阐述电动汽车充换电智能服务框架\与充换电服务网络建设

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摘要：本文介绍了电动汽车充换电服务网络的构架和运营方式，有一定参考价值。 关键词：电动汽车；充换电服务网络；分层设计

中图分类号： U469.72 文献标识码： A

1 引言

随着世界工业水平加速发展以及群众生活水平的不断提高，社会对汽车的需求量逐年增加；随着汽车产量和使用量的增加，社会对石油能源的依赖变得越来越严重。石油等不可再生能源的不断开采，将会带来能源枯竭，造成能源危机，与此同时，石油、煤炭等一次能源的消耗会增加碳的排放量，给环境保护带来挑战。为了减少石油等能源消耗，提高环境质量，汽车行业推出使用电池作为动力的电动汽车。随着电动汽车的发展，需要建设电动汽车的充换电服务网络为其提供电池充换电服务，这满足电动汽车运营的需求，为电动汽车发展提供基础保障。本文介绍了电动汽车充换电网络的整体架构，每一层的设计与实现，最后通过实际项目进行应用验证。

2 整体架构

电动汽车充换电服务网络通过智能电网、物联网和交通网的“三网”技术融合，实施信息化、自动化和网络化的“三化”管理，实现对电动汽车用户跨区域全覆盖的同网、同质和同价的充换电服务。电动汽车充换电服务网络按照分层设计方法将其分为终端层、网络层、系统层。

2.1 系统层

系统层主要有电动汽车运营管理系统，为电动汽车充换电服务提供全面业务管理和技术支持的软件系统，是实现电动汽车运营的必备要件。

2.2 网络层

网络层是连接终端层与系统层的纽带，其主要功能是实现电动汽车服务网络中各类站点（终端）与电动汽车运营管理系统的互联互通。

2.3 终端层

终端层是电动汽车实现运营的基础支撑，主要是指构成电动汽车充换电服务网络的基础设施及设备，包括电动汽车各类充换电站（集中充电站、电池配送站、电池更换站）、交流充电桩、电动汽车及其车载终端等设备。下文将重点阐述系统层、网络层及终端层中车载终端的设计与实现。

3 系统层设计

系统层的运营管理系统依托一体化数据交换平台和数据中心，完成国网总部、省之间的信息和数据交互，涵盖总部、省、地市和充换电站等四级应用，充分实现充换电服务网络运营的智能化管理，保障充换电服务网络运行高效、可靠、安全，为电动汽车提供智能、方便快捷的充换电服务。

3.1 系统物理部署架构

运营管理系统采用总部、省两级部署模式，能够符合总部、省、地市、站点不同层次运营管理的特点，满足统一建设、分步实施的要求，其物理部署架构设计如图 2 所示。

运营管理主要是监控和管理经营区域内电动汽车充换电服务网络的运营，汇集所辖区域的结算信息、运行信息以及客户信息等，并对这些信息提供海量存储。在深度分析的基础上，负责区域内全局性业务的决策和调度。同时，与营销业务应用系统、95598 供电服务系统、总部容灾系统以及 GIS 空间服务平台等进行信息交互的统一数据接口，并实现与英大智能支付卡系统的业务交互。

3.2 系统功能设计

运营管理系统，通过综合利用传感网、智能标签、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）和无线宽带移动通信等先进技术，实现对电动汽车、动力电池、充电设施网络等资产的在线监控和全寿命周期管理，提供包括客户管理等各项功能，提升电动汽车运营管理的智能化水平，优化资源配置，确保电动汽车充换电服务等相关业务高效运行。

根据电动汽车充换电的管理需求，并考虑系统相应的扩展功能，该系统将功能分成了15个模块，每个模块则由若干个子模块组成，其中的主要关键模块功能如下所述。

3.3 数据采集管理

数据采集管理主要负责换电站、充电站和充电桩的数据采集。数据采集的方式主要分为主站主动采集和充换电站（桩）主动上报两种。支持GPRS、CDMA或网络的通讯方式，使充换电站（桩）实现与主站通讯，进行数据采集。

（1）换电站数据采集。①采集充电机的工作状态、温度、故障信号、功率、电压、电流等；②采集电池组温度、SOC、端电压、电流、电池故障信号等；③采集电池更换站供电系统的开关状态、保护信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素、电能计量信息等；④采集电池更换设备的位置、工作状态信息。

（2）充电站数据采集。可以采集充电站站内充电机电能量数据及充电交易记录、站内充电桩电能量数据及充电交易记录、充电电池状态信息、站内配电设备状态、有源滤波器数据、站内电表电能量等实时数据，采集视频、门禁、烟感等设备的数据。

（3）充电桩。可采集停车场等社会单位的每个充电桩的电压、电流、工作状态、充电交易记录等。

3.4 实时监控

结合GIS平台，在地图中为用户直观展现充电站、换电站、充电桩和GPS的实时监控信息。

（1）充电桩实时监控。系统提供充电桩实时监控数据的展示和召测功能，方便用户直观了解充电桩最近的运行情况。可监测和查看充电桩的电压、电流、充电状态、充电交易记录等。

（2）充电站实时监控。可查看充电站内充电机、有源滤波器、视频、安防等设备的实时监控信息，主要功能包括：充电站计量信息、充电机信息、充电桩信息、配电监测信息、谐波监测信息、视频监控信息。

（3）换电监控。可查看充换电站内充电机、电池箱、有源滤波器、视频、安防等设备的实时监控信息。

（4）GPS监测。系统预留GPS接口功能，通过电动汽车或电池上加装的GPS和物联网模块，对车辆进行自动识别和行驶状态实施监测，对电池进行定位和动态监测，既实现里程计算的功能，又能够确保车辆和电池安全。

（5）实时报警。可实现充电设备的实时告警，可根据不同类型按级别进行报警处理。

3.5车载GPS监测

为实现“里程计费”的运营模式，在电动汽车（和电池）上加装了GPS和物联网功能模块，对车辆进行自动识别和行驶状态实施监测，对电池进行定位和动态监测，既实现里程计算的功能，又能够确保车辆和电池安全。

电动汽车运管理运营中心可通过GPRS网络，实时接收车载GPS或物联网通信模块发送的数据，实现数据的采集、处理、存储、显示、查询、告警等功能；同时实现对车辆和电池的GPS定位，在GIS地图上实现对车辆的跟踪、查询等功能。

3.6 计量计费管理

用户电动汽车充电、换电池等业务都会产生用电费用。同样，换电站、充电站、充电桩对于供电企业来说，是一个用电用户，也会产生用电费用。计量计费管理就是为了把各种用电用户所产生的费用进行集中管理、集中计费。汇总和分析各种收费数据，为用户提供各种费用综合报表。计量计费管理根据计费类型不同提供各种类型的计费方法，以满足不用用户的需求。

（1）充电计费。主要是进行整车充电时提供的一种计费方式，系统可查询充电机、充电桩或每张充电卡每次充电所产生的费用。系统可为汽车充电提供多种充电方式，如汽车充电时间、充电电量、充电金额等。系统将以当次充电电量以及当前充电电度单价来计算充电费用。

（2）换电计费。换电计费是为电动汽车提供换电服务的的计费方式。计费实现是在电动汽车行驶过程中，通过车载电池GPS模块的处理，记录电动汽车行驶的里程，在汽车进行电池更换时，系统将通过读取车载电池GPS模块的里程数，根据里程数进行用电费用计算。

（3）账务管理。以充电交易计费记录、换电交易计费录为数据基础，提供各种收费数据的查询、统计和分析。可提供按用户为单位、按充电机为单位、或按充换电站为单位进行交易费用汇总，生成各种交易报表。以便用户分析全局运营账务情况。

3.7 换电管理

换电管理是为确保客户换电过程的有序进行，换电过程不但需要换电站内相关工作员操作系统，还需要车主的配合。其中主要的是对电池的查询和状态修改、新增详细的换电记录、实时更新电池状态。

换电过程管理主要是能及时的监控到电池的状态变化，可以监控到电池在使用还是在库存，如果在使用也可以监控到给谁或者给哪辆车在使用，如果是在库存，也能及时了解电池充电是否完成，是充满状态还是充电未完成状态，能全局监控电池和充电情况。

4 网络层设计

根据各类站点（终端）的实际情况，网络层采用符合站点（终端）实际需求的通信方式，为充换电服务网络中信息数据交互提供通道。

4.1 通信网络架构

通信网络能够为用户提供城市区域、省内城际和省际城际区域无缝的电动汽车服务，覆盖总部数据中心、省级数据中心以及各类站点（终端）。

4.2 通信通道设计

对各类站点（终端）的部署位置、通信需求进行综合分析，设计集中充电站、电池更换站、电池配送站、充电桩等的通信通道。

（1）集中充电站通信通道。集中充电站一般在 110/220 kV 变电站附近，该类站点作为电池集中充电和供应站点，数量较少，对安全性和实时性要求较高，采用自建光纤网络方式就近接入电源引入的 110/220kV 变电站传输网络节点。

（2）电池更换站通信通道。电池更换站分为城区和高速公路两种，城区电池更换站一般在交通枢纽、公共服务设施附近，高速公路电池更换站一般在服务区。电池更换站对安全性和实时性要求高，应采用自建电力光纤通信网络方式接入具备通信资源的 110/220 kV 变电站、35 kV 变电站和 10 kV 开闭所节点。对确实不具备自建网络条件的站点，可临时租用公网专线进行组网，在省级数据中心实现接入。

（3）电池配送站通信通道。电池配送站是电动汽车运营的末端服务站点，数量较多，分布在社区的公共停车场、公共设施附近，对安全性和实时性要求较高，可充分利用城区 10kV 配网光纤网络资源实现接入。可采用自建光纤网络就近接入城区 10kV 配电光纤网络；在不具备接入光纤网络的条件下，可以采用租用公网专线进行组网，并在省级数据中心实现接入。

（4）充电桩通信通道。充电桩是电动汽车运营网络的末端充电设施，数量多，位置分散，分布在社区停车场、公共设施停车场等位置，对安全性要求较高，实时性要求一般。在充电桩区域不具备电力 0.4kV终端通信接入网络（如电力光纤到户网络）或 TD-LTE 电力宽带无线专网资源时，租用公网无线方式进行组网；在具备相关资源时，采用自建专网接入 0.4kV 终端通信网络。

5 车载终端设计

5.1 工作原理

电动汽车车载终端部署在电动汽车内部，需要与车内整车控制系统及后台管理中心的运营管理系统进行信息交互。电动汽车内部网络使用 CAN 总线作为基本通信总线，采用总线型与星型相结合的网络拓扑结构连接传感器，通过车载网络可进行汽车控制以及实现车内数据交换和信息共享。车载终端可以接入整车的 CAN 网络，与整车控制系统互连，实时获取车及电池等相关信息；通过内置的 GPRS/3G 通信模块实现与运营后台系统的信息交互。

6 应用实例

电动汽车充换电服务网络已在苏沪杭城际互联示范工程得到应用，通过验收已正式投运上线。在苏沪杭互联示范工程建设中，依托苏沪杭之间高速公路配套基础设施，建成 9 座智能充换电站，其中浙江 4 座，江苏 3 座，上海 2 座。工程所涉及的上海、苏州和杭州 9 个智能充换电站全部通过验收，标志着我国第一个跨省区电动汽车城际互联工程竣工，并具备投运条件。苏沪杭城际互联示范工程实现了华东地区和苏沪杭三地的电动汽车充换电服务网络互联互通，形成融合运营与管理的信息通信网。工程分别在苏州和上海、杭州部署总部级、省级运营管理系统，涉及 3 个省市充换电业务的互联运营与清分结算。该电动汽车充换电服务网络应用满足了电动汽车运营的跨城际、跨区域要求，为充换电服务网络的运营提供强力支撑，作为国家电网公司打造的电动汽车智能充换电网络的精品工程，为电动汽车在苏沪杭地区的跨城际交通创造条件，并将推动苏沪杭地区电动汽车产业的发展。

7 结论

本文给出基于分层设计方法的电动汽车充换电网络整体架构，对电动汽车充换电网络的系统层、网络层和终端层做了详细设计说明。最后介绍了国网公司电动汽车智能充换电网络试点工程项目，该项目采用本文所述的架构和设计方法，实现了电动汽车跨区、跨城际的运营功能，目前运行稳定，为电动汽车在全国范围内推广奠定了良好的基础，促进了电动汽车产业的发展。 参考文献

[1] 中华人民共和国科学技术部. 国科发计〔2012〕195 号电动汽车科技发展“十二五”专项规划[R]. 北京：中华人民共和国科学技术部，2012.

[2] 国家电网科技部. Q／GDW Z 423-2010 国家电网公司技术标准管理办法[S] . 北京：国家电网文件，2010.