根据实际情况分级报送，并提供辅助运维决策，实现对充电桩的智能化管理。例如收集检测到的充电桩正常运行时的数据，在系统中定期与各类问题数据库中的数据进行对比，对可能发生的故障进行预测，提高系统的预见性功能。

*三，物联网技术中的数据加密技术可对传输的信息进行加密防护，以便在发现有试图攻击充电桩智能管理系统的恶意软件时，对企图获取用户个人信息的行为进行拦截，并对情况进行报送。另外，在数据传输的过程中，信息安全技术可对系统的数据进行加密，防止信息泄露事件的发生，进一步提高系统的安全性。

将物联网技术应用到新能源汽车充电桩智能管理系统中，能有效改善目前新能源汽车充电桩运维过程中存在信息滞后及运营维护不及时的问题，有利于提高充电桩的使用率，增加经济效益，是推动充电桩设施智能化发展的有效举措".

3 基于物联网技术的新能源汽车充电桩智能管理系统总体设计

3.1 系统总体框架

综合考虑新能源汽车充电桩智能管理系统在可靠性、实时性、安全性和经济性方面的发展需求将物联网技术应用到充电桩的智能管理系统中，建立基于物联网技术的“云、边、端”3 层式充电桩智能管理系统。系统的总体框架如图1所示。

图 1 充电桩智能管理系统总体

“云”是主站云平台，是一个远程的数据处理中*，可以储存大量的数据，并通过物联网技术对复杂数据进行处理，以提供更加有效的信息，并将结果反馈给终端设备和边缘服务器，提升整个系统的智能化水平。“边”是边缘计算，指的是靠近终端设备的边缘服务器，能快速对终端设备的数据进行处理和分析，并将处理结果发送到终端设备。“端”是终端设备，在充电桩智能管理系统中，终端设备有充电头、霍尔电流传感器、超声波传感器、摄像头:计量装置等。这些设备对数据进行收集和处理，同时将有效数据上送到边缘服务器，为完成用户及运维人员的交互奠定基础。

3.2 终端设备的数据采集

终端设备对数据的采集是整个充电桩智能管理系统中的重要一环。*一，从保证充电桩正常供电的角度来看，终端设备能够监控充电桩的运行状态收集充电桩的充电情况，便于及时发现充电桩异常。*二，从提高智能管理系统可靠性的角度出发，收集充电桩的充电数据，包括充电的电量总数、充申收取费用的金额、充电时长的统计等，为合理分配资源提供重要依据。*三，从优化用户体验考虑对接使用车主的用户信息，调取车主的充电记录包括充电汽车的型号、充电地点、充电时段、充电续航需求等，以了解车主用户的消费习惯，提高对用户的服务质量。

3.3 边缘服务器的架构模型

当前的智能管理系统多采用集中式云平台架构模型，如图2所示，各终端设备将测量的运行数据传送到云平台，由云平台进行数据分析后才能传回终端设备，并进行相应的动作，适用于对运行数据的传输速度要求低且运行数据较少的场合。

图 2 集中式云平台架构模型

为满足新能源汽车车主的充电需求，充电桩的数量多且运行数据庞大，传统的集中式云平台架构模型已无法满足对运行数据实时监控的需求，通过研究选用分布式的边缘服务器架构模型，如图3所示。终端设备将测量的运行数据传送到边缘服务器由边缘服务器对数据进行分析后将处理结果传回终端设备，同时边缘服务器还承担将处理的数据及结果上送到主站云平台的任务，以便云平台对相关数据进行进一步分析和储存入库。分布式的边缘服务器架构模型与新能源汽车充电桩的实际情况适配，能提高充电桩智能管理系统的处理效率，提供更加便利的充电服务。

3.4 主站云平台的大数据应用

要对充电桩进行智能化的管理，就要有效处理充电桩在运行过程中产生的类型丰富且几杂的大量数据，普通的数据处理技术不能达到这一要求，但大数据技术与这种情况适配:数据集成管理技术能有效进行海量数据的存储人库，数据挖掘技术可对海量运行数据进行关系分析并提供有效的运维决策，数据处理技术可实现大量数据的实时分析与处理。将大数据技术应用到充电桩智能管理系统的主站云平台中，能实现各类充电桩的运行状态监测并对监测到的数据进行分析判断，实现及时的故障预警、告警和报警通知，从而提高充电桩的运维效率。

图 3 分布式的边缘服务器架构模型

4 基于物联网技术的新能源汽车充电桩智能管理系统运行原理

充电桩智能管理系统利用终端设备对充电桩的运行信息、环境信息、充电数据信息等进行实时监控，并将数据通过以太网、5G通信上传到边缘服务器。如图4所示，当充电桩需要进行升级、启停或出现故障时，边缘服务器会根据收到的数据信息将处理方式反馈到终端设备就近进行处理，并将相关信息上传到云平台，云平台对收集到的数据进行辨识，分类别存储到数据库，便于后续的大数据分析。当出现问题的边缘服务器无法进行修复时，云平台的数据管理中*将会进一步对当前情况进行评估，并将评估结果及相应的数据报送给App，进而报送给运维人员，实现人机的交互。主站云平台应用的大数据技术，使充电桩智能管理系统具有完善的保护功能，如过压保护、欠压保护过流保护、短路保护、过温保护、输出反接保护急停功能等，并通过实时检测的充电桩动态数据实现主动防护，保护电池安全，充分提高整个系统的安全性、可靠性。

图 4 充电桩智能管理系统拓扑结构

5 安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

5.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

5.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

5.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据中*层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据中*层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

5.4安科瑞充电桩云平台系统功能

5.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

5.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。

5.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

5.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

5.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

5.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

5.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送。

5.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

5.5系统硬件配置

6 结束语

从新能源汽车充电桩运维现状出发，分析将物联网技术应用到充电桩智能管理系统中的优势，结合充电桩智能管理的发展需求，建立基于物联网技术的“云、边、端”3层式充电桩智能管理系统，实现可靠性强、实时性好、安全性高和经济性佳的充电桩智能化管理的运维系统设计。但在构建充电桩智能管理系统时，仍有可能出现未考虑到现场干扰因素影响数据采集的情况，后续应根据特殊环境的个例情况对整个充电桩智能管理系统进行一定的优化，并搜集现场出现的典型现实案例，对数据进行分析后，将其传人数据处理中*，完善数据库，以增强整个智能管理系统的实际应用性。

参考文献:

[1] 付若琪,薛婧怡,郭玉琦,等.中新能源汽车充电桩设施发展现状及建议[J].时代汽车,2024(8):130-132.

[2] 张小莉,何艳.基于物联网技术的能源数据服务平台[J].电气传动自动化 ,2023(2):59-63.

[3]安科瑞企业微电网应用手册2020.06版.

[4]张 洋,张清小.基于物联网技术的新能源汽车充电桩智能管理系统研究[J].