电动汽车充电桩监控及管理系统应用与分析

韩 振

(上海华建工程建设咨询有限公司, 上海 200041)

0 引 言

近年来,随着电动汽车的快速发展,与其配套的电动汽车充电基础设施成为国家和地方基础建设的重要环节。2016年8月,上海市交通委发出了《关于进一步加强本市电动汽车充电基础设施规划建设运营管理的通知》(简称“通知”),旨在进一步加强充电设施科学规划建设和运营管理,促进电动汽车的有序发展。本文以某中心项目按此要求开展工程设计为例,通过实际工程项目设计,探讨电动汽车充电桩监控及管理系统应用与分析。

1 项目概况

某项目总建筑面积119 447 m2,其中地下建筑面积42 000 m2,地上建筑面积77 447 m2。地上由1#～16#楼16栋单体建筑组成,均直通地下室。2层地下室,均为非机动车库、机动车库、设备机房等。1#～3#楼为高层住宅,4#楼为高层商业办公,5#～16#楼为多层办公。机动车停车数为706辆,为大型Ⅰ类汽车库。

根据“通知”要求,住宅配建停车位应100%建设充电设施或预留充电设施安装条件,商场、办公等公共建筑配建停车位应不低于充电设施专项规划明确的配建比列要求。经上海市浦东新区建交委批复,该项目机动车位应设置预留或建设充电桩车位不少于236个,其中应不少于65个车位建设充电设施。

2 充电桩的设计选取与设置

经过研究分析,最终在地下车库总计选取236个车位作为充电装车位。其中65个充电桩车位要建设充电桩设施,在项目建设完成后,能够满足建交委的验收标准,实际运行能够投入使用。剩余的171个充电桩车位仅按要求预留充电设施、管线桥架、配电设施、电力容量等。经过与建筑专业的共同方案设计,业主从自身需求出发对比选取,确定方案为在-1F靠近机动车出口附近设置此65个充电桩车位。其中,51个充电桩车位设置为7 kW交流充电桩,剩余14个充电桩车位设置为60 kW直流充电桩。

2.1 7 kW交流充电桩的选取

7 kW交流充电桩按安装方式分为落地式、立柱式、壁挂式。落地式一般体积大、重量重、下设基础,不适合中小功率。根据该项目车位特点,选用体积小、重量轻,可以直接挂墙安装的壁挂式或无法依靠的立柱式7 kW交流充电桩。7 kW交流充电桩配备了友好的人机操作界面,具有控制、计费和通信等功能。

立柱式7 kW交流充电桩如图1所示。

图1 立柱式7 kW交流充电桩

立柱式7 kW交流充电桩参数如表1所示。

表1 立柱式7 kW交流充电桩参数

2.2 60 kW直流充电桩的选取

60 kW直流充电桩具有快充和慢充特点,一般体积较大、重量重,适用于公共场所的电动汽车充电,通常为落地安装。60 kW直流充电桩选取一体式直流充电机,由一体式充电机及充电连接器组成,其中包括充电系统、采样系统、人机交换系统、保护系统及控制系统。

60 kW直流充电桩如图2所示。

图2 60 kW直流充电桩

60 kW直流充电桩参数如表2所示。

表2 60 kW直流充电桩参数

2.3 充电桩车位安装

7 kW交流充电桩按“一位一桩”即1机一枪,60 kW直流充电桩按“两位一桩”即1机双枪。根据平面车位分布特点,7 kW交流充电桩均按集中布置结合后面布置的原则,并设置防撞措施。充电桩的外廓距离充电车位的净距要求不小于0.4 m,操作及检修距离不小于0.8 m。壁挂式安装的7 kW交流充电桩设备中心距地面按1.5 m;落地式充电设备设有混凝土基础,基础高度高出地面不小于0.2 m。

2.4 充电桩的安装分布

根据车位特点,中间背靠背充电车位,设置立柱式7 kW交流充电桩。下面靠墙区域设置60 kW落地式直流充电桩和壁挂式7 kW交流充电桩。

立柱式充电桩布置图如图3所示。

图3 立柱式充电桩布置图

落地式和壁挂式充电桩布置图如图4所示。

图4 落地式和壁挂式充电桩布置图

3 充电桩监控及管理系统应用与分析

充电桩监控系统由充电监控、供电监控及安防监控等构成,并具备数据远传接口。公共场所的电动汽车充电设施根据规模设置监控系统,居住小区自用的电动汽车充电设施可不设监控系统。公共场所设置充电监控系统具有方便管理、保证人身和设备安全,确保充电设置正常运行等特点。监控系统宜设监控室,并宜与充电场所靠近设置[1-2]。另外,监控独立设置。

3.1 充电监控系统功能

该项目充电监控系统功能如下。

(1)具备对充电设备进行监测、控制、保护以及数据处理并和存储、事故状态下的紧急处理等功能。

(2)具备对车载充电机运行监视和对电动汽车储能单元储能状态监视等功能。

(3)具备兼容性和扩展性,以满足不动类型充电设备接入以及充电设施规模扩容等。

(4)可以接受时钟同步系统对时,以保证系统时间的一致性。

3.2 供电监控系统主要功能

供电监控系统主要功能是可采集充电设施的开关状态、保护信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波、电能计量信息等[3]。

3.3 充电桩监控系统配置

充电桩监控系统配置如表3所示。

按表3的要求,该项目设置充电桩监控及管理系统。

表3 充电桩监控系统配置

3.4 充电桩监控及管理系统架构

充电桩监控系统由控制层、网络设备和间隔层构成,系统采用单网结构。系统硬件结构配置设备:控制层设备,包括服务器、工作站、打印机等;间隔层设备,包括充电机监控单元、视频监控和安防监控单元;网络设备,包括网络交换机、通信网关、光电转换设备、光缆等。

3.5 充电桩监控系统图

充电桩监控系统图如图5所示。

图5 充电桩监控系统图

3.6 充电桩监控管理系统平台

3.6.1 概述

充电桩监控管理系统平台为充电桩运营商提供便捷的设备管理、故障分析和高品质的充电运营服务,同时也为车主提供优质的充电服务;实现设备通信集中接入、设备状态集中监控、用户权限集中管理、财务分析集中统计、车主服务个性化适配。

3.6.2 系统平台

系统平台包括运营商管理平台、企业主管理平台、用户卡管理平台、移动 APP 平台。其中移动 APP 平台包含 IOS 端 APP、Android 端 APP、微信公众号、微信小程序。

3.6.3 系统拓扑图

系统基于当前主流微服务架构 SpringCloud搭建,采用B/S的服务框架模式,提供Web的管理平台,可以便捷地在多终端进行管理;同时具备公众号和APP多维度使用充电服务,可最大化地为车主提供差异性需求的充电服务,兼具对充电卡的统一管理,能够为充电运营商提供一体化的SaaS软件服务。

图6 系统拓扑图

3.6.4 功能模块

(1)服务器:包含系统主应用、主库Mysql、缓存 Redis、文件存储库 mongodb、消息中间件MQTT/RabbitMQ,提供系统运行的基础应用环境,可单机部署/集群部署,可部署在公有云/私有云/局域网。

(2)用户卡管理平台:提供发卡、充值服务;发卡配备用户卡注册服务器,充值对应用户卡进行充值操作;提供充电卡挂失、补卡、退卡功能和卡片丢失管理,挂失卡、被补卡、被退卡将无法继续使用,其中挂失卡通过解挂之后,可以恢复正常使用。

(3)Web管理平台:对充电站、充电桩的信息进行管理;对充电费用单价以及预约费、停车费进行设置管理;实现APP运营管理、企业好管理、运营商管理、实时监控管理、自动退款管理。

3.6.5 系统内容

(1)后台服务:后台服务主要由微服务架构的应用服务结构,包含服务注册、发现,配置管理,监控管理,调用链跟踪,日志分析,消息队列,以及相应的微服务模块和相对应的缓存,数据库(DB)组成的微服务集群。

(2)微服务集群按照功能模块进行划分,目前分为10个微服务,分别是APP服务、权限管理、运营管理、互联互通、设备监控、卡管理、企业管理、文件管理、协议解析、市政通信。

(3)边缘服务是前端服务和后台服务交互的服务中心,核心是API网关,通过网关将前端服务的请求转发到相应的服务模块。同时通过路由服务根据实际要求对网关进行监控、限流,并且达到负载均衡的作用。

(4)前端服务面向用户方。包括浏览器、移动APP应用(微信公众号/APP/微信小程序)、客户端软件、第三方互联互通的APP应用。

(5)充电管理:实时查看充电设备的充电状态、充电电压、充电电流、充电时间、充电金额、充电剩余时间、SOC值、卡上剩余金额等信息。

4 结 语

充电桩监控及管理系统是保证充电桩正常用电、安全用电的重要环节,同时能够为使用带来较多便利。通过充电监控、供电监控、视频监控三套系统,系统能够实时对充电设施、车载充电机、电动汽车储能各环节单元显示充电电压、充电电流、充电状态等多重信息。全套系统中的间隔层进行采集、网络设备的传输、控制层的远程控制,形成全闭合链的高效系统。一方面能够保证充电、供电的安全,提供物防方面的安全,另一方面为业主在对充电桩管理、收费管理上提供了有效的系统平台。