朱意霞，李紅霞，史文強，陳志剛，鄧建慎，徐怡山

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電動汽車充電服務柔性管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

朱意霞1，李紅霞1，史文強2，陳志剛1，鄧建慎1，徐怡山1

(1.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

針對電動汽車充電設施的運營模式和用戶多樣化需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的充電設施柔性管理解決方案。構建了真正面向不同用戶的充電服務網(wǎng)絡管理平臺架構，實現(xiàn)了對城市散布式充電樁、獨立充電站等其他相關設施的全面智能監(jiān)控運營管理。管理系統(tǒng)平臺解決了充電卡消費過程中的余額不足和逃費問題，化解了充電設施經(jīng)營商的金融風險，深度挖掘充電運營歷史數(shù)據(jù)并輔助運營商決策運營，加強了充電設施的運營管理和客戶服務水平，研究內容具有明顯的實用意義。

電動汽車；充電卡；充電樁；交易結算；發(fā)卡；運營管理；應用分析

0 引言

國家電網(wǎng)呼吁市場投資放開，欲吸引更多社會資本共同建設充電設施市場。由于缺乏明確的盈利模式，電動汽車充換電設施市場很難吸引社會資本[1]。只有充電站/樁網(wǎng)點建設到位并且充電服務質量有保障，才能瓦解消費者對電動汽車續(xù)航里程的擔憂、消除消費者購買電動汽車的顧慮，電動汽車快速發(fā)展必然降低充電站的閑置率，運營商就會扭虧為盈[2]。

如何為電動汽車充電服務運營及管理提供信息化堅強支撐，保障充電服務安全、可靠、高效運行，為電動汽車用戶提供智能、方便快捷的充電服務成為研究的重點。

1 運營需求分析

充電設施的運營特點有以下幾點[3-5]：

(1) 在便民地點設置辦卡、充值等卡務網(wǎng)點，便于普及充電卡；

(2) 充電站/樁正常運行中無人值守，車主持卡充電、自動收費，全過程實現(xiàn)網(wǎng)絡化管理，提高交易效率，并且可以遠程管理維護充電站/樁；

(3) 運營商需要靈活定制經(jīng)營策略，比如調整電費+服務費的收取標準，定期推出套餐優(yōu)惠等活動，發(fā)放政府補貼；

(4) 實現(xiàn)消費透明化，讓用戶隨時了解詳細的消費明細，提高客戶消費的信任度；

(5) 運營商可以增加廣告等增值服務。

另外，充電站/樁的運營歷史數(shù)據(jù)，也具備深度挖掘價值，分析結果可以輔助運營商合理制定商業(yè)運營決策[6]，旨在提高設施利用率、優(yōu)化站內設施資源、降低充電站運行維護成本，使得運營商盈利最大化，促進充電設施的快速發(fā)展。

切合這些市場運營需求，依據(jù)多年來在電動汽車充換電站監(jiān)控運營領域積累的豐富經(jīng)驗，采用先進的通信、數(shù)據(jù)采集、Web技術，設計一套基于互聯(lián)網(wǎng)的B/S架構的電動汽車充電服務運營管理網(wǎng)絡化平臺，面向城市電動公交車輛、集團公司車輛、私家電動汽車、出租車等提供分散服務、集中管理。

2 系統(tǒng)架構

2.1 系統(tǒng)架構及功能圖

電動汽車充電服務運營管理系統(tǒng)主要由電動汽車充電樁、通信網(wǎng)關、傳輸網(wǎng)絡、后臺服務模塊單元(數(shù)據(jù)采集、存儲、處理)、Web應用以及充電支付卡組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1系統(tǒng)架構圖

該系統(tǒng)基于靈活開放的物聯(lián)網(wǎng)接入技術，支持各運營商的設施規(guī)模配置，運營商可以單獨運營幾個離散的充電樁，也可以以城市為單位，實現(xiàn)城市散布式充電樁、獨立快充站等其他相關設施的全面智能監(jiān)控運營管理。

充電樁具備高速CAN (Controller Area Network) 2.0接口，充電樁控制器與通信網(wǎng)關之間利用CAN總線進行數(shù)據(jù)交互，每個通信網(wǎng)關最多負責10個交流樁的通信或者4個直流樁的通信；通信網(wǎng)關與數(shù)據(jù)采集單元之間利用有線互聯(lián)網(wǎng)或者無線GPRS網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)交互。

充電樁具備專用于抄讀電能表的485 接口，結算功能就是充電樁控制器通過電能表 (計量單元)進行充電電量計量計費，計費后的消費金額需要進行安全加密。認證加密功能通過對樁讀卡器(ESAM模塊插接)的操作，實現(xiàn)樁和卡的雙向相互認證、充電計費結算數(shù)據(jù)的安全存儲和后臺通信數(shù)據(jù)加密。

同時，系統(tǒng)通過統(tǒng)一發(fā)放充電卡，以卡為傳輸介質，實現(xiàn)一卡通行，跨充電點、跨運營商在充電樁上刷卡充電并完成便捷支付。整個軟件系統(tǒng)分為三層。

通信層：負責從站點接收站內實際運行數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)采集層：負責存儲從站內獲取的實時數(shù)據(jù)，將實時數(shù)據(jù)轉為歷史數(shù)據(jù)，提供現(xiàn)場一手數(shù)據(jù)；

Web頁面展示層：提供友好的人機交互界面，包括充電卡管理、客戶管理、計量計費、清分結算、資產管理、業(yè)務數(shù)據(jù)分析及管理、運維安排等。

2.2充電卡在系統(tǒng)中的應用

為了實現(xiàn)電動汽車車主無縫充電并提高充電樁的實用性，本系統(tǒng)把充電卡劃分個人記名卡、個人不記名卡和大客戶卡三種卡類型，用戶可以根據(jù)實際充電需要選擇卡類型，個人卡需要先充值再消費，不允許透資，而大客戶卡不需要充值，采用先消費再統(tǒng)一結算的模式。按照卡片應用模式的不同又分為一卡一車和一卡多車充電模式，一卡一車充電模式指一張卡只能給一輛車充電，一卡多車充電模式指一張卡可同時給多輛車同時充電，下面詳細介紹兩種模式的消費流程。

2.2.1一卡一車模式

該類模型可以適應在私家車或者出租車司機采用個人卡充電場景中，個人卡啟動充電之后個人卡將被鎖定。個人卡充電消費流程如圖2所示。

(1) 啟動充電之前，需要驗證充電卡是否已經(jīng)掛失、余額是否充足，先從充電卡余額中預扣最大消費金額，防止逃費，需要再次刷卡結賬，此時根據(jù)實際充電金額進行沖正支付，支付完畢。采用這種方式有效解決充電支付過程中的逃費和余額不足的情況；通過檢驗黑名單機制，有效防止卡片丟失造成的經(jīng)濟損失，保證資金安全。

(2) 啟動充電后，個人卡被鎖定(只有充電結束后，在本充電樁上再次刷卡結算后，該卡才能再次在其他充電樁上使用)。

(3) 開始充電，充電樁進入充電狀態(tài)，禁止任何操作，只有再次刷啟動該次充電的卡才能進行操作。充電過程中可在顯示屏上實時查看充電狀態(tài)及參數(shù)。

(4)?充電結束，用戶將卡再次放置在讀卡感應位置，確認充電狀態(tài)已完成，或者手動終止正在進行的充電過程，刷卡結賬。充電結束后，充電樁將解除對該卡的鎖定。

圖2個人充電卡消費流程

2.2.2一卡多車模式

該類模式適用在公交公司的公交車采用大客戶卡充電的場景中，一條線路甚至同一個公交公司下的車輛都可以用一張卡啟動充電，大客戶卡充電消費流程如圖3所示。

圖3大客戶充電卡消費流程

與個人卡不同的是，大客戶卡不需要預扣，不鎖定充電卡，支持多輛車同時充電。

3 交易結算

依據(jù)上述設計架構，運營監(jiān)控系統(tǒng)平臺與樁之間的交易結算包括鑒權認證、密鑰更新、取隨機數(shù)、計費模型請求和查詢、下發(fā)黑名單、異樁解扣、刷卡支付、遠程維護管理等不同的交互業(yè)務。

密鑰更新：當運營監(jiān)控密鑰有變化時，主動向樁發(fā)送密鑰更新指令，樁收到密鑰數(shù)據(jù)完畢后開始ESAM密鑰更新，更新完成后返回結果。

取隨機數(shù)：樁在運行過程中定時向監(jiān)控運營系統(tǒng)索取隨機數(shù)，對數(shù)據(jù)進行加密，目的是保證數(shù)據(jù)的安全性。

計費模型請求：當樁的結算單元需要時主動向運營平臺請求計費模型。

計費模型查詢：當運營監(jiān)控需要時，向樁查詢計費模型。

下發(fā)黑名單：監(jiān)控運營平臺需要時向樁下發(fā)黑名單，樁上的黑名單由充電樁保存。

刷卡支付：用戶使用刷卡結賬進行充電卡支付。

遠程維護管理：充電樁能夠遠程動態(tài)更新計費模型，動態(tài)下裝廣告等增值服務信息，支持遠程更新配置及程序組件版本信息，支持遠程診斷功能。

下面詳細介紹鑒權認證和異樁解扣兩個業(yè)務模塊的交互流程。

3.1 鑒權認證

充電樁與監(jiān)控運營平臺重連時，確認充電樁的合法性，通過連接時取隨機數(shù)方式完成鑒權認證。

(1) 主站隨機數(shù)由運營平臺端的ESAM芯片產生，用于監(jiān)控運營數(shù)據(jù)加密和樁上數(shù)據(jù)解密。

(2) 終端隨機數(shù)由樁上ESAM芯片產生，用于樁上數(shù)據(jù)加密和監(jiān)控運營平臺數(shù)據(jù)解密。

(3) 監(jiān)控運營或者樁鑒權失敗，樁會重新發(fā)起認證，在認證未通過的情況下，樁是不能進行刷卡充電的。

(4) 鑒權碼是用來判斷對方隨機數(shù)的正確性。

(5) 樁的資產編號和充電端口號在充電控制器界面上設置，設置保存到充電樁上。

具體流程如圖4所示。

步驟1上送數(shù)據(jù)：樁資產編號，充電端口號，ESAM卡卡號。

步驟2通知界面正在認證。

步驟3下發(fā)數(shù)據(jù)：樁資產編號，充電端口號，主站隨機數(shù)。

步驟4上送數(shù)據(jù)：樁資產編號，充電端口號，終端隨機數(shù)，ESAM 安全模塊鑒權碼。

步驟5下發(fā)數(shù)據(jù)：樁資產編號，充電端口號，成功標識，運營管理系統(tǒng)鑒權碼。

圖4鑒權認證流程示意圖

步驟6上送數(shù)據(jù)：樁資產編號，充電端口號，成功標識。

步驟7認證結果通知界面。

3.2 異樁解扣

異樁解扣的對象是刷卡充電過程中，充電結束時沒有刷卡，形成異常交易記錄，該交易記錄會送往運營監(jiān)控和鎖在卡里面。如圖5所示。

圖5異樁解扣流程示意圖

(1) 操作員刷卡，充電樁控制器判斷卡里是否有異常記錄，并通知界面顯示。

(2) 卡里有異常記錄把所有異常的交易記錄信息送往運營后臺。

(3) 監(jiān)控運營平臺輪詢歷史庫里的異常交易記錄，將查詢到相應的異常交易記錄發(fā)送給充電樁的存儲單元并通知界面顯示。

(4) 將監(jiān)控運營平臺下發(fā)的異常交易記錄從卡中解扣，將解扣的交易記錄存在充電樁的存儲單元里，并加密上送。

(5) 監(jiān)控運營系統(tǒng)對收到交易記錄進行解密確認，若某條交易解密失敗，則控制器會將該記錄重新加密上送，確認記錄上送結果。

(6) 控制器通知界面解扣結果，界面提示用戶解扣結束取卡。

4 層級密鑰管理及實現(xiàn)

充電卡應用系統(tǒng)使用的CPU卡根據(jù)功能及使用環(huán)境的不同，運行中使用的CPU卡包括母卡控制卡、各種母卡和各種應用卡，各級卡片發(fā)行采用3級管理機制：母卡控制卡負責生成各種應用密鑰，并將生成的密鑰保存在CPU卡中；然后，根據(jù)實際需要制作不同的各種母卡，每種母卡根據(jù)實際需要只安裝母卡控制卡中的部分密鑰，從而有效保證母卡控制卡中的總體密鑰的安全性，不至于一張母卡出現(xiàn)問題導致所有的母卡甚至母卡控制卡出現(xiàn)安全問題?？ㄉ厦荑€的生成、發(fā)行、存儲于更新直接關系到充電卡發(fā)行及應用系統(tǒng)的安全控制[7]?？ㄖ械拿荑€一鑰一用，對電子錢包圈存對應采用圈存子密鑰，消費功能對應采用消費子密鑰，更新數(shù)據(jù)對應采用卡片應用維護子密鑰，用戶開戶時根據(jù)業(yè)務需要開通相應的功能。支付卡內部文件結構[8-9]如圖6所示。

圖6充電卡內部文件系統(tǒng)結構圖

舉例說明持卡人基本信息文件的數(shù)據(jù)結構說明如表1所示。

用戶通過向讀卡器發(fā)送相應串口命令來完成對這些字段的訪問。

上述管理卡和支付卡的發(fā)行步驟如圖7所示。

各種卡的發(fā)行，需要有開發(fā)套件業(yè)務軟件支撐，套件構成如表2所示，主要用于支付卡、PSAM、ESAM之間的交互。

表1字段說明

Table 1 Field description

圖7 CPU卡發(fā)行步驟

表2開發(fā)套件

Table 2 Development Kit

在讀卡器提供的接口函數(shù)的基礎上進行充電卡讀寫程序的開發(fā)，說明如下。

(1) 充電卡初始化：根據(jù)己經(jīng)確定的卡上文件系統(tǒng)結構初始化充電卡；己經(jīng)初始化的充電卡在母卡的控制下輸入各級密鑰(外部認證密鑰、應用維護密鑰和消費子密鑰等)，通過與ESAM模塊交互灌入外部認證密鑰、應用維護密鑰；通過與PSAM模塊交互灌入消費子密鑰、解鎖子密鑰；

(2) 充值：通過和PSAM模塊交互，向支付卡錢包充值。以滿足支付卡刷卡充電操作。

(3) 聯(lián)機解扣：用于支付卡灰鎖之后解扣，扣除實際交易金額，使支付卡恢復正常使用狀態(tài)。

(4) 驗證PIN：客戶不確定支付卡PIN碼時，可進行3次驗證操作。驗證成功，找回原來的PIN碼。如果3次驗證失敗，則只能執(zhí)行重裝PIN命令，設置新的PIN碼。

(5) 重裝PIN：如果客戶忘記支付卡PIN碼，可執(zhí)行重裝PIN命令，設置新的PIN碼，以進行后續(xù)正常交易。

最后，測試充電支付卡的操作安全性是否滿足數(shù)據(jù)傳輸和信息更改的安全要求。

5 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)采用面向對象的Java語言開發(fā)Web功能，主要包括卡片管理、客戶服務、業(yè)務管理、計量收費、清分結算、資產管理等功能，主要功能介紹如下。

5.1 數(shù)據(jù)接入

從充電樁接收充電消費數(shù)據(jù)記錄，并存儲在本地商用數(shù)據(jù)庫中，支持本地歷史數(shù)據(jù)的拷貝同步，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理、分析和未來應用業(yè)務的拓展。

5.2 管理功能

客戶信息管理模塊：完成用戶檔案信息錄入、客戶信息和個人密碼的更改、客戶關聯(lián)卡的記錄查詢等功能；

卡片管理維護模塊：卡片發(fā)行、充值、注銷、掛失/解掛、補卡、解凍、解鎖、黑名單管理等；以及支持卡片臺賬信息的查詢及信息更改功能。充電卡發(fā)放如圖8所示。

設備管理模塊：資產管理主要涵蓋設備資產統(tǒng)一編碼，設備臺帳管理，設備出入庫管理、設備缺陷管理、設備檢修管理，通過對區(qū)域內電池、設備的狀態(tài)轉變的各個業(yè)務環(huán)節(jié)進行規(guī)范管理，實現(xiàn)對資產的全生命周期狀態(tài)跟蹤管理；以及備品備件的需求計劃，及時補充易損件的庫存，保證設備零故障運行。

圖8智能充電卡發(fā)卡界面

權限管理模塊：系統(tǒng)具備靈活的權限設置(充電服務參與方的權限)，具體權限可控制到具體功能點。

5.3 清分結算

在本系統(tǒng)中，最關鍵的就是資金一致問題，不能出現(xiàn)資金收支不對賬的情況。

用戶在充電樁上刷卡充電產生的交易金額結算方式有以下兩種。

統(tǒng)一結算：指公司集團客戶在全市范圍內的任何充電站內充電，之后采用結算賬戶定期統(tǒng)一結算。

獨立結算：指個人充電客戶需要先充電再刷卡消費，及時在樁上結賬。

這些消費交易記錄和充值記錄，統(tǒng)一上傳到運營平臺中的賬務模塊，每天生產對賬單，進行對賬統(tǒng)計處理和數(shù)據(jù)清分，針對每個運營商正確結算。

數(shù)據(jù)清分：對接銀行接口，定時劃撥給各充換電設施經(jīng)營商指定的賬戶，例如每天結算劃撥打賬一次。

對賬統(tǒng)計：具備掛賬和銷賬功能，將尚未結算的錯誤交易掛賬，調整交易后能銷賬，確保對賬處理的一致性，不出現(xiàn)誤差。

5.4 查詢統(tǒng)計報表功能

運營商查詢某區(qū)域、某站、各充電樁的營業(yè)概況和客戶的消費概況。

用戶查詢卡片臺賬，包括交易卡號、交易號、充電站點、充電樁號、充電金額、分時充電電量、電度表電量起止底度、充電起止時間和充電時長。

綜合報表分析與管理功能：日報、周報、月報、季報、年報表。

5.5 應用分析功能

該部分屬于運營數(shù)據(jù)的高級應用，針對消費數(shù)據(jù)記錄進行分析、匯總，并以靜態(tài)表格和動態(tài)圖表等方式進行直觀化展示，輔助決策。集控站、各子站、樁以及客戶等各種運營數(shù)據(jù)分析、匯總，很好地體現(xiàn)管理的科學性。

充電運營分析：對運營數(shù)據(jù)進行匯總、分析，以餅圖、棒圖形式直觀展示數(shù)據(jù)分布概況，給出各站運營收益圖，各站的負荷曲線分析，各樁設備利用率分析圖以及用戶行為分析圖等高級應用分析結果輔助決策，比如調整和新建哪些充電站/樁。以充電樁的設備利用率分析為例，給出圖9。

圖9充電設施使用概況分析圖表

6 總結

本文設計的系統(tǒng)具備對中小型充電站、小區(qū)內充電樁以及分散型充電樁的管控，該系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

(1) 系統(tǒng)具備豐富的結算、管理和應用分析功能，有良好的功能擴展和規(guī)模擴展能力。

(2) 有利于加強運營管理和提升客戶服務水平，為運營商探索營銷模式轉變，提供寶貴的借鑒經(jīng)驗。

電動汽車充換電設施市場很難吸引社會資本，該系統(tǒng)的應用很大程度上提高了交易效率、減少了充電樁的人工損耗、節(jié)約了站的運行成本，也給用戶帶來極大的便利性，必將會在電動汽車充電設施市場吸引社會資本方面起到積極作用，從而進一步推動電動汽車的快速發(fā)展。

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(編輯 姜新麗)

Design and implementation of electric vehicle charging service flexible management system

ZHU Yixia1, LI Hongxia1, SHI Wenqiang2, CHEN Zhigang1, DENG Jianshen1, XU Yishan1

(1. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang 461000, China; 2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

Given the operation modes of electric vehicle charging facilities and the diverse needs of users, this paper puts forword the flexible management solutions for the charging facilities based on the internet of things, constructs the charging service network management platform for different user,realizes monitoring and control operation management comprehensively and intelligently for the spread type charging pile in the city, independent charging station and other related facilities. The management system platform solves the problem of inadequate balance in the consuming process of the charge card and fee evasion, resolves the financial risk about the charging facilities operators, studies in-deepth the history data about charge operating and gives assistance to the operators for operational decisions, and strengthens level about operation management of the charging facilities and customer service, which has obvious practical significance.

electric vehicle; charge card; charging pile; transaction settlement; card issue; operation management; application analysis

10.7667/PSPC151095

2015-06-29；

2015-09-01

朱意霞(1981-),女,碩士,工程師,主要研究方向為電動汽車充換電站系統(tǒng)方案; E-mail: gracie-009@163.com

李紅霞(1977-),女,本科,工程師,主要研究方向為電氣自動化;E-mail: lihongxia5000@sina.com

史文強(1986-)，男，工程師，主要從事電子式互感器的研發(fā)工作。