CN102436697A - 一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置 - Google Patents

一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置,包括电动汽车充电中央控制单元和电动汽车充电执行单元。电动汽车充电中央控制单元主要包括CPU控制单元、存储单元、射频读卡单元、通信单元等部分。电动汽车充电执行单元主要包括GPRS通信单元、人机交互单元和充放电检测控制单元等部分。本发明可以通过射频卡刷卡实现电动汽车的充电计费,操作简单方便。本发明可以通过安全存储单元实现用户的身份认证和数据的加解密功能,增强了数据传输的安全性。本发明可以采用自适应算法根据蓄电池的能量特性曲线和蓄电池工作中的电流电压所得的等效电路推算出剩余电量,精确度相对较高。

Description

一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置
技术领域:
[0001] 本发明涉及电动汽车控制装置,具体涉及一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置。
背景技术:
[0002] 随着低碳经济成为我国经济发展的主旋律,电动汽车可以降低石油消耗,减少污染气体排放,已成为我国大力发展的产业。电动汽车充电站为电动汽车运行提供能量补给, 是电动汽车发展所必需的配套设施,但现有装置占地面积较大,资金消耗较多,且需要消耗大量的人力资源等缺点又阻碍了其大规模的发展。因此,开发低成本的充电桩成为电动汽车发展的必然趋势。在现有的电动汽车充电桩技术实现方面,其充电控制技术是关键。现有电动汽车充电桩充电控制技术虽然能够实现电动汽车充电并计费等功能,但充电桩控制器后台监控系统的通信方式大多采用CAN总线或GPRS无线公网,其通信线路没有完全与其它用户物理隔离,攻击者可通过窃听、监视或者破译等技术手段获取机密信息,安全性较低。为了防止电动汽车充电桩的传输数据被篡改、数据的机密性与完整性被破坏,用户的身份被冒用,本发明提供了一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置,并详述了该装置的应用方法。
发明内容:
[0003] 为了解决现有电动汽车充电桩为电动汽车供电、计费、数据的安全性传输等问题, 本发明提供了一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置,通过射频读卡单元实现用户卡与电动汽车充电桩控制装置之间的信息交互功能,通过ESAM芯片的加解密功能将远程发送的电价信息、黑、灰名单信息等关键信息解密后存储在EEPROM中,通过GPRS通信信道与后台通信,发送充电桩的工作状态,接收后台发送的电价调整、黑灰名单更新、参数设置和控制信息等。具体方案如下:
[0004] 本发明提供的一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置,其改进之处在于,所述充电桩控制装置包括电动汽车充电中央控制单元和电动汽车充电执行单元;所述电动汽车充电中央控制单元包括CPU控制单元I、存储单元、射频读卡单元和通信单元;所述电动汽车充电执行单元包括CPU控制单元II、GPRS通信单元、人机交互单元和充放电检测控制单元;
[0005] 所述CPU控制单元I分别与所述存储单元、所述射频读卡单元和所述通信单元连接;所述CPU控制单元II分别与所述GPRS通信单元、所述人机交互单元和所述充放电检测控制单元连接。
[0006] 优选的,所述CPU控制单元I的型号为STM32F103。其是电动汽车充电中央控制单元的核心单元,它可以对数据信息进行分析处理,通过计算后对安全存储单元ESAM芯片、 射频读卡单元、存储单元和通信单元给出控制命令。它的控制程序可以通过红外或GPRS进行远程更新。
4[0007] 优选的,所述存储单元包括安全存储单元ESAM芯片和EEPROM存储单元。所述的安全存储单元ESAM芯片主要用于存储钱包文件等与安全防护相关的重要信息和刷卡时的密钥验证。它采用对称密码算法和非对称密码算法,对称密码算法主要完成数据的加/解密,非对称密码算法主要完成密钥更新,通过安全的流程实现获取随机数、MAC计算、密钥更新、非对称密钥的注册等功能。所述的EEPROM存储单元用于存储经过安全存储单元ESAM 芯片认证或解密后的关键信息。
[0008] 优选的,所述通信单元包括RS485通信单元和TTL电平通信单元。所述的RS485 通信单元用于电动汽车充电中央控制单元与智能电能表进行数据通信,由智能电能表记录充电桩的充放电量信息。所述的TTL电平通信单元为电动汽车充电中央控制单元和电动汽车充电执行单元的数据通信接口,通信采用中断方式。
[0009] 优选的,所述人机交互单元包括液晶显示单元和键盘输入单元。所述的人机交互单元包括液晶显示单元和键盘输入单元,它们是电动汽车充电执行单元和电动汽车充电中央控制单元信息连接的桥梁。液晶显示的电动汽车充电状态等信息从中央控制单元获得, 键盘输入的购电金额或购电电量等信息需要从电动汽车充电执行单元输入再传递到中央控制单元进行控制。
[0010] 优选的,所述充电桩控制装置的电源规格为DC5V 100mA。
[0011] 优选的,所述充放电检测控制单元包括自适应数字滤波器。所述的充放电检测控制单元主要负责检测电动汽车蓄电池的状态,主要包括亏电状态、即将充满状态和已充满状态三种;所述的电动汽车充电桩控制装置的中央控制单元根据不同的充电状态发出不同的控制指令(快速充电、慢速充电和停止充电),执行单元根据该指令进行相应的操作。所述的充放电检测控制单元包括自适应数字滤波器,该滤波器根据蓄电池的能量特性曲线和蓄电池工作中的电流电压所得的等效电路,利用自适应算法推算出剩余电量。
[0012] 所述的充电桩控制装置的电源规格为DC5V 100mA,其主要负责向整个充电桩控制装置供电。
[0013] 优选的,所述安全存储单元ESAM芯片的型号为SSX0909,其采用DIP形式封装。
[0014] 优选的,所述RS485通信单元分别与所述电动汽车充电中央控制单元和智能电能表连接。
[0015] 优选的,所述TTL电平通信单元分别与所述电动汽车充电中央控制单元和电动汽车充电执行单元连接。
[0016] 所述的GPRS通信单元是充电桩控制单元和后台主站进行通信的接口,它主要通过GPRS网络和后台主站进行通信,由智能电能表记录充电桩的充放电量。
[0017] 所述的射频读卡单元的型号为FM1702,其主要用于读取用户卡的卡片类型、用户 ID、卡片序列号、卡内剩余金额、锁定的车牌号、卡片的交易密钥等信息。
[0018] 所述的电动汽车充电中央控制单元中,CPU控制单元I通过射频读卡单元读取用户卡的卡片信息,并通过安全存储单元ESAM芯片对用户卡片信息进行验证,以确认卡片的身份合法性。在身份确认后,CPU控制单元将读取的用户信息通过TTL电平通信单元等发送给充电执行单元,充电执行单元的液晶显示单元将用户信息显示出来;用户通过键盘输入单元输入消费金额等信息,该信息通过TTL电平通信单元发送给中央控制单元。执行单元的GPRS通信单元接收后台主站发来的电价信息、黑、灰名单等关键信息的密文,通过TTL
5电平通信单元传给中央控制单元,由安全存储单元ESAM芯片进行解密,之后将上述信息存储在EEPROM存储器中。中央控制单元通过RS485电平转换电路从智能电能表中读取充电桩的实时充电电量信息;并根据用户消费金额、用电量,电价、服务费等信息判断是否发出停止充电的控制信息。
[0019] 所述的电动汽车充电执行单元通过GPRS通信单元与后台主站通信,发送充电桩的工作状态,接收后台主站发送的电价调整、黑灰名单更新、参数设置和控制信息等。后台主站发送的电价调整和黑灰名单的更新等信息均是密文,充电执行单元将该密文发送给中央控制单元,经ESAM芯片解密后,存储在EEPROM存储器中,当用户刷卡时中央控制单元根据已存储的参数等信息给出不同的指令,然后通知执行单元执行相应操作。此外,用户可从电动汽车充电执行单元的输入单元输入充值金额或时间限值等信息,充电过程信息也可在充电执行单元的液晶显示单元显示。
[0020] 与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
[0021 ] (1)本发明的电动汽车充电桩控制装置可以通过射频卡刷卡实现电动汽车的充电计费,操作简单方便。
[0022] (2)本发明的电动汽车充电桩控制装置可以通过安全存储单元ESAM芯片实现用户的身份认证和数据的加解密功能,增强了数据传输的安全性。
[0023] (3)本发明的电动汽车充电桩控制装置可以采用自适应算法根据蓄电池的能量特性曲线和蓄电池工作中的电流电压所得的等效电路推算出剩余电量,精确度相对较高。
[0024] (4)本发明的电动汽车充电桩控制装置还包括人机交互单元,它使充放电过程一目了然。
[0025] (5)本发明的电动汽车充电桩控制装置还可以实时监测充电桩状态,传输充电交易指令,传输充电消费明细,使电费的核算更加准确可靠。
附图说明
[0026] 图1是本发明提供的充电桩控制装置结构图。
[0027] 图2是本发明提供的充电桩控制装置工作状态图。
[0028] 图3是本发明提供的充电桩控制装置充值计费流程图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0030] 如图1所示本实施例的充电桩控制装置中央控制单元主要包括CPU控制单元、存储单元、射频读卡单元、通信单元等部分。存储单元包括安全存储单元ESAM芯片和EEPROM 存储单元。通信单元包括RS485通信单元和TTL电平通信单元等。所述CPU控制单元I分别与所述存储单元、所述射频读卡单元和所述通信单元连接。CPU控制单元通过射频读卡单元读取用户卡的卡片信息,并通过安全存储单元ESAM芯片对用户卡片信息进行验证,以确认卡片的身份合法性。在身份确认后,CPU控制单元将读取的用户信息通过TTL电平通信单元等发送给充电执行单元,充电执行单元的液晶显示单元将用户信息显示出来;用户通过键盘输入单元输入消费金额等信息,该信息通过TTL电平通信单元发送给中央控制单元。执行单元的GPRS通信单元接收后台主站发来的电价信息、黑、灰名单等关键信息的密
6文,通过TTL电平通信单元传给中央控制单元,由安全存储单元ESAM芯片进行解密,之后将上述信息存储在EEPROM存储器中。中央控制单元通过RS485电平转换电路从智能电能表中读取充电桩的实时充电电量信息;并根据用户消费金额、用电量,电价、服务费等信息判断是否发出停止充电的控制信息。
[0031] 图1所示的电动汽车充电执行单元包括CPU控制单元II、GPRS通信单元、人机交互单元和充放电检测控制单元;所述CPU控制单元II分别与所述GPRS通信单元、所述人机交互单元和所述充放电检测控制单元连接。CPU控制单元II通过GPRS通信单元与后台主站通信,发送充电桩的工作状态,接收后台主站发送的电价调整、黑灰名单更新、参数设置和控制信息等。后台主站发送的电价调整和黑灰名单的更新等信息均是密文,充电执行单元将该密文发送给中央控制单元,经ESAM芯片解密后,存储在EEPROM存储器中,当用户刷卡时中央控制单元根据已存储的参数等信息给出不同的指令,然后通知执行单元执行相应操作。电动汽车充电执行单元的液晶显示的部分信息从中央控制单元获得,键盘输入的部分信息需要输入到中央控制单元进行控制。电动汽车充电执行单元的充放电检测控制单元主要负责检测充电的状态,是否已经充满,充电是否正在进行,充电是否故障等信息;所述的充放电检测控制单元还负责执行中央控制单元发出的控制指令(开始充电和停止充电)寸。
[0032] 如图2所示,是本实施例的充电桩控制装置的三个工作状态:空闲(idle),准备充电(ready),充电状态(busy)。
[0033] 充电桩在空闲(idle)状态时,执行单元定时轮询中央控制单元的状态,检测是否有用户刷卡,如有用户刷卡,则进入准备充电(ready)状态,开始充电桩的计费功能。
[0034] 当充电桩处于充电状态(busy)时,执行单元定时轮询中央控制单元的状态,检测是否有用户刷卡,判断是否是该用户再次刷卡,如是再次刷卡,则进行结算,停止充电。
[0035] 如图3所示,是充电桩控制装置充值计费流程:
[0036] 1)第一次刷卡时,读取用户卡的信息(卡片类型、用户ID、卡片序列号、卡内剩余金额、锁定的车牌号、卡片的交易密钥等);
[0037] 2)检索黑灰名单,判断该卡的合法性,即判断其是否处于挂失或锁定状态,如果不合法则结束;如果合法则提示输入用户消费交易密码;
[0038] 3)用户通过键盘输入交易密码,执行单元将输入的交易密码发送给中央控制单元,中央控制单元验证通过后,将验证结果送执行单元;
[0039] 4)如果验证通过,则执行单元向中央控制单元索要卡片的剩余金额,用户ID等信息;
[0040] 5)执行单元显示该卡的用户信息:卡类型、户号、卡内剩余金额、绑定的车牌号等信息,及该卡可支持的消费模式,其中消费模式包括自动充电和定时充电;
[0041] 6)用户通过键盘选定消费模式、消费的设定电量,金额(或定时充电的充电时间),发送给中央执行单元。
[0042] 7)执行单元将选定的充电模式,设定的充电设备额定电量,充电金额或充电设定时间等信息发送给中央控制单元;
[0043] 8)中央控制单元读取电能表的电压、电流、正向有功总电能等信息发送给执行单元,同时给执行单元发送启动充电的命令。
7[0044] 9)中央控制单元开始定时读取电能表的电量信息,根据电量信息实时扣减卡片金额;
[0045] 10)执行单元定时检测充电状态并向中央控制单元请求卡内余额,显示在液晶屏上;
[0046] 11)当执行单元检测到充电设备已充满电或扣减金额达到设定金额或计时时间达到设定时间时,则中央控制单元发出控制命令,停止充电;
[0047] 12)中央控制单元再次读取电能表的电压、电流、正向有功总电能等信息发送给执行单元,同时对该用户的充值操作进行结算,等待用户再次刷卡;
[0048] 13)用户再次刷卡,进行金额结算并解除锁定状态。
[0049] 14)执行单元记录本次交易的信息,并形成交易记录进行存储。
[0050] 最后应该说明的是:结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到:本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
8

Claims (14)

1. 一种具有安全防护功能的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述充电桩控制装置包括电动汽车充电中央控制单元和电动汽车充电执行单元;所述电动汽车充电中央控制单元包括CPU控制单元I、存储单元、射频读卡单元和通信单元;所述电动汽车充电执行单元包括CPU控制单元II、GPRS通信单元、人机交互单元和充放电检测控制单元;所述CPU控制单元I分别与所述存储单元、所述射频读卡单元和所述通信单元连接;所述CPU控制单元II分别与所述GPRS通信单元、所述人机交互单元和所述充放电检测控制单元连接;所述GPRS通信单元与后台主站连接,通过GPRS网络实现充电桩控制装置和所述后台主站之间通信。
2.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述CPU控制单元I的型号为STM32F103,用于分析处理数据信息,向所述存储单元、所述射频读卡单元和通信单元给出控制命令。
3.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述存储单元包括安全存储单元ESAM芯片和EEPROM存储单元。
4.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述通信单元包括 RS485通信单元和TTL电平通信单元。
5.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述人机交互单元包括液晶显示单元和键盘输入单元。
6.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述充放电检测控制单元检测电动汽车蓄电池的状态;所述充电执行单元根据所述CPU控制单元I发出的控制指令进行充电。
7.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述充电桩控制装置的电源规格为DC5V 100mA。
8.如权利要求1所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述的射频读卡单元的型号为FM1702,用于读取用户卡的卡片类型、用户ID、卡片序列号、卡内剩余金额、锁定的车牌号、卡片的交易密钥信息。
9.如权利要求3所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述安全存储单元 ESAM芯片的型号为SSX0909,采用DIP形式封装,用于存储钱包文件、安全防护信息和刷卡时的密钥验证信息;所述ESAM芯片采用对称密码算法和非对称密码算法,对称密码算法完成数据的加/解密,非对称密码算法完成密钥验证信息更新。
10.如权利要求3所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述EEPROM存储单元存储经过安全存储单元ESAM芯片认证或解密后的信息。
11.如权利要求4所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述RS485通信单元实现所述电动汽车充电中央控制单元与智能电能表之间的数据通信,由智能电能表记录充电桩的充放电量。
12.如权利要求4所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述TTL电平通信单元实现所述电动汽车充电中央控制单元和电动汽车充电执行单元之间的数据通信,所述数据通信采用中断方式。
13.如权利要求5所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述液晶显示单元和键盘输入单元用于电动汽车充电执行单元信息和电动汽车充电中央控制单元信息之间交互。
14.如权利要求6所述的电动汽车充电桩控制装置,其特征在于,所述充放电检测控制单元包括自适应数字滤波器,所述自适应数字滤波器根据蓄电池的能量特性曲线和蓄电池工作中的电流电压所得的等效电路,利用自适应算法算出剩余电量。
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