智能电动汽车充电桩系统整体解决方 案 一、概述 随着新能源战略的部署和实施，电动汽车必将走进千家万户。与之配套的电动汽车充换电 设施已率先开始建设，将逐步形成充电桩、充电站、换电站、配送站等设施相结合的电动汽车 充换电系统。 采用光载无线技术构建电动汽车充电桩的信息化网络，相关研究项目的提出和实施，得到 了南方电网等电力行业专家的肯定和支持，随着后续项目的开展，将逐步构建起基于光载无线技 术的物联网信息平台在电动汽车充换电系统的应用体系，最终实现智能型的电动汽车充换电服 务网络。 二、光载无线技术在电动汽车充电桩的应用 2.1 充电桩简介 充电桩是电动汽车充换电系统中最重要的设施，一般固定在路边或停车场内，利用专用充电 接口，采用传导方式，为具有车载充电机的电动汽车提供交流电能，并具有相应的通讯、计费和安 全防护功能。通过投币或购买专用的 IC 卡，为电动汽车充电。 2.2 电动汽车充电桩通信网络建设要求 作为电网配用电侧的电动汽车充电桩，其结构的特殊性决定了自动化通信系统的特 点 是被测点多且分散、覆盖面广、通信距离短。并且随着城市的发展，网络拓扑要求具有灵 活性和 扩展性的结构，因此，电动汽车充电桩通信方式的选择应考虑如下问题： （1） 通信的可靠性——通信系统要长期经受恶劣环境和较强的电磁干扰或噪音干扰 的考验，并保持通信的畅通。 （2） 建设费用——在满足可靠性的前提下，综合考虑建设费用及长期使用和维护的 费用。 （3） 双向通信——不仅能实现信息量的上传，还要实现控制量的下达。 （4） 多业务的数据传输速率——随着以后终端业务量的不断增长，主站到子站、子 站到终端之间通信对实现多业务的数据传输速率要求越来越高。 （5） 通信的灵活性和可扩展性——由于充电桩具有控制点面多、面广和分散的特点， 要求采用标准的通信协议，随着“ALL IP”网络技术趋势的发展以及电力运营业务的 不断增长，需要考虑基于 IP 的业务承载，同时要求便于安装施工、调试、运行、维 护。 2.3 电动汽车充电桩现有通信方式 电动汽车充电桩属于配电网侧，其通信方式往往和配电网自动化一起综合考虑。通信是配 电网自动化的一个重点和难点，区域不同、条件不同，可应用的通信方式也不同，具体到电动 汽车充电桩，其通信方式主要有有线方式和无线方式： （1） 有线方式 有线方式主要有：有线以太网（RJ45 线、光纤）、工业串行总线（RS485、RS232、C AN 总线）。 有线以太网主要优点是数据传输可靠、网络容量大，缺点是布线复杂、扩展性差、施工成 本高、灵活性差。 工业串行总线（RS485、RS232、CAN 总线）优点是数据传输可靠，设计简单，缺点是 布网复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差、通信容量低。 （2） 无线方式 无线方式主要采用移动运营商的移动数据接入业务，如：GRPS、EVDO、CDMA 等。 采用移动运营商的移动数据业务需要将电动汽车充电桩这一电网内部设备接入移动运 营商 的移动数据网络，需要支付昂贵的月租和年费，随着充电桩数量的增加费用将越来越大； 同时数据 的安全性和网络的可靠性都受到移动运营商的限制，不利于设备的安全运行；其次， 移动运营商 的移动接入带宽属共享带宽，当局部区域有大量设备接入时，其接入的可靠性和每个用户的平均 带宽会恶化，不利于充电桩群的密集接入、大数据量的数据传输。 2.4 光载无线通信技术 随着光缆成本的不断下降，“光进铜退”已经成为整个有线通信的发展趋势，光纤通信在配电网 通信建设中已被广泛采用，光纤通信以其独有的优势已成为电力通信网络建设的主流选择。 目前国内电力系统已经完成敷设了覆盖全国的光纤网络，即通常所说的：“三纵四横” 的主 干传输网络。随着电力通信建设的不断推进，光缆线路正逐步延伸至 110 KV 以下的通信网络， 在经济较为发达的地区，甚至延伸到了 6KV 左右的变电站。 随着智能电网建设逐步深入，配用电以及输电线路综合监测等应用需要电力通信实现更大范 围以及更灵活的接入。尤其是应对自然灾害等突发事件时，对分布点多面广，且大部分暴露在室 外，易受设备老化天气及人为破坏等因素而引起故障的配用电设备进行实时监测。考虑到无源 光网络(PON)在配用电通信系统中的应用已经成为趋势，如何充分利用现有光纤资源，满足配 用电侧应用以及实现设备实时监测成为亟待解决的课题。 近年来，光载无线(ROF)技术被认为是实现低成本高速无线通信的有效解决方案，其通过光纤 链路在中心控制局和远端天线单元之间实现无线射频（RF）信号的分发。在简化远端天线单元 的同时，在中心局实现功能的集中化、器件设备的共享以及频谱带宽资源的动态分配， 大幅度降低 系统传输成本并提高系统传输性能、频谱效率、覆盖区域和灵活性，实现宽带无线接入与光传输 技术的融合。完全满足电动汽车充电桩等配电网侧的通信要求。 2.5 光载无线通信技术 才茂拥有光载无线传输与交换的核心技术，研究开发的光载无线信号分布式系统及其核心 设备——光载无线交换机，弥补了业内的技术空白，满足物联网各环节不同通信需求，提 供 WiFi 射频信号的大范围光纤分布，通过无线传感器网络感知、采集和处理网络覆盖地理 区域中感知 对象的信息，实现大覆盖区域终端设备的实时监测、复杂环境下监测数据动态灵活的接入与调控。 光载无线系统主要由光载无线交换机、光纤线路、远端节点构成，其中的光载无线交换机 为光载无线系统的核心设备，也是本项目的核心设备。 光载无线交换机由 5 个部分构成，分别是：多用途信号处理器、通信模块组、射频信号 交 换单元、模拟光端机光电模块及系统软件，主要实现与外部以太网和通信的接口、提供终 端设备 的接入连接、实现射频信号的路由交换、实现电光/光电转换及子载波复用、以及整个网络的 管理。 远端节点由光电、电光转换模块和 RF 双向放大器组成，结构非常简单。 通过上述分析，可以认为：安装/维护方便、价格合理、通信量大、覆盖范围广已成为智 能配电网通讯系统和电动汽车充电桩通信网络的发展方向。在此，才茂提出电动汽车充电桩的 光载无线通信技术解决方案。 图3 相比于现有的电动汽车充电桩的通信方式，具有如下优势： （1） 射频信号覆盖范围大； （2） 射频信号源集中于交换机中，实现统一的控制和管理，系统的安全性和可靠性高； （3） 网络容量大，无线网络采用 WiFi 802.11b/g 标准，网络带宽高达 54Mbps； （4） 设备安装、维护方便，扩展容易、价格合理； （5） 核心设备光载无线交换机还具有容量重构的功能，在不改变现有硬件设备的情 况下，实现局部区域的通信容量增加； （6） 基于光载无线交换机构建的电动汽车充电桩通信网络平台，属于电网公司自建 的内部网络，完全置于电网公司的管理和控制之下，便于开展综合业务和功能 扩展，如提供停车场的车辆管理、客户的无线接入等其他增值业务； （7） 光载无线交换机中内置的 WiFi 接入点（AP），采用标准 IP 网络协议，能够与变 电站、配电站等网络通信设备无缝连接，符合未来全 IP 通信网络的发展趋势。 2.6 电动汽车充电桩通信与网络系统整体解决方案 电动汽车充换电系统是一个庞大的电力网络资源，其通信系统的特点是被测点多且分散、 覆盖面广、通信距离短。随着城市充换电设施的持续建设，其网络拓扑要求具有灵活性和扩展性 的结构。 对此，在当前主流的 WiFi 无线接入技术的基础上，融合光载无线网络及其不同拓扑结构下 的传输技术、WiFi 无线接入技术、射频交换与重构技术、无线传感技术，实现 WiFi 射频信号和 2G/3G/4G 等无线信号的大范围分布，同时实现多个接入点的射频交换、分配和功率控制，从 而建立起基于光载无线技术的电动汽车充电桩通信与网络系统，并在此基础上开发相关应用。 进一步结合国家智能电网建设对电力通信的需求和电动汽车充电桩的实际应用，建立电动 汽车充电桩的信息化管理平台，实现电动汽车充电桩的数据采集、设备监控、环境监测及其它 增值服务，形成电动汽车充电桩通信与网络系统整体解决方案。 图4 三、结束语 国家制定了新能源汽车十年发展规划和电动车“十二五”专项规划，大力扶持电动汽车的科技 研发和产业化。2012 年 4 月 18 日，国务院讨论通过《节能与新能源汽车产业发展规划（201 2—2020 年）》，加快培育和发展节能与新能源汽车产业，缓解能源和环境压力， 推动汽车 产业转型升级，培育新的经济增长点。 与此同时，国家电网、南方电网两大电网公司均展出了各自在电动车充换电系统方面的 最新 成果并宣布了相关行动方案。南方电网有关人士透露， "'十二五'的目标是初步形成覆盖公司 供电营业区域的智能充换电服务网络，满足公司供电营业区域内发展 20 万辆电动汽车的需 要。"。 光载无线技术在电动汽车充桩建设领域，具有巨大的市场空间和应用前景。