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摘  要：电动汽车规模的不断变大对充电桩管理能力提出了更高的要求，很多充电桩管理体系还不完善，存在着管理成本高、分散度大等特点，不利于电动汽车产业的发展。本文先对电动汽车充电桩系统开发技术进行论述，并对如何进行电动汽车充电桩运行管理系统设计进行探讨，最后就电动汽车充电桩运行管理系统实现与系统测试进行研究，可供相关人员参考。

关键词：电动汽车；充电桩；管理系统；设计

引言

美国对商业充电站给予一定程度的税收减免，可以智能互联采集充电桩信息，用户可通过APP查找到就近的充电站，并通过智能手机扫描来启动充电过程，日本对电动车用户购置者给予价格补贴，电动汽车基本设施配置上已经形成产业体系，英国对充电基础设施给予很大的扶持，公共场所充电网络已经逐渐完善，德国在全国范围内布设充电桩，向充电桩向着智能化方向发展。国外电动汽车充电基础设施已经不断完善，配套的智能应用与软件也取得突破进展，但管理系统完善性、稳定性方面还需要进一步提升。我国电动汽车充电基础设施在近年来得到快速发展，公共充电桩数量位居全球第一，但充电桩数量还无法满足电动汽车保有量的增长速度，充电桩质量参差不齐，存在着故障多、维修延迟等问题，给电动车用户带来不好的体验。国家电网对充电桩建设处于领先地位，已经建立起具备自主知识产权和先进技术的充电桩标准体系，搭建开放、智能的充电桩智慧平台，专用充电站建设可以为公交、物流和出租车等车辆的电动化提供必要条件。国内的电动汽车充电基础设施变得更为丰富，向着智能化、网络化方向发展，但充电桩布局与运行管理系统仍存在诸多不足，还存在着充电基础设施分布不均匀，用户不能通过客户端对充电桩状态进行实时查询，人机交互性差和充电服务差等问题，需要研发出电动汽车充电桩运行管理系统，将客户需求作为设计导向，对充电桩系统的运营管理和充电服务功能集成，提供更好的人机交互体验，实现更为理想的数据交互和通讯功能，可为后续充电桩布局与建设提供技术支持。

1电动汽车充电桩系统开发技术

1.1二维码技术与通讯协议

二维码技术具有低成本、译码准确率高等特点，比传统的条形码存储更多信息，也用于体现多种数据类型，多应用于移动互联的应用入口操作。手机二维码将移动终端和移动网络作为存储媒介，解读处理后可提供增值服务，可作为智能终端与服务器的桥梁。通讯协议是运营服务器与客户等进行数据交互遵守的规则，对数据格式进行统一并进行同步管理，电动汽车充电桩采用的通讯协议要具备较高的可靠性、双向性和灵活性，管理系统设计采用HTTP协议和MATT协议，HTTP协议应用于客户端与服务器端，用于充电指令发送与充电状态的提示，MATT协议为充电桩端与服务器端的通讯，可保证数据信息收发的准确性和高效性。HTTP协议用于网络文本传输，可应用于网络页面发布与接收，以client和server作为基础来进行构建，可保确数据信息的准确采集与转发，MATT协议作为TCP协议的底层，采用安全套夹层加密方式进行鉴别与授权，完成解密解析后再发送至服务器，服务器用于消息代理、发布和扮演的角色，客户端订阅完消息后，服务器端获取到订阅信息后进行主题匹配，再将信息转至客户端。

1.2软件开发技术

服务器端软件开发可采用HTML、CSS和JavaScript等网页语言，HTML语言用于网页内容开发，CSS用于创建网页布局，Java用于网页功能设计，充电桩运行管理系统采用JavaEE进行开发，JDBC等技术可提升数据信息的存取效率，JSP、Serverlt作为控制层组件，Serverlet实现对网页程序的扩建，形成动态网页内容并设置控制逻辑，JSP作为Serverlet的扩展可用于逻辑分离。

移动客户端采用Android系统，以Linux作为内核层来对驱动进行封装，提供多种硬件调用方法，Framework对数据库中Libraries和gvm文件进行封装，可向开发者提供更好的环境，Application用于实现人机交互功能。Android系统可向户提供API接入，用于创建轻理级的SQlite数据库，用于对数据信息的存储。

2电动汽车充电桩运行管理系统设计

2.1系统总体设计

2.1.1总体框架

电动汽车充电桩管理系统由通信层、管理层和终端层构成，数据库与管理系统构成管理层并运行于远程服务器，管理系统可对充电桩、充电站、工作人员和充电信息等进行管理，用户需要充电时运行APP客端端，管理系统调用调度管理算法来向用户提供最为合理的充电桩，充电桩控制要借助充电桩硬件与客户端进行信息传递，要对各项业务进行智能化处理，再将处理后的数据信息发送给终端。

2.1.2软件架构

数据信息存储和更新是数据库主要功能，客户端有客户智能终端、充电桩终端，充电桩终端用于对充电和故障信息进行采集，服务器端向其发送控制命令时做出相应反应，充电控制要借助移动智能终端。管理层与终端层的数据信息链接是通信层的重要功能，用于客户端与服务器、服务器与充电桩的数据交互。

系统软件开发前要确定出系统框架，需要结合充电桩业务功能进行软件框架设计。UI表现层用于体现充电桩和网页界面，可向用户提供视觉体验，UI界为客户端与服务器进行交互时采用的界面，网页界面用于管理人员对业务进行操作与管理，业务逻辑层用于数据信息的传递，并对多种业务进行操作，数据库用于存储和运行数据信息。

2.1.3数据库设计

电动汽车充电桩运行管理系统中存在着消费者、管理者等多个数据主体，消费者是电动汽车拥有者，利用充电桩对车载电池充电并支付一定的费用，管理人员具备对管理系统的业务功作设置的权限，维护人员可对管理系统进行维护与升级，对充电桩进行编号并将采集到的充电桩运行信息进行存储与更新。数据库间的每个基本表可建立起关系，可对表间操作进行简化，降低读写次数并添加索引。对表字段进行设计时，需要实现查询和数据存储功能。

2.2系统功能结构设计

2.2.1管理系统服务器端设计

管理系统服务器具备登录、调度管理、运营分析、成员管理和设备监控等模块，可对充电桩运行状态实时采集与监控，如果充电桩运行异常时会发出报警，对数据信息进行分析与处理。用户登录时会与充电桩每个模块进行信息交互，输入用户名与登陆密码以后，用户模块调用数据需要采用HTTP协议，完成调用后才能将提交用户名和密码，将其传送至控制层UserOPeart，用户密码采用SHA1算法进行加密，进行对比验证后选择好对象并传输至控制层，验证成功以后继续执行程序，用户即可得到登录权限。人员管理由具备权限的管理人员进行操作，选择增删管理员后即可进入相应的界面，新增管理员时采用createMana ger.js对数据信息完整性进行验证，如果信息不完整需要对信息进行补充，完成后进入到managerController层。设备监控模块是监测到充电桩故障发出警告，可使设备运行信息进行实时显示，进入到device.jsp界面将异步请求输送给系统后台，验证失败则选取备选片段，验证成功调用getDeviceList（）。调度管理模块获取到用户发送的请求后，通过算法对充电桩进行筛选并提供最优的充电桩信息，实现对充电桩的智能化调度与管理，管理模块会对范围内的充电桩进行搜索，采用charge.jsp将充电桩位置信息发送至管理系统，应用chargeManage.js并结合HTTP协议发送给Controller，用于实现位置信息采集与响应，再通过指令获以到充电桩信息，将路径最短、耗时最少的充电桩搜索出来，再将充电桩列表推送给客户端。运营分析管理模块可对管理功能时序进行设计，用于订单管理与数据分析，向管理员提供充电桩位置信息。

2.2.2系统客户端设计

客户端具备数据信息上传、动态计费和充电状态控制三种不同的功能，数据上传模块是电动汽车充电桩管理系统的关键环节，主动上传的数据信息为JSON格式，采用MQTT系统将字符串格式的数据信息上传给管理系统。管理系统配置有JSON开源主体，采用JAVA将字符串上传到服务器进行解析。充电状态控制模块由状态驱动和视图驱动构成，状态驱动数据用于控制与充电，服务器控制数据把控制指令发送至充电桩，用于对充电桩的远程控制。充电数据信息比较重要，也就是充电时形成的相关数据，充电状态控制具体见图1所示。

二级码中的信息有BILID、SN和时间戳等信息，来自于服务器端形成的数据，扫描充电原理为：1）充电桩客户端采集到BILID；2）把BILID作为参数，与微信或支付宝信息进行绑定，采用HTTP协议来申请数据接口，识别BILID和客户端账号，验证成功后采用MATT对客户端发出请求，用于对充电桩硬件的控制；3）充电桩客户端获取到充电任务命令后，充电完成后发出充电成功信息，如果执行失败则上报故障数据；4）充电桩运行状态信息经过服务器传送到智能终端，在客户终端和充电桩人机界面显示相关状态；5）充电桩完成充电后，发出充电结束信息给服务器，客户端也会获取到充电状态信息，并对充电进行计费而形成账单，账单信息会上传服务器和移动终端。

2.3智能调度管理方案设计

2.3.1充电桩模型

2.3.3系统智能调度管理策略

充电桩智能调度目的是实现路径最优化，以最快速度和最短路径来找到最优化的充电桩，耗时和路径最优化可采用如下方案：

1）电动车充电最短路径

客户端向服务器发出充电需求，将客户位置作为起点，管理系统算出位置起点与附近充电桩的距离。客户发出充电请求时会向管理系统提交电动车相关信息，主要有电动车与充电桩相互间的距离、电动续航里程等，管理系统对上述信息进行筛选对比，探索在续航里程范围内的充电桩，按照距离远近来推送距离最近的充电桩。客户也可以选择预约充电功能，会对选择的充电桩进行标记，如果充电桩预约饱和则会筛选、过滤充电桩，可以优化最短充电桩路径；

2）电动车充电耗时最少

将客户需求发送请求作为位置起点来计算路径与时间，以最短时径与时间向客户推送，筛选后得到充电桩运行状态，管理系统根据充电桩状态计算充电结束时间。计算每个充电桩等待时间，结合汽车续航时程、耗能等数据求出补充点时间，进行综合分析后得到充电桩总耗时；

3）主要流程

如果客户端发出充电请求，管理系统结合电动车位置信息、续航里程、剩余电量等信息，管理系统会对数据库信息进行查找，将附近充电桩位置进行显示，提示预约人数和充电桩状态等信息，计算电动车位置与附近充电桩距离与耗费的电能，得到优化的充电桩并向客户推充电桩。

3电动汽车充电桩运行管理系统实现

3.1系统开发环境

管理系统采用Tomcat作为网页容器，SMM作为系统框架，MySQL构建立起数据库服务器。客户端开发选择Android Studio工具，用于系统开发与调试，采用SQLite数据库。

3.2通讯实现

HTTP通讯应用于服务端与充电桩智能终端，MATT通讯应用于服务器端与客户端，设计时采用Httpclient通信，客户端发送出请求，转化为服务器地址、参数并生成url，将地址与服务器进行连接，服务器和移动客户设置为相同参数，建立起兼容性好的通信渠道，创建有效链接用于通信，服务器对客户端请求进行解析，打开HTTP通讯端口。MATT通讯用于服务器与客户端的通讯，将控制命令送至客户端，对数据结果进行传递并可在移动客户端上操作，用于数据收发和交互等。

4系统测试与应用分析

采用黑盒测试方式对管理系统性能与功能进行测试，系统刷新采用Game Bench工具。对充电桩应用程序与数据库进行分离，测试硬件配置。黑盒测试用于检验每个功能模块的作用，分析每个模块的设计合理性，查桩测试用于测试移动终端发出请求测试，查看服务器能否及时响应并及时推荐了最快、快短的路径，并将充电桩位置信息显示出来，充电功能测试用于测试二维码显示速度、清晰度、开启时间等，移动支付测试充电完成后对微信、支付宝等软件的支付。对管理第极限状态、正常状态进行测试，检查系统流畅度、CPU使用率、手机内存等指标，进行测试后发现管理系统运行稳定，具有良好的性能，可满足电动汽车充电桩的管理。

5结束语

综上所述，电动汽车充电桩管理系统可对充电状态进行实时监控，采集充电桩信息和数据并进行存储，充电过程数据比较稳定，可实现充电桩智能化调度，将电动汽车与充电桩直线距离作为数学模型，可查找到最近的充电桩并提示具体位置，可向用户提供很好的人机交互体验，通过手机APP绑定进行扫码充电并支付，可提高充电桩管理效率。充电启动时间比较稳定，响应时间比较快，充电过程比较流畅。

参考文献：

[1]廖雨婷，徐祥烽.基于多目标规划的电动汽车充电桩配置优化[J].汽车实用技术，2022，47（14）：1-5.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.014.001.

[2]付萍萍，郑富永，王华，李敏，于仕.基于云平台的充电桩智能管理系统及移动应用开发[J].微型电脑应用，2022，38（06）：180-183.

[3]徐嘉楠. 自动共享电动汽车的优化控制策略及其充电设施评估[D].广西大学，2022.DOI：10.27034/d.cnki.ggxiu.2022.001338.

[4]杨鹏举.城镇老旧小区改造中电动汽车充电桩应用探讨[J].建筑电气，2022，41（05）：49-52.

[5]谷彦庆.基于区块链技术的电动汽车充电桩共享方案研究[J].内燃机与配件，2022（07）：102-104.DOI：10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2022.07.010.

[6]郑婵. 基于李雅普诺夫优化的电动汽车充电调度和能量管理[D].华北水利水电大学，2022.DOI：10.27144/d.cnki.ghbsc.2022.000512.

项目编号：B715J022004V ，项目名称：充电设施用户行为识别与设施保护技术研究及应用

作者简介：郭定，1975年1月出生，男，湖北省松滋人，副教授级高级工程师，大学本科学历，通信信息专业研究方向。