CN106602657B - 一种充电桩及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电桩及其工作方法，包括充电桩体与操作面板，操作面板连接在充电桩体上；所述充电桩体内带有若干个充电模块I、若干个充电模块II、控制模块、电源模块；控制模块分别与充电模块I、充电模块II、电源模块连接；操作面板覆盖在充电模块I、充电模块II的上方，构成操作面板上的充电区域；操作面板覆盖在控制模块上方，构成操作面板上的控制区域；另外充电桩工作时，用户输入的密码必须和充电桩内部的动态密码必须一致时充电端口才能供电。本发明充电桩成本低廉，部署简单，无需网络连接；工作时操作简单，便于用户使用。

Description

一种充电桩及其工作方法

技术领域

本发明涉及充电控制技术领域，尤其涉及一种充电桩及其工作方法。

背景技术

充电桩功能就像加油站一样，可以固定在地面或墙壁，安装于公共场所，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车，手机等充电。目前充电桩已经被广泛部署于机场，火车站，宾馆和旅游景点等公共场所。

充电桩连接交流电网并拥有操作面板，在操作面板上包含一个或多个充电端口和其他的操作部件。充电端口可以是USB插口直流充电或者交流插口充电。例如，USB插口可以用于手机和其他移动设备充电；交流插口可以用于电动车充电。用户把需要充电的设备插入到某个充电端口，然后按照一定的步骤完成操作面板上的一系列操作，充电端口即可以向该端口的设备供电。

为了限制用户数量和用户使用的时间，充电桩一般不提供完全免费的服务。目前充电桩服务比较常用的模式有直接收费模式和密码认证模式，这两种模式各有优缺点。

1.直接收费模式：用户向充电桩投入一定数量的零钱或者刷银行卡作为支付，充电桩收到支付后开始向设备供电同时开始计费。这种模式的优点是部署简单，用户操作方便；缺点是需要人员维护定期取走零钱，如果使用银行卡支付更需要在充电桩内置POS机刷卡设备。

2.密码认证模式：充电桩和网络相连，为每个充电端口分配一个ID并建立一个对应的二维码。用户扫描二维码在跳转页面输入手机号码或者关注公众号，密码通过手机短信或者微信公众号推送的方式发送给用户。用户在充电桩输入密码后，充电桩通过网络连接验证密码的正确性。如果密码正确，则充电端口开始供电并计费。如需付费，用户可以通过手机话费支付，或者支付宝和微信进行支付。这种模式的优点是支付简单，用户不需要准备零钱，可以随时通过网络支付进行；缺点是充电桩需要拥有网络接口，同时在部署地点需要有网络连接，这造成充电桩部署成本上升。如果网络是无线连接，还会影响到系统的可靠性。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种充电桩，本充电桩结构简单，同时满足USB接口充电和插座接口充电，节约了成本，方便部署。

本发明另一目的在于提供一种充电桩的工作方法，本方法操作简单，便于用户使用。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种充电桩，包括充电桩体与操作面板，操作面板连接在充电桩体上；所述充电桩体内带有若干个充电模块I、若干个充电模块II、控制模块、电源模块；控制模块分别与充电模块I、充电模块II、电源模块连接；操作面板覆盖在充电模块I、充电模块II的上方，构成操作面板上的充电区域；操作面板覆盖在控制模块上方，构成操作面板上的控制区域。

作为优选，所述的控制模块包括中央控制器、初始时间寄存器、时钟电路、输入设备、输出设备；中央控制器分别与初始时间寄存器、时钟电路、输入设备、输出设备相连；所述控制模块的输入设备、输出设备镶嵌在操作面板的通孔内，构成操作面板上的控制区域；输入设备优选为键盘；输出设备优选为液晶显示屏或扬声器。

作为优选，所述的充电模块I包括USB充电接口、指示灯、启动按钮、开关电路、定时器、密钥寄存器；开关电路分别与USB充电接口、指示灯、启动按钮、定时器、中央控制器相连；密钥寄存器与中央控制器连接；启动按钮与定时器相连。

作为优选，所述的充电模块II包括A型/C型交流电插座、指示灯、启动按钮、开关电路、定时器、继电器、密钥寄存器；开关电路分别与继电器、指示灯、启动按钮、定时器、中央控制器相连；密钥寄存器与中央控制器连接；继电器与A型/C型交流电插座连接；启动按钮与定时器相连。

作为优选，所述操作面板上的充电区域包括若干个子区域，每个子区域下有一个充电模块，每个充电模块的指示灯、启动按钮、USB充电接口或A型/C型交流电插座镶嵌在操作面板的通孔内；每个子区域内有对应的二维码。

一种充电桩的工作方法，包括如下步骤：

(1)待充电桩初始化后用户选择所需的充电区域，在充电区域内的充电端口插入充电设备并按下启动按钮；

(2)操作面板上的输出设备提示用户扫描充电区域内对应的二维码，以获取密码；

(3)用户扫描对应的二维码，在二维码打开的指定页面获取密码，获取方法包括如下两种：

(i)在二维码指定页面，用户输入手机号通过短信获取密码；

(ii)在二维码指定页面，用户关注微信公众号通过微信公众号消息推送获取密码；

(4)用户通过操作面板上的输入设备输入密码，充电桩比对用户输入的密码和对应充电端口内部的动态密码是否匹配，若匹配不成功则充电端口启动失败，返回步骤(1)；若匹配成功，充电端口启动供电，充电区域内的指示灯亮；

(5)若用户拔出充电设备或者充电超过最长充电时间Γ，充电端口停止供电，充电区域内的指示灯灭。

作为优选，所述充电桩设置有等待用户输入密码超时时间γ,若用户输入密码超时，则自动返回步骤(1)；γ优选设置为3分钟。

作为优选，所述充电端口内部的动态密码通过对充电桩的充电端口分配全局唯一的ID,为每个充电端口设置一个动态生成密码的密钥得到；对于ID值为i的充电端口，在服务器端保存所有充电端口ID和密钥的对应列表，充电桩保存充电端口的ID₁，...，ID_N、设备的开始工作时间T₀和一组用以产生密码的密钥K₁，...，K_N，其中N为充电端口的数量；服务器和充电桩在计算动态密码的密码生成函数G和时间步长ΔT上达成一致，其中时间步长ΔT为生成动态密码的时间，优选设为3分钟。

作为优选，所述的动态密码为6位数字，通过密码生成函数G(i，T)生成；密码生成函数G(i，T)的定义如下：用基于SHA1哈希算法的伪随机码生成函数HMAC(K_i，T)产生伪随机数，其中K_i为端口i的密钥，T为当前时间计数值；伪随机数对10⁷取模产生6位数字的密码。

作为优选，所述的动态密码以伪随机的方式随时间变化，设当前系统时间为T，当前系统时间在服务器时间坐标下的值为T^(s)，在充电桩时间坐标下的值为T^(c)，服务器在收到密码请求后，记录系统当前时间计数值服务器调用密码生成函数选取端口i在当前时间计数器值时刻的密码。

作为优选，所述验证密码匹配的方法为充电桩记录用户输入密码的当前系统时间计数值充电桩计算在时刻及其相邻时刻的密码并和用户输入密码比对，以此判断用户输入密码的正确性。

作为优选，所述充电桩设有偏差修正变量δ修正偏差修正量δ修正的实现方法为：计算经过修正后的系统时间对于端口i，充电桩计算长度为2L+1时间窗口内的计数值输入到密码生成函数G得到2L+1个密码；时间窗口长度L的选取取决于对和之间偏差的预估；当充电桩计算所得的密码中有一个和用户输入密码相同，则判定用户输入的密码正确,同时把δ+l设为新的偏差修正变量的值。

本发明的有益效果在于：(1)本发明充电桩成本低廉，部署简单，无需网络连接；(2)本发明充电桩工作方法操作简单，便于用户使用。

附图说明

图1是充电桩的内部结构示意图；

图2是本发明充电桩的面板示意图；

图3是本发明的工作方法流程示意图；

图4是本发明工作时用户操作节点的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例：如图1所示，一种充电桩，包括充电桩体与操作面板，操作面板连接在充电桩体上；充电桩体内带有若干个充电模块I、若干个充电模块II、控制模块、电源模块；控制模块分别与充电模块I、充电模块II、电源模块连接；操作面板覆盖在充电模块I、充电模块II的上方，构成操作面板上的充电区域；操作面板覆盖在控制模块上方，构成操作面板上的控制区域。

控制模块包括中央控制器、初始时间寄存器、时钟电路、键盘、液晶显示屏；中央控制器分别与初始时间寄存器、时钟电路、键盘、液晶显示屏相连；控制模块的键盘、液晶显示屏镶嵌在操作面板的通孔内，构成操作面板上的控制区域。充电模块I包括USB充电接口、指示灯、启动按钮、开关电路、定时器、密钥寄存器；开关电路分别与USB充电接口、指示灯、启动按钮、定时器、中央控制器相连；密钥寄存器与中央控制器连接；启动按钮与定时器相连。充电模块II包括A型/C型交流电插座、指示灯、启动按钮、开关电路、定时器、继电器、密钥寄存器；开关电路分别与继电器、指示灯、启动按钮、定时器、中央控制器相连；密钥寄存器与中央控制器连接；继电器与A型/C型交流电插座连接；启动按钮与定时器相连。操作面板上的充电区域包括若干个子区域，每个子区域下有一个充电模块，每个充电模块的指示灯、启动按钮、USB充电接口或A型/C型交流电插座镶嵌在操作面板的通孔内；每个子区域内有对应的二维码。

电源模块主要用于系统的供电，其中包含一块充电电池用于保证充电桩在短暂的失去外部电源供电后，里面的时钟电路仍然可以正常工作。控制模块主要用于用户输入输出设备的控制，用户输入密码正确性的验证。初始时间寄存器保存设备的开始工作时间T₀。时钟电路的频率为f。每个充电模块管理一个对应的充电区域。在充电模块中，充电端口的开关电路由三路输入信号共同控制：启动按钮，定时器和中央控制器。用户按下启动按钮之后，定时器开始工作。如果在γ时间内，用户输入密码并通过并被判断为真，中央控制器打开充电端口开关电路。其他情况下，充电端口开关电路保持关闭。

如图2所示，操作面板上带有USB充电接口101、启动按钮102、二维码103、指示灯104、符合国标GB 2099.1-2008/GB1002-2008的A型/C型插头105、液晶显示屏106、键盘107。

如图3所示，一种充电桩的工作方法如下：

1.待充电桩初始化后用户选择充电区域，在对应充电端口插入充电设备并按启动按钮。

2.输出设备提示用户扫充电端口对应的二维码获取密码。

3.用户扫对应端口二维码，在二维码指定页面获取密码。

a)优选的在二维码指定页面，用户输入手机号通过短信获取密码。

b)优选的在二维码指定页面，用户关注微信公众号通过微信公众号消息推送获取密码。

4.用户在输入设备输入密码。充电桩比较用户输入的密码和对应充电端口内部的动态密码是否匹配。设置等待用户输入密码超时时间γ,如果充电桩等待用户输入密码超时，则自动返回步骤1。

5.如果匹配不成功，充电端口的启动失败，回到初始状态。如果匹配成功，充电端口开始供电，端口对应的指示灯亮。

6.充电端口在供电情况下，如果用户拔出充电设备或者充电超过最长充电时间Γ，充电端口停止供电，端口对应的指示灯灭。

其中，设置等待用户输入密码超时时间γ为三分钟，也即如果用户在按启动按钮三分钟之内没有完成密码输入操作，则充电桩返回到初始状态。充电桩通过动态的改变充电端口密码来保证系统的安全性：为所有充电桩的充电端口分配全局唯一的ID,同时为每个充电端口设置一个动态生成密码的密钥。对于ID值为i的端口，我们在后面的论述中简称之为端口i。在服务器端保存所有充电端口ID和密钥的对应列表。充电桩保存充电端口的ID₁，...，ID_N、设备的开始工作时间T₀、和一组用以产生密码的密钥K₁，...，K_N，其中N为充电端口的数量。服务器和充电桩在计算动态密码的生成函数G和时间步长ΔT上达成一致。

动态密码为6位数字，密码生成函数G(i，T)的定义如下：用基于SHA1哈希算法的伪随机码生成函数HMAC(K_i，T)产生伪随机数，其中K_i为端口i的密钥，T为当前时间计数值；伪随机数对10⁷取模产生6位数字的密码。

服务器获取系统时间计数值的方法为：通过网络时间服务器获取系统时间T，除以时间步长ΔT并取整，得到当前时间计数值。充电桩获取系统时间计数值得方法为：充电桩的开始工作时间为T₀、时钟脉冲计数为C、时钟模块的频率为f，根据计算公式T＝T₀+C/f得到当前系统时间T，然后T除以时间步长ΔT并取整，得到当前时间计数值。

为了避免充电密码的更新过于频繁从而增加密码匹配算法的复杂度，选择服务器和充电桩计算动态密码时间步长ΔT为一个小于等于用户输入密码超时时间γ的值。在本实施例中，选择服务器和充电桩计算动态密码时间步长ΔT为三分钟。

由于服务器和充电桩获取系统时间的方法不同，充电桩和服务器的时钟无法同步，因此系统时间在充电桩和服务器上的读数并不一致。在下面的论述中，用上标s表示服务器时间坐标，用上标c表示充电桩时间坐标。如果当前系统时间为T，那么它在服务器时间坐标下的值为T^(s)，在充电桩时间坐标下的值为T^(c)。

如图4所示，服务器提供的充电密码以伪随机的方式随时间变化，具体方法为：服务器在收到密码请求后，记录系统当前时间计数值服务器调用密码生成函数选取端口i在当前时间计数器值时刻的密码。

充电桩在用户输入密码后，验证密码正确性的步骤包括：充电桩记录用户输入密码的当前系统时间计数值充电桩计算在时刻及其相邻时刻的密码并和用户输入密码比对，以此判断用户输入密码的正确性。假设在理想情况下，即充电桩和服务器的时钟完全同步，也即由于系统设置了密码输入的超时时间，并且超时时间小于等于生成密码的时间步长，因此充电桩只需计算密码和其中之一必然和相同。因此若用户输入的密码和和其中之一相同，则用户输入密码为正确，反之则用户输入密码错误。

充电桩设有偏差修正变量δ修正偏差修正量δ修正的实现方式是：计算经过修正后的系统时间对于端口i，充电桩计算长度为2L+1时间窗口内的计数值输入到密码生成函数G得到2L+1个密码；时间窗口长度L的选取取决于对和之间偏差的预估；当充电桩计算所得的密码中有一个和用户输入密码相同，则判定用户输入的密码正确,同时把δ+l设为新的偏差修正变量的值。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种充电桩的工作方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)待充电桩初始化后用户选择所需的充电区域，在充电区域内的充电端口插入充电设备并按下启动按钮；

(2)操作面板上的输出设备提示用户扫描充电区域内对应的二维码，以获取密码；

(3)用户扫描对应的二维码，在二维码打开的指定页面获取密码，获取方法包括如下两种：

(i)在二维码指定页面，用户输入手机号通过短信获取密码；

(ii)在二维码指定页面，用户关注微信公众号通过微信公众号消息推送获取密码；

(4)用户通过操作面板上的输入设备输入密码，充电桩比对用户输入的密码和对应充电端口内部的动态密码是否匹配，若匹配不成功则充电端口启动失败，返回步骤(1)；若匹配成功，充电端口启动供电，充电区域内的指示灯亮；其中，所述充电端口内部的动态密码通过对充电桩的充电端口分配全局唯一的ID，为每个充电端口设置一个动态生成密码的密钥的方式来得到；对于ID值为i的充电端口，在服务器端保存所有充电端口ID和密钥的对应列表，充电桩保存充电端口的ID₁，...，ID_N、设备的开始工作时间T₀和一组用以产生密码的密钥K₁，...，K_N，其中N为充电端口的数量；服务器和充电桩在计算动态密码的密码生成函数G和时间步长ΔT上达成一致，其中时间步长ΔT为生成动态密码的时间，设为3分钟；所述的动态密码以伪随机的方式随时间变化，设当前系统时间为T，当前系统时间在服务器时间坐标下的值为T^(s)，在充电桩时间坐标下的值为T^(c)，服务器在收到密码请求后，记录系统当前时间计数值服务器调用密码生成函数选取端口i在当前时间计数器值时刻的密码；验证密码匹配的方法为充电桩记录用户输入密码的当前系统时间计数值充电桩计算在时刻及其相邻时刻的密码并和用户输入密码比对，以此判断用户输入密码的正确性；所述充电桩设有偏差修正变量δ修正偏差修正量δ修正的实现方法为：计算经过修正后的系统时间对于端口i，充电桩计算长度为2L+1时间窗口内的计数值输入到密码生成函数G得到2L+1个密码；时间窗口长度L的选取取决于对和之间偏差的预估；当充电桩计算所得的密码中有一个和用户输入密码相同，则判定用户输入的密码正确，同时把δ+l设为新的偏差修正变量的值；

(5)若用户拔出充电设备或者充电超过最长充电时间Γ，充电端口停止供电，充电区域内的指示灯灭。

2.根据权利要求1所述的一种充电桩的工作方法，其特征在于：所述充电桩设置有等待用户输入密码超时时间γ，若用户输入密码超时，则自动返回步骤(1)；γ设置为3分钟。

3.根据权利要求1所述的一种充电桩的工作方法，其特征在于：所述的动态密码为6位数字，通过密码生成函数G(i，T)生成；密码生成函数G(i，T)的定义如下：用基于SHA1哈希算法的伪随机码生成函数HMAC(K_i，T)产生伪随机数，其中K_i为端口i的密钥，T为当前时间计数值；伪随机数对10⁷取模产生6位数字的密码。

4.一种应用如权利要求1所述工作方法的充电桩，其特征在于，包括充电桩体与操作面板，操作面板连接在充电桩体上；所述充电桩体内带有若干个充电模块I、若干个充电模块II、控制模块、电源模块；控制模块分别与充电模块I、充电模块II、电源模块连接；操作面板覆盖在充电模块I、充电模块II的上方，构成操作面板上的充电区域；操作面板覆盖在控制模块上方，构成操作面板上的控制区域。

5.根据权利要求4所述的充电桩，其特征在于：所述的控制模块包括中央控制器、初始时间寄存器、时钟电路、输入设备、输出设备；中央控制器分别与初始时间寄存器、时钟电路、输入设备、输出设备相连；所述控制模块的输入设备、输出设备镶嵌在操作面板的通孔内，构成操作面板上的控制区域；输入设备为键盘；输出设备为液晶显示屏或扬声器。

6.根据权利要求5所述的充电桩，其特征在于：所述的充电模块I包括USB充电接口、指示灯、启动按钮、开关电路、定时器、密钥寄存器；开关电路分别与USB充电接口、指示灯、启动按钮、定时器、中央控制器相连；密钥寄存器与中央控制器连接；启动按钮与定时器相连。

7.根据权利要求5所述的充电桩，其特征在于：所述的充电模块II包括A型/C型交流电插座、指示灯、启动按钮、开关电路、定时器、继电器、密钥寄存器；开关电路分别与继电器、指示灯、启动按钮、定时器、中央控制器相连；密钥寄存器与中央控制器连接；继电器与A型/C型交流电插座连接；启动按钮与定时器相连。

8.根据权利要求6或7所述的充电桩，其特征在于：所述操作面板上的充电区域包括若干个子区域，每个子区域下有一个充电模块，每个充电模块的指示灯、启动按钮、USB充电接口或A型/C型交流电插座镶嵌在操作面板的通孔内；每个子区域内有对应的二维码。