一种专用充电平台方案的关键技术实现

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公交、物流等专用车辆充电站点在建设运营过程中面临充电设施接入相对繁琐、充电操作流程复杂、结算类型单一、缺乏车辆考核手段等问题。为此，许昌许继软件技术有限公司、许昌职业技术学院、河南省安阳钢铁集团有限公司的研究人员周山虎、郭葳、方韬、马占业、张军，在2021年第3期《电气技术》上撰文，提出了构建专用车辆使用的充电服务平台的设想。示范应用结果表明，专用充电服务平台技术方案有效地解决了专用车辆充电面临的问题，为专用车辆充电服务业务发展提供了重要的理论依据和探索，具有重要的研究和应用价值。

随着燃油车辆对环境污染的日益加剧及公共交通对乘车舒适性的愈加重视，电动车辆以其低污染、低运营成本等优势被广泛使用。电动车在公交和物流行业大量普及，也将成为未来城镇公交物流车的主力。

现有技术中，公交、物流及环卫等专用领域的电动车辆（以下简称专用车辆），由于其运营过程存在集中管理、统一充电、夜间主充、日间补电等特点，传统离散的设施接入方式效率低下，接入流程繁琐，夜间无法做到无人刷卡统一充电享受谷电价优惠，同时先充值后充电的结算方式也不适用于公交公司、物流公司等企业需求。传统的账户鉴权方式也比较复杂，极大地影响了公交、物流等专用充电用户的使用体验。

为提升充电站运营服务管理能力，针对公交、物流、出租、环卫等专用领域车辆的特殊场景提供充电设施的建设、运营、管理、统计分析服务，简化专用车辆用户充电流程，满足“充电更简单、管理更明晰、结算更迅速”的需要，本文设计一种专用充电服务平台，实现充电设施整站一键自动接入，车辆充电即插即充，运营商与用户便捷结算等功能，满足了充电用户和运营商的需求。

1  现状分析

本文调研走访了山东、浙江两个省电动汽车服务公司，济南市、合肥市两个公交集团，以及合肥邵大郢、湖州童装城、济南浆水泉3个公交场站，了解了目前专用车辆或使用传统的离散桩接入的方式接入通用平台，平台既为专用车辆服务，也为社会车辆服务；又或由专用车辆单位独立运营，使用站级系统自用自充不接入平台的方式，缺少线上计量和结算手段，缺乏充电设施专业的运营平台和设备维护技术。传统离散桩和专用站特点对比见表1。

表1  传统离散桩和专用站特点对比

由于服务客户特性不同，相比传统充电用户离散桩的充电场景，专用充电场站在“接入方式”“充电控制”“结算模式”上均存在较大差异：

1）传统充电面向社会公众，范围广泛且不确定，而专用站面向固定客户，服务对象明确。

2）传统充电用户需在平台充值，专用站无须预充值；社会充电用户充电启动时需在平台鉴权，而专用站以合同约定的方式来确保收入安全，站级系统通过白名单来鉴权。

3）传统充电用户单次充电单次结算，专用站集中充电统一结算；专用站的结算为企业间的行为，可采用多种计费模式（如充电订单累加、关口表计量、服务费套餐等）。

4）传统充电用户统一充值到平台，各运营商与平台进行清分结算才能获取充电收益；专用站用户和充电场景相对固定，专用站公交用户可直接与运营商结算。

5）传统充电场景使用单桩接入，专用站充电设施建设相对集中，使用整站接入的方式。

2  专用充电平台方案设计

2.1  总体业务设计

基于对专用场站的业务需求梳理，综合全国范围内多场站调研的实际结果，将专用场站的关键业务归结为“整站接入”“白名单充电”“统一结算”及“专用车辆统计”四项业务；关于“运营商”“平台总部”和“站级系统”“专用站平台”之间关系如图1所示。

图1  专用站总体业务概述

2.2  职责划分

以“各司其责、简单易用”为指导原则，在上述业务方案中，平台总部主要完成审批决策、统计考评、数据服务等工作；运营商主要完成建设运维、业务开拓、结算控制、设计商业模式等相关工作。平台主要负责数据存储和规范业务流程；站级系统主要负责充电控制及提供结算依据。如图2所示。

3  系统整体框架

总体技术架构如图3所示。

系统技术架构设计划分为五层，具体如下：

1）通信协议层。构建支持HTTP/HTTPS协议、TCP/IP协议、MQTT协议、REST协议、SOAP协议及聚合支付协议等通信协议的服务。

2）数据存储层。基于分布式关系型数据库（distribute relational database service, DRDS）实现关系型数据分布式部署；基于非结构化数据库实现文件访问，降低技术应用难度，提高应用效率。

图2  专用站各方职责示意图

3）中间组件层。基于数据库加密组件、分布式服务总线、RocketMQ消息队列服务、远程RPC接口组件等进行系统常规业务功能实现，提高系统技术规范性。

4）业务逻辑层。在中间组件层提供的技术条件下，采用微服务思路实现系统业务功能，功能服务组合成模块微服务集合，最终形成专用充电服务管理业务模块微服务中心。

图3  专用站总体技术架构

5）Web应用层。以浏览器网站作为系统展示应用入口。

4  关键流程

4.1  整站接入业务

专用场站场景下，以站点为单位，将“场站”“充电桩”信息汇总后统一接入平台。整站接入具有以下优点：

1）充电设施批量接入平台。由站级系统统一发起接入申请，充电桩无须逐个接入。

2）资产码与充电设施的自动对应。按照站级系统与平台交互的业务规则进行模型设计，实现平台下发资产码的自动对应，减少配置工作量。

3）复用已有接入流程。在目前单桩接入流程基础上进行微调，即可实现整站的统一接入。

充电设施的整个接入流程如图4所示。

1）站点和接入设施信息录入。运营商接入人员在专用站平台网站将需要接入的站点信息和充电设施数目、类型进行录入，完成平台站点的建站申请，平台存储站点信息数据，等待审核。

2）站点信息审核。平台管理人员审核充电站点的建站信息、审核接入的充电设施数目类型等基本信息。

3）平台生成注册码和密钥。管理人员审核建站信息通过后，生成站点对应的接入密钥和设施注册码，并按照申请的充电设施数目自动生成N个注册码，可以通过平台（接入APP等）进行查看。

4）站点接入密钥线下分发。平台将生成的站点接入密钥以线下发放的形式分发给各个站级系统管理人员。

图4  整站接入业务流程

5）站级系统激活认证。站级系统使用平台分发的密钥和资产码，向平台进行鉴权，完成激活和认证。

6）站级系统配置站内设施注册码。站级系统按照平台生成的站内充电设施的注册码，在站级系统进行录入，配置充电设施和注册码对应信息。

7）站级系统获取资产码。站级系统完成充电设施和注册码的绑定后，批量将站内充电设施的注册码上传给平台中心鉴权，鉴权通过后获得资产码和注册码的对应关系列表。

8）站级系统更新设施和资产码对应关系。站级系统按照注册码和资产码的申请对应关系，更新充电设施和资产码的对应关系，完成充电设施的资产码绑定，完成资产接入。

4.2  白名单充电业务

白名单充电业务是专用车辆使用白名单凭证申请启动充电，经过站级系统鉴权后开启充电的专用服务，白名单充电业务具有以下优点：

1）简化充电流程。用户启动充电直接在充电设施上点击“确认”即可，完成充电后，无须支付结算。

2）简化数据传输流程。站级系统本地完成鉴权，充电启动数据流程和结束数据流程得到简化。

3）降低充电设施离线率。站级系统和充电设施使用本地局域网，网络可靠性更高，提升了充电设施的可使用率。

需要说明的是，使用白名单充电业务的需使用车辆管理模块将车辆的基础信息录入到专用站平台数据库，具体包括电动汽车型号、所属公司、所属公交线路、BMS编号、车牌号码、车架号、公交司机和所属用户等信息。由于车辆信息管理为常规信息录入，本文不再展开描述。

具体流程如图5所示。

图5  白名单充电业务流程

1）车辆准备充电。用户将充电枪与车辆连接完成后，系统根据用户使用的充电方式开始进入不同流程。

2）用户确认充电方式。为了保证用户充电安全，在开启充电时需要用户确认，同时指明用户使用的充电方式。

3）充电设施上送充电身份标识。车辆BMS与充电设施建立通信，充电设施获取车辆的相关充电参数后将车辆充电身份标识上送给站级系统，站级系统判断是否收到车辆充电身份标识。

4）站级系统检测车辆惟一标识是否有效。站级系统如果收到了车辆的充电身份标识参数，就在本地白名单中进行查询，检查车辆的充电身份标识是否合法有效。

5）车辆未在白名单中。如果站级系统收到的车辆充电身份标识不是当前站点有效的白名单凭证，则站级系统告知充电设施白名单充电方式启动失败原因：车辆未在白名单中。

6）站级系统允许充电设施启动。如果车辆惟一标识在白名单中，且有效，则站级系统通知充电设施可以允许启动充电。

7）进入启动充电子流程。充电设施开始进入启动充电子流程。

8）充电设施上送专用卡号。如果用户使用专用卡充电，设施上送用户刷卡的专用卡号给站级系统。进入流程③交由站级系统判断专用卡是否为白名单凭证。

9）站级系统检测专用卡号是否为白名单凭证。站级系统在收到充电设施上送的充电卡卡号之后，在本地白名单中进行查询，检查充电卡卡号是否为有效的白名单凭证。如果是，则进入站级系统允许启动充电流程⑤。

4.3  统一结算业务

站级系统基于设定好的结算模式，按照结算周期（日、周、月、季、年）统计生成账单，同时可以生成周期（约定的结算周期）报表，一次性地统一确认签字，简化纸质签单记录流程，对账更便捷。

专用站的充电用户按照协议周期对充电消费订单进行统一财务结算；公交公司与运营商直接结算，缩短了结算周期。具体流程如图6所示。

图6  统一结算业务流程图

1）专用车辆充电。充电用户下的车辆在专用站点充电，站级系统存储并记录用户充电过程信息和充电交易记录。

2）站级系统形成账单。站级系统按周期根据结算凭据形成账单，结算凭据一般包括用户的充电记录、站内电表数据、合同约定的服务费等。

3）站级系统上送账单和凭据。站级系统将统计生成的账单和结算凭据上送给平台，由平台统一存储管理。

4）用户录入转账付款凭据。充电用户按照账单金额向运营商账户转账，同时将银行流水号录入专用站平台网站，形成付款记录，待运营商财务审核。

5）运营商财务审核转账信息。运营商财务确认收到转账后，登录专用站平台，确认付款记录，完成付款审核。

6）运营商财务上传发票结算信息。运营商财务在确认充电用户付款后，按照付款金额开具发票，将发票信息上传到专用站平台，供充电用户下载使用。

7）完成用户结算流程。开始下一个用户结算周期。

4.4  专用车辆统计业务

专用车辆统计业务是在用户指定时间范围内对车辆的充电次数、充电电量、充电金额和车辆平均能耗比进行分析统计。为专用充电用户提供单车考核数据支撑，满足公交公司对能耗考核指标的数据支持。能耗比计算如下：

5  专用站平台示范应用

本系统的开发工具为IntelliJ IDEA 2018.3.5 x64；操作系统为Windows 10；开发语言为Java、JavaScript；数据库系统为MySQL；数据总线为RocketMQ；远程RPC组件为Alibaba HSF；生产服务器环境为Linux、Ali-Tomcat7；客户端操作系统为Windows7、Windows8、Windows10、WindowsXP等；客户端浏览器为IE 10、Chrome、360浏览器等。

专用充电服务平台已成功地将安徽省合肥市某充电站的20台桩作为试点批量接入，目前正在稳定运行。站点自2019年8月21日接入到2019年8月29日试运营期间，充电共计482次，累计充电电量33 511.67kW·h。

下面通过示范站点的接入方式、充电流程、结算方式等方面对比分析传统平台和专用充电平台，见表2。

表2  示范站采用传统平台和专用充电平台对比表

从表2可以看出，专用充电平台更加贴合专用站点的建设、运营场景，具体表现为：

1）接入硬件成本方面，传统充电平台使用单桩接入，每个充电桩配套接入设备的价格为3 000～4 000元，专用充电平台根据专用站点集中建设这一特点，使用站级系统将站点下充电设施接入平台，节省了接入设备，降低了接入成本。

2）接入调试时间方面，传统充电平台接入时，操作员需要对每个桩申请注册码、手工配置注册码、等待审批资产码最终完成接入。单个设施流程约需要0.3个工作日。专用站平台使用一键自动接入的方式，使用站级系统统一配置充电设施编号，由站级系统负责申请注册码、写入充电设施配置信息、审核完毕后自动记录资产码信息。自动化操作降低了接入调试的工作量，整站操作在1个工作日即可完成。

3）充电操作时长方面，传统充电平台启动充电时需平台远程身份鉴权和充电前的用户密码校验，充电完成后需要充电结算，操作流程大约需要2～3min。而专用充电平台基于站级系统白名单充电，正常情况下连接车辆即可启动充电，整个操作流程只需要30s～1min，操作更加便捷，同时方便夜间使用谷时段集中批量启动充电。

4）设施离线率方面，传统充电平台充电需要平台鉴权，使用无线4G方式与平台通信，存在一定的离线率，加上服务器维护、光纤物理通道维护等问题，以本次市场调研的情况统计，设施离线率约在3%～5%。而专用充电站点集中建设，站级系统与充电设施之间通信使用有线局域网方式，同时站级系统可以独立鉴权启动设施，在试运行期间设施离线率为0，有效地降低了设施离线率。

5）结算模式方面，传统充电平台收取充电用户费用后，与运营商清分结算需要1个月左右。而专用充电平台支持多种结算方式，运营商直接与充电用户结算，1周内即可完成结算过程。

专用充电服务平台实现了对公交、物流等专用车辆充电设施的集中统一管理，优化了接入流程，简化了用户充电操作，改善了设施运营商与充电用户的结算模式，增强了用户对车辆的信息掌控情况。很好地满足了专用充电站点的信息化管理的需求，专用充电服务平台网站使用界面如图7所示。

图7  专用充电服务平台网站使用界面

6  结论

本文通过对专用车辆充电服务平台的设计研究，搭建了专用充电车辆的充电平台，很好地解决了专用充电车辆在推广发展过程中的一系列瓶颈问题，提升了专用车辆充电设施的接入效率，简化了专用车辆用户的充电操作流程。为建设好面向专用车辆充电服务平台，并对提升公交、物流电动汽车在国内的使用效率与推动其健康发展发挥至关重要的作用。

以上研究成果发表在2021年第3期《电气技术》，论文标题为“一种专用充电平台方案的关键技术实现”，作者为周山虎、郭葳 等。