專利名稱：一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動汽車控制裝置，具體涉及一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置。
背景技術(shù)：
隨著低碳經(jīng)濟成為我國經(jīng)濟發(fā)展的主旋律，電動汽車可以降低石油消耗，減少污染氣體排放，已成為我國大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。電動汽車充電站為電動汽車運行提供能量補給， 是電動汽車發(fā)展所必需的配套設(shè)施，但現(xiàn)有裝置占地面積較大，資金消耗較多，且需要消耗大量的人力資源等缺點又阻礙了其大規(guī)模的發(fā)展。因此，開發(fā)低成本的充電樁成為電動汽車發(fā)展的必然趨勢。在現(xiàn)有的電動汽車充電樁技術(shù)實現(xiàn)方面，其充電控制技術(shù)是關(guān)鍵?，F(xiàn)有電動汽車充電樁充電控制技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車充電并計費等功能，但充電樁控制器后臺監(jiān)控系統(tǒng)的通信方式大多采用CAN總線或GPRS無線公網(wǎng)，其通信線路沒有完全與其它用戶物理隔離，攻擊者可通過竊聽、監(jiān)視或者破譯等技術(shù)手段獲取機密信息，安全性較低。為了防止電動汽車充電樁的傳輸數(shù)據(jù)被篡改、數(shù)據(jù)的機密性與完整性被破壞，用戶的身份被冒用，本發(fā)明提供了一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置，并詳述了該裝置的應(yīng)用方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有電動汽車充電樁為電動汽車供電、計費、數(shù)據(jù)的安全性傳輸?shù)葐栴}， 本發(fā)明提供了一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置，通過射頻讀卡單元實現(xiàn)用戶卡與電動汽車充電樁控制裝置之間的信息交互功能，通過ESAM芯片的加解密功能將遠程發(fā)送的電價信息、黑、灰名單信息等關(guān)鍵信息解密后存儲在EEPROM中，通過GPRS通信信道與后臺通信，發(fā)送充電樁的工作狀態(tài)，接收后臺發(fā)送的電價調(diào)整、黑灰名單更新、參數(shù)設(shè)置和控制信息等。具體方案如下本發(fā)明提供的一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置，其改進之處在于，所述充電樁控制裝置包括電動汽車充電中央控制單元和電動汽車充電執(zhí)行單元；所述電動汽車充電中央控制單元包括CPU控制單元I、存儲單元、射頻讀卡單元和通信單元；所述電動汽車充電執(zhí)行單元包括CPU控制單元II、GPRS通信單元、人機交互單元和充放電檢測控制單元；所述CPU控制單元I分別與所述存儲單元、所述射頻讀卡單元和所述通信單元連接；所述CPU控制單元II分別與所述GPRS通信單元、所述人機交互單元和所述充放電檢測控制單元連接。優(yōu)選的，所述CPU控制單元I的型號為STM32F103。其是電動汽車充電中央控制單元的核心單元，它可以對數(shù)據(jù)信息進行分析處理，通過計算后對安全存儲單元ESAM芯片、 射頻讀卡單元、存儲單元和通信單元給出控制命令。它的控制程序可以通過紅外或GPRS進行遠程更新。
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優(yōu)選的，所述存儲單元包括安全存儲單元ESAM芯片和EEPROM存儲單元。所述的安全存儲單元ESAM芯片主要用于存儲錢包文件等與安全防護相關(guān)的重要信息和刷卡時的密鑰驗證。它采用對稱密碼算法和非對稱密碼算法，對稱密碼算法主要完成數(shù)據(jù)的加/解密，非對稱密碼算法主要完成密鑰更新，通過安全的流程實現(xiàn)獲取隨機數(shù)、MAC計算、密鑰更新、非對稱密鑰的注冊等功能。所述的EEPROM存儲單元用于存儲經(jīng)過安全存儲單元ESAM 芯片認證或解密后的關(guān)鍵信息。優(yōu)選的，所述通信單元包括RS485通信單元和TTL電平通信單元。所述的RS485 通信單元用于電動汽車充電中央控制單元與智能電能表進行數(shù)據(jù)通信，由智能電能表記錄充電樁的充放電量信息。所述的TTL電平通信單元為電動汽車充電中央控制單元和電動汽車充電執(zhí)行單元的數(shù)據(jù)通信接口，通信采用中斷方式。優(yōu)選的，所述人機交互單元包括液晶顯示單元和鍵盤輸入單元。所述的人機交互單元包括液晶顯示單元和鍵盤輸入單元，它們是電動汽車充電執(zhí)行單元和電動汽車充電中央控制單元信息連接的橋梁。液晶顯示的電動汽車充電狀態(tài)等信息從中央控制單元獲得， 鍵盤輸入的購電金額或購電電量等信息需要從電動汽車充電執(zhí)行單元輸入再傳遞到中央控制單元進行控制。優(yōu)選的，所述充電樁控制裝置的電源規(guī)格為DC5V 100mA。優(yōu)選的，所述充放電檢測控制單元包括自適應(yīng)數(shù)字濾波器。所述的充放電檢測控制單元主要負責檢測電動汽車蓄電池的狀態(tài)，主要包括虧電狀態(tài)、即將充滿狀態(tài)和已充滿狀態(tài)三種；所述的電動汽車充電樁控制裝置的中央控制單元根據(jù)不同的充電狀態(tài)發(fā)出不同的控制指令(快速充電、慢速充電和停止充電)，執(zhí)行單元根據(jù)該指令進行相應(yīng)的操作。所述的充放電檢測控制單元包括自適應(yīng)數(shù)字濾波器，該濾波器根據(jù)蓄電池的能量特性曲線和蓄電池工作中的電流電壓所得的等效電路，利用自適應(yīng)算法推算出剩余電量。所述的充電樁控制裝置的電源規(guī)格為DC5V 100mA，其主要負責向整個充電樁控制裝置供電。優(yōu)選的，所述安全存儲單元ESAM芯片的型號為SSX0909，其采用DIP形式封裝。優(yōu)選的，所述RS485通信單元分別與所述電動汽車充電中央控制單元和智能電能表連接。優(yōu)選的，所述TTL電平通信單元分別與所述電動汽車充電中央控制單元和電動汽車充電執(zhí)行單元連接。所述的GPRS通信單元是充電樁控制單元和后臺主站進行通信的接口，它主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和后臺主站進行通信，由智能電能表記錄充電樁的充放電量。所述的射頻讀卡單元的型號為FM1702，其主要用于讀取用戶卡的卡片類型、用戶 ID、卡片序列號、卡內(nèi)剩余金額、鎖定的車牌號、卡片的交易密鑰等信息。所述的電動汽車充電中央控制單元中，CPU控制單元I通過射頻讀卡單元讀取用戶卡的卡片信息，并通過安全存儲單元ESAM芯片對用戶卡片信息進行驗證，以確認卡片的身份合法性。在身份確認后，CPU控制單元將讀取的用戶信息通過TTL電平通信單元等發(fā)送給充電執(zhí)行單元，充電執(zhí)行單元的液晶顯示單元將用戶信息顯示出來；用戶通過鍵盤輸入單元輸入消費金額等信息，該信息通過TTL電平通信單元發(fā)送給中央控制單元。執(zhí)行單元的GPRS通信單元接收后臺主站發(fā)來的電價信息、黑、灰名單等關(guān)鍵信息的密文，通過TTL
5電平通信單元傳給中央控制單元，由安全存儲單元ESAM芯片進行解密，之后將上述信息存儲在EEPROM存儲器中。中央控制單元通過RS485電平轉(zhuǎn)換電路從智能電能表中讀取充電樁的實時充電電量信息；并根據(jù)用戶消費金額、用電量，電價、服務(wù)費等信息判斷是否發(fā)出停止充電的控制信息。所述的電動汽車充電執(zhí)行單元通過GPRS通信單元與后臺主站通信，發(fā)送充電樁的工作狀態(tài)，接收后臺主站發(fā)送的電價調(diào)整、黑灰名單更新、參數(shù)設(shè)置和控制信息等。后臺主站發(fā)送的電價調(diào)整和黑灰名單的更新等信息均是密文，充電執(zhí)行單元將該密文發(fā)送給中央控制單元，經(jīng)ESAM芯片解密后，存儲在EEPROM存儲器中，當用戶刷卡時中央控制單元根據(jù)已存儲的參數(shù)等信息給出不同的指令，然后通知執(zhí)行單元執(zhí)行相應(yīng)操作。此外，用戶可從電動汽車充電執(zhí)行單元的輸入單元輸入充值金額或時間限值等信息，充電過程信息也可在充電執(zhí)行單元的液晶顯示單元顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于 (1)本發(fā)明的電動汽車充電樁控制裝置可以通過射頻卡刷卡實現(xiàn)電動汽車的充電計費，操作簡單方便。(2)本發(fā)明的電動汽車充電樁控制裝置可以通過安全存儲單元ESAM芯片實現(xiàn)用戶的身份認證和數(shù)據(jù)的加解密功能，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?3)本發(fā)明的電動汽車充電樁控制裝置可以采用自適應(yīng)算法根據(jù)蓄電池的能量特性曲線和蓄電池工作中的電流電壓所得的等效電路推算出剩余電量，精確度相對較高。(4)本發(fā)明的電動汽車充電樁控制裝置還包括人機交互單元，它使充放電過程一目了然。(5)本發(fā)明的電動汽車充電樁控制裝置還可以實時監(jiān)測充電樁狀態(tài)，傳輸充電交易指令，傳輸充電消費明細，使電費的核算更加準確可靠。


圖1是本發(fā)明提供的充電樁控制裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明提供的充電樁控制裝置工作狀態(tài)圖。圖3是本發(fā)明提供的充電樁控制裝置充值計費流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。如圖1所示本實施例的充電樁控制裝置中央控制單元主要包括CPU控制單元、存儲單元、射頻讀卡單元、通信單元等部分。存儲單元包括安全存儲單元ESAM芯片和EEPROM 存儲單元。通信單元包括RS485通信單元和TTL電平通信單元等。所述CPU控制單元I分別與所述存儲單元、所述射頻讀卡單元和所述通信單元連接。CPU控制單元通過射頻讀卡單元讀取用戶卡的卡片信息，并通過安全存儲單元ESAM芯片對用戶卡片信息進行驗證，以確認卡片的身份合法性。在身份確認后，CPU控制單元將讀取的用戶信息通過TTL電平通信單元等發(fā)送給充電執(zhí)行單元，充電執(zhí)行單元的液晶顯示單元將用戶信息顯示出來；用戶通過鍵盤輸入單元輸入消費金額等信息，該信息通過TTL電平通信單元發(fā)送給中央控制單元。執(zhí)行單元的GPRS通信單元接收后臺主站發(fā)來的電價信息、黑、灰名單等關(guān)鍵信息的密
6文，通過TTL電平通信單元傳給中央控制單元，由安全存儲單元ESAM芯片進行解密，之后將上述信息存儲在EEPROM存儲器中。中央控制單元通過RS485電平轉(zhuǎn)換電路從智能電能表中讀取充電樁的實時充電電量信息；并根據(jù)用戶消費金額、用電量，電價、服務(wù)費等信息判斷是否發(fā)出停止充電的控制信息。圖1所示的電動汽車充電執(zhí)行單元包括CPU控制單元II、GPRS通信單元、人機交互單元和充放電檢測控制單元；所述CPU控制單元II分別與所述GPRS通信單元、所述人機交互單元和所述充放電檢測控制單元連接。CPU控制單元II通過GPRS通信單元與后臺主站通信，發(fā)送充電樁的工作狀態(tài)，接收后臺主站發(fā)送的電價調(diào)整、黑灰名單更新、參數(shù)設(shè)置和控制信息等。后臺主站發(fā)送的電價調(diào)整和黑灰名單的更新等信息均是密文，充電執(zhí)行單元將該密文發(fā)送給中央控制單元，經(jīng)ESAM芯片解密后，存儲在EEPROM存儲器中，當用戶刷卡時中央控制單元根據(jù)已存儲的參數(shù)等信息給出不同的指令，然后通知執(zhí)行單元執(zhí)行相應(yīng)操作。電動汽車充電執(zhí)行單元的液晶顯示的部分信息從中央控制單元獲得，鍵盤輸入的部分信息需要輸入到中央控制單元進行控制。電動汽車充電執(zhí)行單元的充放電檢測控制單元主要負責檢測充電的狀態(tài)，是否已經(jīng)充滿，充電是否正在進行，充電是否故障等信息；所述的充放電檢測控制單元還負責執(zhí)行中央控制單元發(fā)出的控制指令(開始充電和停止充電)寸。如圖2所示，是本實施例的充電樁控制裝置的三個工作狀態(tài)空閑(idle)，準備充電(ready)，充電狀態(tài)(busy)。充電樁在空閑(idle)狀態(tài)時，執(zhí)行單元定時輪詢中央控制單元的狀態(tài)，檢測是否有用戶刷卡，如有用戶刷卡，則進入準備充電(ready)狀態(tài)，開始充電樁的計費功能。當充電樁處于充電狀態(tài)(busy)時，執(zhí)行單元定時輪詢中央控制單元的狀態(tài)，檢測是否有用戶刷卡，判斷是否是該用戶再次刷卡，如是再次刷卡，則進行結(jié)算，停止充電。如圖3所示，是充電樁控制裝置充值計費流程1)第一次刷卡時，讀取用戶卡的信息(卡片類型、用戶ID、卡片序列號、卡內(nèi)剩余金額、鎖定的車牌號、卡片的交易密鑰等)；2)檢索黑灰名單，判斷該卡的合法性，即判斷其是否處于掛失或鎖定狀態(tài)，如果不合法則結(jié)束；如果合法則提示輸入用戶消費交易密碼；3)用戶通過鍵盤輸入交易密碼，執(zhí)行單元將輸入的交易密碼發(fā)送給中央控制單元，中央控制單元驗證通過后，將驗證結(jié)果送執(zhí)行單元；4)如果驗證通過，則執(zhí)行單元向中央控制單元索要卡片的剩余金額，用戶ID等信息；5)執(zhí)行單元顯示該卡的用戶信息卡類型、戶號、卡內(nèi)剩余金額、綁定的車牌號等信息，及該卡可支持的消費模式，其中消費模式包括自動充電和定時充電；6)用戶通過鍵盤選定消費模式、消費的設(shè)定電量，金額(或定時充電的充電時間)，發(fā)送給中央執(zhí)行單元。7)執(zhí)行單元將選定的充電模式，設(shè)定的充電設(shè)備額定電量，充電金額或充電設(shè)定時間等信息發(fā)送給中央控制單元；8)中央控制單元讀取電能表的電壓、電流、正向有功總電能等信息發(fā)送給執(zhí)行單元，同時給執(zhí)行單元發(fā)送啟動充電的命令。
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9)中央控制單元開始定時讀取電能表的電量信息，根據(jù)電量信息實時扣減卡片金額；10)執(zhí)行單元定時檢測充電狀態(tài)并向中央控制單元請求卡內(nèi)余額，顯示在液晶屏上；11)當執(zhí)行單元檢測到充電設(shè)備已充滿電或扣減金額達到設(shè)定金額或計時時間達到設(shè)定時間時，則中央控制單元發(fā)出控制命令，停止充電；12)中央控制單元再次讀取電能表的電壓、電流、正向有功總電能等信息發(fā)送給執(zhí)行單元，同時對該用戶的充值操作進行結(jié)算，等待用戶再次刷卡；13)用戶再次刷卡，進行金額結(jié)算并解除鎖定狀態(tài)。14)執(zhí)行單元記錄本次交易的信息，并形成交易記錄進行存儲。最后應(yīng)該說明的是結(jié)合上述實施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權(quán)利要求保護范圍之中。
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權(quán)利要求
1.一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述充電樁控制裝置包括電動汽車充電中央控制單元和電動汽車充電執(zhí)行單元；所述電動汽車充電中央控制單元包括CPU控制單元I、存儲單元、射頻讀卡單元和通信單元；所述電動汽車充電執(zhí)行單元包括CPU控制單元II、GPRS通信單元、人機交互單元和充放電檢測控制單元；所述CPU控制單元I分別與所述存儲單元、所述射頻讀卡單元和所述通信單元連接；所述CPU控制單元II分別與所述GPRS通信單元、所述人機交互單元和所述充放電檢測控制單元連接；所述GPRS通信單元與后臺主站連接，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)充電樁控制裝置和所述后臺主站之間通信。
2.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述CPU控制單元I的型號為STM32F103，用于分析處理數(shù)據(jù)信息，向所述存儲單元、所述射頻讀卡單元和通信單元給出控制命令。
3.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述存儲單元包括安全存儲單元ESAM芯片和EEPROM存儲單元。
4.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述通信單元包括 RS485通信單元和TTL電平通信單元。
5.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述人機交互單元包括液晶顯示單元和鍵盤輸入單元。
6.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述充放電檢測控制單元檢測電動汽車蓄電池的狀態(tài)；所述充電執(zhí)行單元根據(jù)所述CPU控制單元I發(fā)出的控制指令進行充電。
7.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述充電樁控制裝置的電源規(guī)格為DC5V 100mA。
8.如權(quán)利要求1所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述的射頻讀卡單元的型號為FM1702，用于讀取用戶卡的卡片類型、用戶ID、卡片序列號、卡內(nèi)剩余金額、鎖定的車牌號、卡片的交易密鑰信息。
9.如權(quán)利要求3所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述安全存儲單元 ESAM芯片的型號為SSX0909，采用DIP形式封裝，用于存儲錢包文件、安全防護信息和刷卡時的密鑰驗證信息；所述ESAM芯片采用對稱密碼算法和非對稱密碼算法，對稱密碼算法完成數(shù)據(jù)的加/解密，非對稱密碼算法完成密鑰驗證信息更新。
10.如權(quán)利要求3所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述EEPROM存儲單元存儲經(jīng)過安全存儲單元ESAM芯片認證或解密后的信息。
11.如權(quán)利要求4所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述RS485通信單元實現(xiàn)所述電動汽車充電中央控制單元與智能電能表之間的數(shù)據(jù)通信，由智能電能表記錄充電樁的充放電量。
12.如權(quán)利要求4所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述TTL電平通信單元實現(xiàn)所述電動汽車充電中央控制單元和電動汽車充電執(zhí)行單元之間的數(shù)據(jù)通信，所述數(shù)據(jù)通信采用中斷方式。
13.如權(quán)利要求5所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述液晶顯示單元和鍵盤輸入單元用于電動汽車充電執(zhí)行單元信息和電動汽車充電中央控制單元信息之間交互。
14.如權(quán)利要求6所述的電動汽車充電樁控制裝置，其特征在于，所述充放電檢測控制單元包括自適應(yīng)數(shù)字濾波器，所述自適應(yīng)數(shù)字濾波器根據(jù)蓄電池的能量特性曲線和蓄電池工作中的電流電壓所得的等效電路，利用自適應(yīng)算法算出剩余電量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有安全防護功能的電動汽車充電樁控制裝置，包括電動汽車充電中央控制單元和電動汽車充電執(zhí)行單元。電動汽車充電中央控制單元主要包括CPU控制單元、存儲單元、射頻讀卡單元、通信單元等部分。電動汽車充電執(zhí)行單元主要包括GPRS通信單元、人機交互單元和充放電檢測控制單元等部分。本發(fā)明可以通過射頻卡刷卡實現(xiàn)電動汽車的充電計費，操作簡單方便。本發(fā)明可以通過安全存儲單元實現(xiàn)用戶的身份認證和數(shù)據(jù)的加解密功能，增強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。本發(fā)明可以采用自適應(yīng)算法根據(jù)蓄電池的能量特性曲線和蓄電池工作中的電流電壓所得的等效電路推算出剩余電量，精確度相對較高。
文檔編號H02J7/00GK102436697SQ20111034945
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者付義倫, 劉鷹, 呂英杰, 岑煒, 李保豐, 李華, 翟峰, 趙兵 申請人:中國電力科學研究院