摘要：居民住宅區和公共場所共享云智能充電系統，以電瓶車安全充電為基礎，基于GPRS、Ethernet構建互聯網+物聯網+人聯網的模式，通過自主研發智能充電樁、主機、通訊設備、服務端和客戶端應用系統，為降低電瓶車充電火災隱患、實現安全充電的目標提供技術手段及相關服務。本設計可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時，充電樁自助設備終端還可以投放商業廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會效益和經濟效益的雙贏。
關鍵詞：電瓶車；智能；充電樁；系統設計
0引言
我國綜合國力日益增強，經濟高速發展。電瓶車更是廣泛地進入人們的視野。因此電瓶車智能充電裝置的安全性面臨著新的挑戰。本文介紹了一種云智能電瓶車快速充電系統的設計過程。主要研究過程包括進行智能充電設計、進行硬件設計、進行外觀設計。
1云智能電瓶車快速充電系統的可實施性及必要性
近年來電動自行車充電火災事故頻發，造成群死群傷，這一現象也揭露了整個充電行業令人擔憂的現狀。
從用戶層面來看，全國使用電動自行車用戶近3億，并以每年超過3000萬的增量增加，具有良好的發展前景。
從產品層面來看，充電的核心產品――充電器，質量堪憂。據新聞調查公布的數據，90%市售充電器不合格，容易引發充電火災。而電動自行車的劣質電池充斥市場，主要體現在缺乏統一標準，類型、規格多樣。由于現有的電瓶車充電裝置安全性很低，要想解決電瓶車充電裝置的安全性及功能性問題，將理論和實踐相結合，在了解基礎功能以及各項優化的基礎上，提高綜合型電瓶車充電系統的可實施性，做到理想化的設計[1]。
從服務方面來看，規模化、優質、安全的公共充電服務缺失。目前的充電服務，大多零散分布在各個小區和物業，一般都是通過物業提供插座，或者用戶自帶充電器方式完成充電。有的用戶甚至將車輛推入室內，或將電池拆卸入室充電，安全隱患很大。
近年來，電瓶車火災事故頻發，引起人員傷亡，政府、消防、物業、消費者各方對電動車充電安全問題開始重視。2017年12月29日，發布《關于規范電動車停放充電加強火災防范的通告》，嚴禁在建筑內的共用走道、樓梯間、安全出口處等公共區域停放電動車或者為電動車充電；構成違反消防管理行為的，將依法予以處罰；引起火災，造成嚴重后果，構成犯罪的，依法追究責任[2]。
2對充電系統的設計要求
為保證電瓶車快速充電系統可靠運作，對該系統的性能有以下幾項要求：
1）對安全性的要求。在電瓶車進行充電時，操作者進行開啟、斷開操作時；充電系統發生故障時，要保證人員安全。同時也要保證充電時電瓶車的安全，避免過熱起火和電路老化等等問題。
2）操作便捷。對電瓶車進行充電時，充電系統應操作簡易，充電過程應自動性強一些，不需要工作人員過多參與，過程不要過于復雜。
3）經濟性。成本較小的充電系統可以減少電瓶車的運行成本，從而提高效益，促進電瓶車的使用推廣。
4）高效性。充電效率高是充電系統的重要指標，也關系著電瓶車的商業化推廣。本系統可以同時多輛充電，同時安全快速充電。
5）技術難題。為電動自行車提供公共充電服務，首要難題是公共充電設施如何適配五花八門的電池，需要一個“充電器”[3]。近一年來，一些項目試圖對電動自行車充電進行智能化改造，受困于技術瓶頸，用于支付環節的優化，我們完全可以將投幣插座升級為掃碼插座。電池、電源管理等關鍵領域無能為力，無法完成智能化，無法集成充電模塊，無法消除劣質充電器帶來的隱患，無法做到戶外安全充電。電瓶車快速充電系統，突破了智能識別電池、自適應動態控制電源核心技術。在不同類型、規格電動車電池安全充電的基礎和前提上，能夠識別出電池規格參數；在準確識別的基礎上，自適應輸出電壓、電流，動態調整電源參數，識別電池充滿，自動斷電。Guarder云智能充電網絡，具備人工智能網絡學習算法，新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備，不斷提高電池識別和電源控制準確度。
6）充電原理。采用脈沖充電，有利于延長電瓶壽命。脈沖低壓交流電經全波整流后是脈動直流，當其波峰電壓大于電瓶電壓時，可控硅才會導通，當脈動直流電壓處于波谷區時，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電。因而流過電瓶的是脈動直流電，快速充電，充滿自停。剛開始充電時電瓶兩端電壓較低，充電電流較大。當電瓶即將充足時，充電電壓越來越接近脈動直流輸出電壓的波峰值，充電電流也會越來越小，自動變為涓流充電。當電瓶兩端電壓被充到整流輸出的波峰值時，充電過程停止。經試驗，三節電動車蓄電池36V串聯，用該充電器只需2個小時即可充滿。電路簡單、易于制作，幾乎不用維護及維修[4]。
3云智能電瓶車快速充電系統創新設計實踐――以Guarder項目為例
3.1Guarder云智能電池識別系統和硬件安全
我們設計了Guarder云智能電池識別系統，可根據電池的規格來預先調節充電樁的輸出電壓，有效解決充電器不適配問題，同時采用專業級戶外用電防護設備來確保安全。充電柜裝有溫度感應器，達到消防要求的溫度會自動斷電，且選用防爆材料制作充電柜的柜體，構筑一道防線，把火控制在柜子里面，不會傷及周邊。充電樁和充電柜采用防雨、防水的材料，高強度結構設計，插頭通過10000次撥插測試無故障。
3.2Guarder云智能充電新模式和軟件安全
充電過程中的保護措施包括：專業級戶外用電防護設備、接地保護、防雷保護、防塵防水保護、超載斷電保護、欠載斷電保護、線路短路保護、人身漏電保護、充電時間保護、充滿自停電池壽命保護、聯網監控實時保護[5]。引入電池識別系統，市面上電池種類很多，智能充電樁可識別電池類型和各種技術參數，做到實時監控充電電流、電壓監控、異常斷電、充滿自停充電，以保證充電安全。加入呼吸式心跳檢測，杜絕過載、過流、過溫、欠載、浪涌等風險。
3.3操作系統和智能系統
Guarder云智能系統是為電動車配備的足以完成智能功能的操作系統，操作系統分硬件系統、云系統、軟件系統、客戶端系統等多個組成部分，通過各系統之間的相互協調，用戶能夠在遠處智能的遙控自己的車輛[6]。智能系統分為設防、解防、靜音、尋車、一鍵啟動、GPS功能，通過手機連接APP，可以實現對電動車的實時操控，安全、控制、定位等功能都可以通過一顆小小的芯片完成。能兼容所有的含有藍牙的手機，兼容安卓系統和蘋果系統[7]。
3.4APP
用戶可通過手機APP遠程查看充電進度，遠程控制充電開始、結束、異常通知。“自動定位一鍵導航”功能自動推薦離客戶位置的充電站，并支持地圖導航。還能將新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備。
在使用智能系統時，應注意以下事項：(1)在車輛行駛過程中，禁止操作本軟件；(2)手機電量偏低時，請及時將感應模式切換為遙控模式，避免影響正常使用；(3)感應距離與手機發射信號、車輛所處環境有關，可能造成與設置距離偏差；(4)部分功能需要手機系統功能支持；具體操作需要下載手機APP。
3.5Guarder云智能快速充電系統兒童防護
兒童防護在本產品中無疑也是非常重要的，不僅要對兒童自身的安全考慮，同時也要保護充電設施不被兒童無意破壞。所以充電插口都配有獨立安全門，預防兒童無意觸電安全風險和兒童毀壞充電插口和放入異物，以免影響使用。
3.6Guarder云智能自反饋系統
Guarder云智能電瓶車快速充電系統出現故障或被破壞將會對管理系統發出信號，通知維修人員，在短時間內對Guarder云智能電瓶車快速充電系統進行維修。
3.7支付以及收費方式
充電站設備安裝好后，管理人員可根據自己實際情況任意設置，設備設置有多重保護措施，系統性能安全可靠。根據電動車充電功率，自動判斷收費標準；可同時采用按次計費和預付費模式。預付費模式，剩余金額自動返還；收費標準自由設置，充電時間10-999分鐘可調；計費方式：按充電次數計費，按電子錢包計費，按包月計費。支持APP支付、掃碼支付、充電IC卡支付等多種支付方式。支持微信、支付寶掃碼充電。用戶自行選擇“按時間、電量收費”，或者按時、按量、包月充電套餐。
4安科瑞電瓶車充電樁云平臺應用解決方案
近年來電動自行車數量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關的安全和火災事故新聞也屢見不鮮，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產安全的一個隱患。
據統計，我國電動自行車保有量超過2億輛，全國年產量超過3000萬輛，是世界上電動自行車產銷較多的大國。 2013~2017年全國共接報因電動自行車引發火災10000余起，較大以上亡人火災34起，造成142人死亡，占較大亡人火災總數的11%，電動自行車引起的火災事故有逐年增長的趨勢。
4.1政策文件（以上海為例）
通過嘉定區下發的文件的第三條、第五條、第七條、第八條對相關場所進行關于規范電動自行車充電的建設約束，推廣相關場景下的智能充電樁的建設。
4.2全鎮場景建設
4.2.1推薦建設標準
收集全國相關文件，引浙江省相關文件如下作為建設標準參考：
居住出租房集中區域、10人（含）以上的居住出租房就近建設智能充電樁，具備完全物理隔斷的居住出租房內可以安裝智能充電樁；
全市范圍內有獨立廠房的工業企業按員工電瓶車保有量與智能充電樁點位不低于3:1比例建設智能充電樁；
有獨立辦公場所的機關企事業單位要因地制宜建設電瓶車智能充電樁，滿足單位內部人員使用；
市政府將按照每個充電點位100元的標準對公共場所安裝的智能充電樁進行補助，并通過篩選方式確定入圍企業庫，限定公共場所充電收費標準。
4.2.2場景分類
（1）機關事業單位、學校、醫院、養老院
推薦結合事業單位電動車數量及空余地面，進行不低于3:1的比例建設智能充電樁；
（2）社區街道、體育館、圖書館
露天街道帶多媒體視窗、信息發布宣傳
案例：吳江市松陵區街道辦出資，我司配套充電樁、平臺系統和充電站建設，政府每年建設600-800個充電站，分8-10年執行，片區全覆蓋。停車棚充電站改造費用5000元，立柱式改造費用10000元。（其中停車棚充電站占比30%，露天立柱式充電站占比70%）
該項目運營模式：政府出資，招商1-2家第三方公司負責具體運營及后續充電站維保服務。
該項目收益回報：立柱式多媒體功能充電樁沿街廣告投放收益（政府招商廣告投放收益高）、充電差價收益（在整體收益中占比較小），整體預計2年回本。
（3）住宅小區
其中住宅小區可按不低于10：1的人數比進行各小區規劃建設公共充電樁，或按已有規劃的電動自行車停車位1:1建設；
案例1：上海某小區和某公寓，電力安裝公司出資建設并做項目運營，其中小區（200個10路充電樁）、公寓（20個10路充電樁）。
運營模式：電力安裝公司自建充電樁云平臺系統，并由其單位人員負責具體施工安裝、后續維保服務。
收益回報：充電差價收益，上述小區為老舊安置房小區，充電價格低廉（100元/點/年），投資回收周期長，預估7-8年回收成本。上述公寓為人才公寓，充電定價高（2元4小時），投資回收周期較短，預估3-4年回收成本。
該電力安裝公司根據今年收益情況，且未有政府補貼，整體回報偏低且成本回收周期太長，其已不再計劃新投建充電站。
案例2：江蘇無錫市某小區，小區物業出資建設并做項目運營。（237個10路充電樁）
運營模式：小區物業自建充電樁云平臺系統，并由物業電工人員負責具體施工安裝改造、后續維保服務。
收益回報：充電差價收益，地方流水補貼（30元/樁，平臺充值流水全部走該銀行賬戶），上述為新建商品房小區， 物業充電定價較高（3元6小時），施工安裝及維保由物業電工負責，相關人工不需要另行投入，預估2年收回成本。
（4）大型辦公樓、商業綜合體、農貿集市場
該類場景推薦按已有電動自行車停車位按不低于3：1建設智能充電樁；
（5）工業園區
該類場景推薦按已有電動自行車停車位按不低于3：1建設智能充電樁；
案例：江蘇某工業區，管委會出資招標建設園區智能充電樁，按5000-10000元/站標準建設，整體項目標的180萬元，我司作為分包供應商提供充電樁及系統后臺。
運營模式：電力安裝公司應標承建、后續日常維保，系統平臺布置第三方云服務器數據機房，工業區管委會負責具體運營；
收益回報：充電差價收益，各公司、工廠出50%資金接受改造，整體回收周期預估2-3年。
4.3產品方案差異化
4.3.1已有棚區改造類
多停車位
10回路壁掛式充電樁
充電樁配件
防雨插座
刷卡充值機
購電卡
少量停車位
4.3.2戶外露天新建類
戶外露天立柱式充電樁
4.4產品功能亮點
安全防護
智能充電管控充滿自斷，短路、過載、空載保護，充電異常、高溫等故障以短信、微信、APP推送告警；
斷電記憶
當進線電源異常斷電，來電后充電樁可以繼續使用剩余的時間充電；
多路管控
每臺設備支持10路插座輸出，滿足多車輛充電，節約安裝成本
多樣支付
支持投幣、刷卡、微信支付寶掃碼支付，兼顧大眾需求。
5電動車充電樁運營收費云平臺
安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控；實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效預警；實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等，提供相關異常數據，實現電動車充電安全管理的網絡化、可視化。
① 安全預警
對平臺連接的所有充電樁狀態進行監視，充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時消除火災隱患。
② 交易結算管理
平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。
③ 充電服務
可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電。
④ 運營分析
對訂單進行數據化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據，并支持和第三方平臺對接。
⑤ 微信小程序
可通過微信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理，監測充電樁狀態和充電交易情況。
6盈利模式
6.1用戶側小程序及線下車棚投放廣告
運營公司可在云平臺所屬的小程序中投放廣告，由于電瓶車有著使用頻次高，用戶面廣的特點，在充電前、充電中、充電完成后都可投入廣告，享受在線廣告收益。線下車棚也可以投入燈箱，尋找商家等進行投放廣告運營。
6.2通過會員充值返現的活動快速回籠資金
6.3充電差價收益
①目前市面上絕大多數的充電樁都是采用按充電時間收費的方式：比如1元可以充4個小時。這是一個挺常見的收費方式，不論功率大小，一律設成固定的時長。但是電動車充電功率大小不一，有的電瓶車功率大，有的功率小，功率大的耗電多，成本就高，因此就賺的少。每臺設備按1元充4小時計算，兩輪電動車功率為200W。充電期間都按200W計算，則4小時消耗電能0.88千瓦時。如每度電為0.6元，則4小時共計消費0.88*0.6=0.528元，充電一元錢的利潤則為1-0.528=0.472元。每臺充電樁每天充電10次，則每臺充電樁單日收益為4.72元，月收益為141.6元年收益為1722.8元。
②安科瑞電瓶車智能充電樁配置了按功率分檔進行收費的功能。按功率分檔進行收費后，相對于按時間充電收益可提高30%-60%。
第1檔位.0-150W480分鐘/元
第2檔位.150-285W360分鐘/元
第3檔位.285-400W240分鐘/元
第4檔位.400-600W120分鐘/元
注：客戶可根據現場自行設置分檔區間及時間；
6.4享受政府補貼
各地政府對電瓶車集中停放，集中充電及其重視，三令五申各類紅頭文件，對于這種基礎設施建設非常重視，一般都伴有車棚建設的補貼。參考浙江省文件補貼100元/點位。
常規單個10停車位充電站改造建設費用為5000-10000元，由于費用和政府補貼的不確定性，快則2-3年左右回收成本，慢則3-4年回收成本；
7運營模式
7.1分包運維托管模式：
政府下發紅頭文件規定相應場景充電站設立標準，各場景業主方出資建設，2~3家總包單位負責充電站建設及后續線下運維服務，充電站收益歸各業主方所有，所有數據存儲在政府數據機房或第三方云服務器租賃。（各場景投資效益回收率、政府補貼、用電安全概念三重強化推廣助力實施）。
7.1.1四重安全把控：
①提供政府官員相應管理員賬號權限，負責把控全鎮充電站安全和落實進度；
②各業主子一級權限，用于查看實時收益和對應充電基站硬件安全管控；
③各場景總包子二級權限，用于充電基站硬件設施穩定的運維管控；
④安科瑞公司負責整個云平臺的數據穩定性、安全性，保障各業主收益準確性，保障各總包充電樁硬件產品質量及售后服務；
7.1.2優點：
前期政府僅需出資少量進行相關補貼，無大量硬件資金壓力的情況下落實相關政策執行；
平臺收益區域化，資金風險碎片化，政府無需具體一線管控軟硬件平臺建設后的相關考核與后續使用，減少相關人力資源的支出。因為由各個場景業主方出資，其尋求收益回報率的主動性會提高，政府只需出臺相應后續優惠、管理政策及建議；
由各場景業主出資投建，對應招標、項目包干實施等均由各業主方具體落實，政府僅負責統一驗收標準，人力資源利用；
各總包負責充電站建設和運維服務，軟硬件供應商提供相應產品的質保和售后服務，平臺和前端設備的安全、穩定得到充分保障；
7.1.3缺點：
相對的強壓模式，由各場景業主出資，相應落實實施進度會有阻礙，需政府指導、推廣相關投資收益，輔以補貼政策文件灌輸用電安全和智能化管理思想。
7.2政府出資自建模式：
政府下發紅頭文件規定相應場景充電站設立標準，并出資負責建設，集中招標多方總包負責承建、運維，充電站總收益歸政府所有（各場景投資回收率、相關考核政策具體實施需把關），所有數據存儲在政府數據機房。
7.2.1三重安全把控：
①所有數據存儲政府當地，骨干分管相應管理員賬號權限，負責把控全鎮充電站安全、建設落實進度、實時收益、實時查看各充電站使用率考核相關場景業主方；
②各場景總包子一級權限，用于查看對應充電基站日常運維；
③安科瑞公司負責云平臺的數據穩定性、安全性、準確性，保障各充電樁硬件產品質量及售后服務；
7.2.2優點：
政府集中出資，并相應政策扶持，項目具體落實進度較快；
各總包負責充電站建設和運維服務，軟硬件供應商提供相應產品的質保和售后服務，平臺和前端設備的安全、穩定得到充分保障；
7.2.3缺點：
政府資金壓力大，整體的投資收益周期較長；
前期政府集中招標，耗費巨大人力、物力、精力；
中期政府負責各場景項目現場落實進度，以及相應項目驗收，需要有相關專業部門具體把控
后期由于平臺收益為政府所有，各場景業主方無具體相關利益，全鎮區收益率及考核措施的制定與落實需要有相關部門具體把控，難度大，效益低；
綜上所述，推薦6.1運營合作模式。
8合作實例
9總結
Guarder云智能電瓶車快速充電系統是為電動自行車日常通勤用戶提供戶外公共充電的解決方案，安裝在小區、園區和商業樓宇等用戶生活、工作區域。充電柜是為外賣、快遞等物流垂直領域提供的電池存儲、充電解決方案，擺放在外賣快遞集中商圈、商鋪以及站點。
Guarder云智能電瓶車快速充電系統，突破了智能識別電池、自適應動態控制電源核心技術。給不同類型、規格電動車電池安全充電的基礎和前提，能夠識別出電池規格參數，在準確識別的基礎上，自適應輸出電壓、電流，動態調整電源參數，識別電池充滿，自動斷電。Guarder云智能充電網絡，具備人工智能網絡學習算法，新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備，不斷提高電池識別和電源控制準確度。另外，本方案還可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時，充電樁自助設備終端還可以投放商業廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會效益和經濟效益的雙贏。
參考文獻
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