CN104022549B - 一种电动汽车智能充电接入系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车智能充电接入系统，包括智能充电引导系统和基于无线通信网络的车辆认证系统；所述智能充电引导系统包括中央服务器、移动通信网络及Internet、充电站端数据采集系统和车载信息采集终端。本发明可以为用户提供准确的充电站分布信息，根据用户的车辆信息引导用户接入充电站的具体的充电桩进行充电；中央服务器可以接受来自于用户端的多种方式的查询并结合车辆本身的电池参数和用户喜好或要求做出合理的充电规划和决策方案；车辆认证系统作用为实现对合法充电用户的身份认证、付费情况，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源（如充电桩、电量等），保护用户的隐私及保证数据的安全性。

Description

一种电动汽车智能充电接入系统

技术领域

本发明涉及电动汽车智能充电装置，具体涉及一种电动汽车智能充电接入系统。

背景技术

电动汽车的推广对解决能源问题和环境问题具有很大的帮助。电动汽车的推广需要完善的基础设施的支持，尤其是智能充电系统的支持，否则电动汽车会因为电池充电问题而达不到用户的使用需求而难以推行。国内外对电动汽车基础设施关键技术的研究主要围绕智能充电站而进行。例如，IBM公司、本田公司和PE&G公司针对电动汽车智能充电系统开展了联合实验项目，并取得了显著的成果。其他的相关研究也围绕如何利用ICT技术实现电动汽车接入电网的智能控制来实现优化的充电过程。

目前的电动汽车所使用的磷酸铁锂动力电池组件是一种新兴的电池类型，该电池具备能量密度高、重量小、能够大电流充放电等优异特性，符合作为纯电动汽车对动力电池组件的需求。但目前，适合磷酸铁锂电池的性能以及寿命相关的基本数据并不完备，各个车辆的电池组的状况不同，采用何种充电模式才能够避免充电过程中电池中的材料结晶，过大电流放电对电池寿命会产生多大的负面影响，电池工作过程中的温度因素等等都需要实际的充电站、车辆的测量参数才能进行分析汇总，实现有效充电。

物联网英文名称是“The Internet of things”，也称为“Web of Things”，是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的定义是通过信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。物联网被视为互联网的应用扩展，应用创新是物联网的发展的核心，以用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。另外，目前我国的无线通信网络已经覆盖了城乡，无线网络是实现“物联网”必不可少的基础设施，安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。

但是，在已经趋于完善的网络技术的支持下，电动汽车接入智能充电站的充电设备时，需要从更高和更加广阔的角度出发，综合考虑用户的电动汽车充电过程中的各种因素，例如动力电池的寿命、电网的负载、用户的要求、用户的隐私和安全等，并将这些因素作为智能充电系统设计的根据，融合到平台的建设中，才能实现合理、高效的充电服务。因此，迫切需要一种电动汽车智能充电接入系统。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种电动汽车智能充电接入系统。

本发明采用的技术方案如下。

一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：所述电动汽车智能充电接入系统包括：

（1）智能充电引导系统，所述智能充电引导系统包括：

为用户提供合理的充电引导服务的中央服务器，所述中央服务器包括数据库、车载终端查询服务器、网页查询服务器；

充电站端信息采集系统，所述充电站端信息采集系统将充电站的电能信息进行采集并通过通讯网络传递给中央服务器；充电站端信息采集系统包括充电站信息采集设备；所述通讯网络为移动通信网络或Internet；

用户端，所述用户端包括智能车载终端、移动设备/PC，可通过通讯网络与所述中央服务器的车载终端查询服务器、网页查询服务器进行通讯，可以查询充电引导服务的参考信息或向中央服务器发送控制命令；所述移动设备为手机或平板电脑；所述通讯网络为移动通信网络或Internet；

（2）基于无线通信网络的车辆认证系统，实现对合法充电用户的身份认证，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源；

所述基于无线通信网络的车辆认证系统包括：

充电站识别设备；

车载信息采集终端，用于采集电动汽车的身份信息和电池的状态信息并通过通讯网络传递给中央服务器；

写入初始化密钥的智能卡，所述智能卡设置在智能车载终端或移动设备/PC上并可通过通讯网络与所述中央服务器通讯；

认证中心，所述认证中心设置在中央服务器上；

所述用户端通过两种方式向中央服务器发起充电引导请求服务：即被动和主动方式；

所述被动方式的触发条件为车辆电池的某一状态超过警戒值；

所述主动方式是由用户发起的，用户通过用户端的可视化界面或者语言来实现查询并向中央服务器发送控制命令实现充电引导请求服务。

进一步，所述基于无线通信网络的车辆认证系统中的车辆认证系统采用基于RFID的身份识别认证系统。

进一步，所述基于无线通信网络的车辆认证系统包括：

充电识别设备，所述充电识别设备安装在电动汽车充电系统的本地工作站，并通过无线网络与中央服务器相连；

所述车辆认证系统的认证协议采用基于环签名的认证算法；所述车辆认证系统中，每个充电站投入使用之前需要对其进行密钥的初始化，其初始化过程为：

充电识别设备的集中器生成RSA签名的公共密钥对（S,P）；

认证中心利用客户的签名密钥对P签名sig（P），建立ID与P的映射，并存入数据库;

电动汽车的初始化过程借助智能卡完成，可将初始化密钥写入智能卡中，在电动汽车中装载智能卡的读取设备完成密钥的传输；

在初始化阶段，认证中心首先读取智能卡的ID号，然后为电动汽车计算签名公私密钥对，分配环信息，用自己的私钥对公钥环信息进行签名，生成其签名公钥的证书，然后认证中心生成与电动汽车共享的对称加密密钥，并且在自己的数据库中加入电动汽车ID号与以上信息的映射条目；最后将以上信息和自己的认证公钥写入智能卡，当电动汽车插入该智能卡时即完成初始化。

通过基于无线通信网络的车辆认证系统实现对合法充电用户的身份认证，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源。

进一步，无线网络采用无线通短信模式。

进一步，环签名算法可以使车辆在通过认证的过程中不暴露车辆的ID信息。

进一步，基于数字签名的认证协议为分布式认证，即在没有中心服务器参与的情况下，仅仅依靠汽车和充电站二者就可以完成认证。

进一步，所述认证算法使用批量认证（即多辆车进行同时认证）的方式，以提高计算效率、缩短认证时间。

进一步，电动汽车智能充电接入系统还包括基于RFID的安全支付系统，所述基于RFID的安全支付系统采用非接触式CPU卡作为支付的媒介，包括支付卡发行管理系统、支付卡出售系统、支付卡充值系统和消费终端机，发卡管理系统主要负责支付卡的密钥的管理；支付卡出售系统根据用户的注册情况将卡片通过各种方式送到用户手中；用户可以通过售卡中心的网站进行注册和卡片的申请；支付卡充值系统完成账户的充值行为；用户可以使用与支付在卡片中的金额对充电的电量进行支付；一旦发生金额不足的情况可以通过补交现金或者与将本次充电交易缺少的金额计入汽车充电接入系统的账户中。

进一步，所述中央服务器通过对充电站端信息采集系统采集的充电站的电能信息进行分析处理，可以为用户提供准确的充电站分布信息，并结合电动汽车本身的电池参数和用户喜好做出合理的充电规划和决策方案。

进一步，所述电池的状态信息包括温度、电压、剩余可用电量、工作电流物理量。

本发明的有益效果是：本发明电动汽车智能充电接入系统，可以为用户提供准确的充电站分布信息，根据用户的车辆信息引导用户接入充电站的具体的充电桩进行充电；中央服务器可以接受来自于用户端的多种方式的查询，例如基于位置信息的查询及基于文字的查询等，并结合车辆本身的电池参数和用户喜好或要求做出合理的充电规划和决策方案；能满足电动汽车实验性发展阶段的动力电池组件寿命相关数据的测试以及未来电动汽车普及时的实际用车的便利性需求；车辆认证系统作用为实现对合法充电用户的身份认证、付费情况，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源（如充电桩、电量等），保护用户的隐私及保证数据的安全性。

附图说明

图1是本发明电动汽车智能充电接入系统的结构图。

图2是不涉及到可信第三方的鉴别机制的执行流程图。

图3是本认证协议中充电站的初始化流程图。

图4是基于RFID的安全支付系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1。一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：所述电动汽车智能充电接入系统包括：

（1）智能充电引导系统，所述智能充电引导系统包括：

为用户提供合理的充电引导服务的中央服务器2，所述中央服务器2包括数据库21、车载终端查询服务器22、网页查询服务器23；

充电站端信息采集系统1，所述充电站端信息采集系统1将充电站的电能信息进行采集并通过通讯网络4传递给中央服务器2；充电站端信息采集系统1包括充电站信息采集设备11；所述通讯网络4为移动通信网络或Internet；

用户端3，所述用户端3包括智能车载终端31、移动设备/PC32，可通过通讯网络5与所述中央服务器2的车载终端查询服务器22、网页查询服务器23进行通讯，可以查询充电引导服务的参考信息或向中央服务器2发送控制命令；所述移动设备为手机或平板电脑；所述通讯网络5为移动通信网络或Internet；

（2）基于无线通信网络的车辆认证系统，实现对合法充电用户的身份认证，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源；

所述基于无线通信网络的车辆认证系统包括：

充电站识别设备12；

车载信息采集终端33，用于采集电动汽车的身份信息和电池的状态信息并通过通讯网络5传递给中央服务器2；

写入初始化密钥的智能卡，所述智能卡设置在智能车载终端31或移动设备/PC32上并可通过通讯网络5与所述中央服务器2通讯；

认证中心24，所述认证中心24设置在中央服务器2上；

所述用户端通过两种方式向中央服务器发起充电引导请求服务：即被动和主动方式；

所述被动方式的触发条件为车辆电池的某一状态超过警戒值；

所述主动方式是由用户发起的，用户通过用户端的可视化界面或者语言来实现查询并向中央服务器发送控制命令实现充电引导请求服务。

所述基于无线通信网络的车辆认证系统中的车辆认证系统采用基于RFID 的身份识别认证系统。

电动汽车智能充电接入系统为电动汽车只能充电系统的子系统。其作用为实现智能化的电动汽车充电接入服务。从功能上可以划分为两个部分：智能充电引导系统和基于无线通信网络的车辆认证系统。本部分系统的结构图如图1所示：

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。一套完整 RFID系统由Reader 与 Transponder 两部份组成 ,其动作原理为由 Reader 发射一特定频率之无限电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将內部之ID Code送出，此时Reader便接收此ID Code。 Transponder的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。 RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。基于此，本发明设计了基于无线通信网络的车辆认证系统，用于对电动车辆进行身份识别。如图1 所示，最基本的RFID 系统由电子标签（应答器）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）三部分组成。

电子标签：电子标签也称作智能标签、应答器，它是指由IC 芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码（EPC），附着在要标识的目标物体上。阅读器：阅读器又称读头、读写器等，它在RFID 系统中扮演着重要的角色，主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自主机系统的控制指令。阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了身频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线3部分组成。为保障存储器中数据的安全， 对电子标签 中的AES 模块对数据进行加密后再存储，密钥存储于电子标签的片内数据区中中，在芯片第一次上电时随机生成，不可读出，这样保证了存储在EEPROM 中数据的静态安全性。此外，为防止硬件上的安全隐患，即EEPROM 被人为替换。我们采取电子标签与EEPROM 的ID 号匹配认证的方式，以实现两个芯片的一一对应。

为了保证存储在电子标签中的数据安全性，需要对访问电子标签的读卡器进行身份认证操作。为此，我们受到MifareOne卡中存储区按块和扇区划分的启发。将该电子标签EEPROM 中连续的存储空间映射成扇区的方式读写，并设置每一扇区有各自的读写权限。扇区又分为若干的块，读卡器操作时读写的最小单位为块，一个块有16 字节的空间。卡片将读卡器发来的扇区+块的地址映射成扇区+偏移量的地址进行读卡。读卡器发来读写卡的命令同时包含被读写扇区的权限密钥。 此时就起到了数据加解密与访问控制的作用，它是一种强制访问控制方式。本实施例中，选择TI 公司的CCS511 做为电子标签。车辆认证系统的关键部分在于车辆的认证身份协议设计。在本实施例中所设计的认证协议应充分考虑系统运行过程中可能出现的各种安全风险，并采取适当的应对措施，不仅在安全性上满足要求，并且在计算性能及网络性能上都要具有较高的效率。

本实施例中，认证协议的设计拟采用基于环签名的认证算法，该算法具有相比于其他认证算法具有两个突出的优势：

首先，环签名算法可以使车辆在通过认证的过程中避免暴露自身的ID信息，因此可以有效的保护用户的隐私。

为了保证读卡器和电子标签之间的相互认证和双方通信数据的安全性，采用了不涉及到第三方的鉴别机制实现读卡器和标签的认证和密钥协商。这种鉴别机制中，Reader和Card 在开始运行鉴别机制之前应共享一个公共的秘密鉴别密钥K，并假设其是安全的。其机制流程如图2所示。

不涉及到可信第三方的鉴别机制的执行过程如下：

① Reade 广播AUTHENTICATION 命令；

② Card 返回相应信息ACK。

③ Reader 接收到ACK 后，产生随机数A 公共密钥加密和Card 的ID 号运算用形成ERD 发送给Card；

④ Card 接收到ERD 与自己的ID 号比较，相同，解密随机数A 并产生随机数B 运算，用公共密钥加密形成EDR发送给Reader；不相同，停止；

⑤ Reader 成功接收后将接收的EDR 再一次发送给Card，并用公共密钥解密EDR，提取随机数A′并与自己产生的随机数A 对比，相同，Reader 方认证成功；否则，认证失败；

⑥ Card 成功接收EDR 后，用公共密钥解密EDR，提取随机数B′并与自己产生的随机数B 对比，相同，Card 方认证成功；否则，认证失败。这种鉴别机制中，唯一性/时间性是通过产生并检验随机数来控制的。在⑤中，Reader 再一次发送EDR 是为了给Card验证随机数B。

其次，基于数字签名的认证协议可以实现分布式认证，即在没有中心服务器参与的情况下，仅仅依靠汽车和充电站二者就可以完成认证，这样会使系统的鲁棒性增加。

另外，由于电动汽车到达充电站的时间具有一定的规律性，如大量的电动汽车会在上班时间的早晨集中到达一个充电站进行充电或停车，因此可以使用批量认证（即多辆车进行同时认证）的方式设计认证系统以提高计算效率、缩短认证时间。

在本实施例设计的认证系统中，每个充电站投入使用之前需要对其进行密钥的初始化，其初始化过程如图3所示（其中所用到的符号如表1所示）。

表1 符号含义

符号	含义
			电动汽车的真实ID号
	认证中心的签名验证与加密公钥
			电动汽车与认证中心共享的对称加密密钥
	集中器的签名验证公钥
			电动汽车为消息M生成的环签名
	集中器为消息M生成的签名
			用认证中心的加密公钥进行非对称加密

电动汽车的初始化过程与集中器有所不同，因为电动汽车无法直接与认证中心通信，其初始化过程可以借助其他的一些方法完成（如智能卡技术等）。可将初始化密钥写入智能卡中，在电动汽车中装载智能卡的读取设备完成密钥的传输。在初始化阶段，认证中心首先读取卡片的ID号，然后为电动汽车计算签名公私密钥对，分配环信息，用自己的私钥对公钥环信息进行签名，生成其签名公钥的证书，然后认证中心生成与电动汽车共享的对称加密密钥，并且在自己的数据库中加入电动汽车ID号与以上信息的映射条目。最后将以上信息和自己的认证公钥写入智能卡，当电动汽车插入该智能卡时即完成初始化。

安全支付系统是本实施例中的一个重要环节。本实施例旨在提出基于RFID技术的安全支付解决方案。由于涉及到金钱及交易，现有的很多RFID系统都存在着很大的安全隐患，面对很多攻击方式（如窃听、伪造、假冒等）都表现出明显的脆弱性。因此为了保护用户账户的安全，具有较高安全等级的RFID系统是本实施例必须要解决的问题。本实施例的基于RFID的安全支付系统架构如图4所示。

本系统采用非接触式CPU卡作为支付卡45，主要由支付卡发行管理系统41，支付卡出售系统42，支付卡充值系统44和消费终端机43等几个主要部分构成。发卡管理系统主要负责密钥的管理，由于密钥在智能卡支付系统中占有绝对重要的地位，因此在本实施例中，应该采用安全性较高的密钥卡。支付卡出售系统根据用户的注册情况将卡片通过各种方式送到用户手中。用户可以通过售卡中心的网站进行注册和卡片的申请。支付卡充值系统完成账户的充值行为。用户可以使用与支付在卡片中的金额对充电的电量进行支付。一旦发生金额不足的情况可以通过补交现金或者与将本次充电交易缺少的金额计入汽车充电接入系统的账户中。

基于无线通信网络的车辆认证系统作用为实现对合法充电用户的身份认证，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源（如充电桩、电量等）。车辆认证系统应该注意保护用户的隐私及保证数据的安全性。本部分的无线通短信模式可以根据实际的情况采用合适的通信方式，如RFID、Zigbee等。

本实施例从更高和更加广阔的角度出发，综合考虑电动汽车充电过程中的各种因素（例如动力电池的寿命、电网的负载、用户的要求、用户的隐私和安全等），并将这些因素作为系统设计的根据融合到平台的建设中。因此，相比于其他研究，本实施例具有更高的实用性和合理性。

Claims (6)

1.一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：所述电动汽车智能充电接入系统包括：

1）智能充电引导系统，所述智能充电引导系统包括：

为用户提供合理的充电引导服务的中央服务器（2），所述中央服务器（2）包括数据库（21）、车载终端查询服务器（22）、网页查询服务器（23）；

充电站端信息采集系统（1），所述充电站端信息采集系统（1）将充电站的电能信息进行采集并通过通讯网络4传递给中央服务器（2）；充电站端信息采集系统（1）包括充电站信息采集设备（11）；所述通讯网络4为移动通信网络或Internet；

用户端（3），所述用户端（3）包括智能车载终端（31）、移动设备/PC（32），可通过通讯网络5与所述中央服务器（2）的车载终端查询服务器（22）、网页查询服务器（23）进行通讯，可以查询充电引导服务的参考信息或向中央服务器（2）发送控制命令；所述移动设备为手机或平板电脑；所述通讯网络5为移动通信网络或Internet；

2）基于无线通信网络的车辆认证系统，实现对合法充电用户的身份认证，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源；

所述基于无线通信网络的车辆认证系统包括：

充电站识别设备（12）；

车载信息采集终端（33），用于采集电动汽车的身份信息和电池的状态信息并通过通讯网络5传递给中央服务器（2）；

写入初始化密钥的智能卡，所述智能卡设置在智能车载终端（31）或移动设备/PC（32）上并可通过通讯网络5与所述中央服务器（2）通讯；

认证中心（24），所述认证中心（24）设置在中央服务器（2）上；

所述用户端通过两种方式向中央服务器发起充电引导请求服务：即被动和主动方式；

所述被动方式的触发条件为车辆电池的某一状态超过警戒值；

所述主动方式是由用户发起的，用户通过用户端的可视化界面或者语言来实现查询并向中央服务器发送控制命令实现充电引导请求服务；

基于数字签名的认证协议为分布式认证，即在没有中心服务器参与的情况下，仅仅依靠汽车和充电站二者就可以完成认证；所述认证算法使用批量认证的方式，以提高计算效率、缩短认证时间；

电动汽车智能充电接入系统还包括基于RFID的安全支付系统，所述基于RFID的安全支付系统采用非接触式CPU卡作为支付的媒介，包括支付卡发行管理系统、支付卡出售系统、支付卡充值系统和消费终端机，发卡管理系统主要负责支付卡的密钥的管理；支付卡出售系统根据用户的注册情况将卡片通过各种方式送到用户手中；用户可以通过售卡中心的网站进行注册和卡片的申请；支付卡充值系统完成账户的充值行为；用户可以使用与支付在卡片中的金额对充电的电量进行支付；一旦发生金额不足的情况可以通过补交现金或者与将本次充电交易缺少的金额计入汽车充电接入系统的账户中；

所述中央服务器通过对充电站端信息采集系统采集的充电站的电能信息进行分析处理，可以为用户提供准确的充电站分布信息，并结合电动汽车本身的电池参数和用户喜好做出合理的充电规划和决策方案。

2.如权利要求1所述的一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：所述基于无线通信网络的车辆认证系统中的车辆认证系统采用基于RFID 的身份识别认证系统。

3.如权利要求2所述的一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：所述基于无线通信网络的车辆认证系统的认证协议采用基于环签名的认证算法；所述车辆认证系统中，每个充电站投入使用之前需要对其进行密钥的初始化，其初始化过程为：

充电识别设备的集中器生成RSA签名的公共密钥对（S,P）；

认证中心利用客户的签名密钥对P签名sig（P），建立ID与P的映射，并存入数据库;

电动汽车的初始化过程借助智能卡完成，可将初始化密钥写入智能卡中，在电动汽车中装载智能卡的读取设备完成密钥的传输；

在初始化阶段，认证中心首先读取智能卡的ID号，然后为电动汽车计算签名公私密钥对，分配环信息，用自己的私钥对公钥环信息进行签名，生成其签名公钥的证书，然后认证中心生成与电动汽车共享的对称加密密钥，并且在自己的数据库中加入电动汽车ID号与以上信息的映射条目；最后将以上信息和自己的认证公钥写入智能卡，当电动汽车插入该智能卡时即完成初始化；

通过基于无线通信网络的车辆认证系统实现对合法充电用户的身份认证，从而杜绝非法的汽车占用有限的充电资源。

4.如权利要求3所述的一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：无线网络采用无线通短信模式。

5.如权利要求3所述的一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：环签名算法可以使车辆在通过认证的过程中不暴露车辆的ID信息。

6.如权利要求1所述的一种电动汽车智能充电接入系统，其特征在于：所述电池的状态信息包括温度、电压、剩余可用电量、工作电流物理量。