摘要：居民住宅區(qū)和公共場所共享云智能充電系統(tǒng)，以電瓶車安全充電為基礎，基于GPRS、Ethernet構建互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)+人聯(lián)網(wǎng)的模式，通過自主研發(fā)智能充電樁、主機、通訊設備、服務端和客戶端應用系統(tǒng)，為降低電瓶車充電火災隱患、實現(xiàn)安全充電的目標提供技術手段及相關服務。本設計可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時，充電樁自助設備終端還可以投放商業(yè)廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會效益和經(jīng)濟效益的雙贏。

關鍵詞：電瓶車；智能；充電樁；系統(tǒng)設計

我國綜合國力日益增強，經(jīng)濟高速發(fā)展。電瓶車更是廣泛地進入人們的視野。因此電瓶車智能充電裝置的安全性面臨著新的挑戰(zhàn)。本文介紹了一種云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)的設計過程。主要研究過程包括進行智能充電設計、進行硬件設計、進行外觀設計。

近年來電動自行車充電火災事故頻發(fā)，造成群死群傷，這一現(xiàn)象也揭露了整個充電行業(yè)令人擔憂的現(xiàn)狀。

從用戶層面來看，全國使用電動自行車用戶近3億，并以每年超過3000萬的增量增加，具有良好的發(fā)展前景。

從產品層面來看，充電的核心產品――充電器，質量堪憂。據(jù)新聞調查公布的數(shù)據(jù)，90%市售充電器不合格，容易引發(fā)充電火災。而電動自行車的劣質電池充斥市場，主要體現(xiàn)在缺乏統(tǒng)一標準，類型、規(guī)格多樣。由于現(xiàn)有的電瓶車充電裝置安全性很低，要想解決電瓶車充電裝置的安全性及功能性問題，將理論和實踐相結合，在了解基礎功能以及各項優(yōu)化的基礎上，提高綜合型電瓶車充電系統(tǒng)的可實施性，做到理想化的設計[1]。

從服務方面來看，規(guī)?；?、優(yōu)質、安全的公共充電服務缺失。目前的充電服務，大多零散分布在各個小區(qū)和物業(yè)，一般都是通過物業(yè)提供插座，或者用戶自帶充電器方式完成充電。有的用戶甚至將車輛推入室內，或將電池拆卸入室充電，安全隱患很大。

近年來，電瓶車火災事故頻發(fā)，引起人員傷亡，政府、消防、物業(yè)、消費者各方對電動車充電安全問題開始重視。2017年12月29日，公安部發(fā)布《關于規(guī)范電動車停放充電加強火災防范的通告》，嚴禁在建筑內的共用走道、樓梯間、安全出口處等公共區(qū)域停放電動車或者為電動車充電；構成違反消防管理行為的，公安機關將依法予以處罰；引起火災，造成嚴重后果，依法追究刑事責任[2]。

為保證電瓶車快速充電系統(tǒng)可靠運作，對該系統(tǒng)的性能有以下幾項要求：

1）對安全性的要求。在電瓶車進行充電時，操作者進行開啟、斷開操作時；充電系統(tǒng)發(fā)生故障時，要保證人員安全。同時也要保證充電時電瓶車的安全，避免過熱起火和電路老化等等問題。

2）操作便捷。對電瓶車進行充電時，充電系統(tǒng)應操作簡易，充電過程應自動性強一些，不需要工作人員過多參與，過程不要過于復雜。

3）經(jīng)濟性。成本較小的充電系統(tǒng)可以減少電瓶車的運行成本，從而提高效益，促進電瓶車的使用推廣。

4）高效性。充電效率高是充電系統(tǒng)的重要指標，也關系著電瓶車的商業(yè)化推廣。本系統(tǒng)可以同時多輛充電，同時安全快速充電。

5）技術難題。為電動自行車提供公共充電服務，首要難題是公共充電設施如何適配五花八門的電池，需要一個“充電器"[3]。近一年來，一些項目試圖對電動自行車充電進行智能化改造，受困于技術瓶頸，用于支付環(huán)節(jié)的優(yōu)化，我們*可以將投幣插座升級為掃碼插座。電池、電源管理等關鍵領域無能為力，無法完成智能化，無法集成充電模塊，無法消除劣質充電器帶來的隱患，無法做到戶外安全充電。電瓶車快速充電系統(tǒng)，突破了智能識別電池、自適應動態(tài)控制電源核心技術。在不同類型、規(guī)格電動車電池安全充電的基礎和前提上，能夠識別出電池規(guī)格參數(shù)；在準確識別的基礎上，自適應輸出電壓、電流，動態(tài)調整電源參數(shù)，識別電池充滿，自動斷電。Guarder云智能充電網(wǎng)絡，具備人工智能網(wǎng)絡學習算法，新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備，不斷提高電池識別和電源控制準確度。

6）充電原理。采用脈沖充電，有利于延長電瓶壽命。脈沖低壓交流電經(jīng)全波整流后是脈動直流，當其波峰電壓大于電瓶電壓時，可控硅才會導通，當脈動直流電壓處于波谷區(qū)時，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電。因而流過電瓶的是脈動直流電，快速充電，充滿自停。剛開始充電時電瓶兩端電壓較低，充電電流較大。當電瓶即將充足時，充電電壓越來越接近脈動直流輸出電壓的波峰值，充電電流也會越來越小，自動變?yōu)殇噶鞒潆?。當電瓶兩端電壓被充到整流輸出的波峰值時，充電過程停止。經(jīng)試驗，三節(jié)電動車蓄電池36V串聯(lián)，用該充電器只需2個小時即可充滿。電路簡單、易于制作，幾乎不用維護及維修[4]。

3.1Guarder云智能電池識別系統(tǒng)和硬件安全

我們設計了Guarder云智能電池識別系統(tǒng)，可根據(jù)電池的規(guī)格來預先調節(jié)充電樁的輸出電壓，有效解決充電器不適配問題，同時采用專業(yè)級戶外用電防護設備來確保安全。充電柜裝有溫度感應器，達到消防要求的溫度會自動斷電，且選用防爆材料制作充電柜的柜體，構筑一道防線，把火控制在柜子里面，不會傷及周邊。充電樁和充電柜采用防雨、防水的材料，高強度結構設計，插頭通過10000次撥插測試*。

3.2Guarder云智能充電新模式和軟件安全

充電過程中的保護措施包括：專業(yè)級戶外用電防護設備、接地保護、防雷保護、防塵防水保護、超載斷電保護、欠載斷電保護、線路短路保護、人身漏電保護、充電時間保護、充滿自停電池壽命保護、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控實時保護[5]。引入電池識別系統(tǒng)，市面上電池種類很多，智能充電樁可識別電池類型和各種技術參數(shù)，做到實時監(jiān)控充電電流、電壓監(jiān)控、異常斷電、充滿自停充電，以保證充電安全。加入呼吸式心跳檢測，杜絕過載、過流、過溫、欠載、浪涌等風險。

3.3操作系統(tǒng)和智能系統(tǒng)

Guarder云智能系統(tǒng)是為電動車配備的足以完成智能功能的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)分硬件系統(tǒng)、云系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、客戶端系統(tǒng)等多個組成部分，通過各系統(tǒng)之間的相互協(xié)調，用戶能夠在遠處智能的遙控自己的車輛[6]。智能系統(tǒng)分為設防、解防、靜音、尋車、一鍵啟動、GPS功能，通過手機連接APP，可以實現(xiàn)對電動車的實時操控，安全、控制、定位等功能都可以通過一顆小小的芯片完成。能兼容所有的含有藍牙的手機，兼容安卓系統(tǒng)和蘋果系統(tǒng)[7]。

3.4APP

用戶可通過手機APP遠程查看充電進度，遠程控制充電開始、結束、異常通知?！白詣佣ㄎ灰绘I導航"功能自動推薦離客戶位置的充電站，并支持地圖導航。還能將新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備。

在使用智能系統(tǒng)時，應注意以下事項：(1)在車輛行駛過程中，禁止操作本軟件；(2)手機電量偏低時，請及時將感應模式切換為遙控模式，避免影響正常使用；(3)感應距離與手機發(fā)射信號、車輛所處環(huán)境有關，可能造成與設置距離偏差；(4)部分功能需要手機系統(tǒng)功能支持；具體操作需要下載手機APP。

3.5Guarder云智能快速充電系統(tǒng)兒童防護

兒童防護在本產品中無疑也是非常重要的，不僅要對兒童自身的安全考慮，同時也要保護充電設施不被兒童無意破壞。所以充電插口都配有獨立安全門，預防兒童無意觸電安全風險和兒童毀壞充電插口和放入異物，以免影響使用。

3.6Guarder云智能自反饋系統(tǒng)

Guarder云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或被破壞將會對管理系統(tǒng)發(fā)出信號，通知維修人員，在短時間內對Guarder云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)進行維修。

3.7支付以及收費方式

充電站設備安裝好后，管理人員可根據(jù)自己實際情況任意設置，設備設置有多重保護措施，系統(tǒng)性能安全可靠。根據(jù)電動車充電功率，自動判斷收費標準；可同時采用按次計費和預付費模式。預付費模式，剩余金額自動返還；收費標準自由設置，充電時間10-999分鐘可調；計費方式：按充電次數(shù)計費，按電子錢包計費，按包月計費。支持APP支付、掃碼支付、充電IC卡支付等多種支付方式。支持微信、支付寶掃碼充電。用戶自行選擇“按時間、電量收費"，或者按時、按量、包月充電套餐。

近年來電動自行車數(shù)量越來越多，解決了老百姓短距離出行問題，但是和電動自行車相關的安全和火災事故新聞也屢見不鮮，給社會帶來了很大的損失，成為人民生命和財產安全的一個隱患。

據(jù)統(tǒng)計，我國電動自行車保有量超過2億輛，全國年產量超過3000萬輛，是世界上電動自行車產銷較多的大國。    2013~2017年全國共接報因電動自行車引發(fā)火災10000余起，較大以上亡人火災34起，造成142人死亡，占較大亡人火災總數(shù)的11%（以上數(shù)據(jù)來自于應急管理部），電動自行車引起的火災事故有逐年增長的趨勢。

4.1政策文件（以上海為例）

通過嘉定區(qū)下發(fā)的文件的第三條、第五條、第七條、第八條對相關場所進行關于規(guī)范電動自行車充電的建設約束，推廣相關場景下的智能充電樁的建設。

4.2全鎮(zhèn)場景建設

4.2.1推薦建設標準

收集全國相關文件，引浙江省相關文件如下作為建設標準參考：

居住出租房集中區(qū)域、10人（含）以上的居住出租房就近建設智能充電樁，具備*物理隔斷的居住出租房內可以安裝智能充電樁；

全市范圍內有獨立廠房的工業(yè)企業(yè)按員工電瓶車保有量與智能充電樁點位不低于3:1比例建設智能充電樁；

有獨立辦公場所的機關企事業(yè)單位要因地制宜建設電瓶車智能充電樁，滿足單位內部人員使用；

市政府將按照每個充電點位100元的標準對公共場所安裝的智能充電樁進行補助，并通過篩選方式確定入圍企業(yè)庫，限定公共場所充電收費標準。

4.2.2場景分類

（1）機關事業(yè)單位、學校、醫(yī)院、養(yǎng)老院

推薦結合事業(yè)單位電動車數(shù)量及空余地面，進行不低于3:1的比例建設智能充電樁；

（2）社區(qū)街道、體育館、圖書館

露天街道帶多媒體視窗、信息發(fā)布宣傳

案例：吳江市松陵區(qū)街道辦出資，我司配套充電樁、平臺系統(tǒng)和充電站建設，政府每年建設600-800個充電站，分8-10年執(zhí)行，片區(qū)全覆蓋。停車棚充電站改造費用5000元，立柱式改造費用10000元。（其中停車棚充電站占比30%，露天立柱式充電站占比70%）

該項目運營模式：政府出資，招商1-2家第三方公司負責具體運營及后續(xù)充電站維保服務。

該項目收益回報：立柱式多媒體功能充電樁沿街廣告投放收益（政府招商廣告投放收益高）、充電差價收益（在整體收益中占比較?。w預計2年回本。

（3）住宅小區(qū)

其中住宅小區(qū)可按不低于10：1的人數(shù)比進行各小區(qū)規(guī)劃建設公共充電樁，或按已有規(guī)劃的電動自行車停車位1:1建設；

案例1：上海某小區(qū)和某公寓，電力安裝公司出資建設并做項目運營，其中小區(qū)（200個10路充電樁）、公寓（20個10路充電樁）。

運營模式：電力安裝公司自建充電樁云平臺系統(tǒng)，并由其單位人員負責具體施工安裝、后續(xù)維保服務。

收益回報：充電差價收益，上述小區(qū)為老舊安置房小區(qū)，充電價格低廉（100元/點/年），投資回收周期長，預估7-8年回收成本。上述公寓為人才公寓，充電定價高（2元4小時），投資回收周期較短，預估3-4年回收成本。

該電力安裝公司根據(jù)今年收益情況，且未有政府補貼，整體投資回報偏低且成本回收周期太長，其已不再計劃新投建充電站。

案例2：江蘇無錫市某小區(qū)，小區(qū)物業(yè)出資建設并做項目運營。（237個10路充電樁）

運營模式：小區(qū)物業(yè)自建充電樁云平臺系統(tǒng)，并由物業(yè)電工人員負責具體施工安裝改造、后續(xù)維保服務。

收益回報：充電差價收益，地方銀行流水補貼（30元/樁，平臺充值流水全部走該銀行賬戶），上述為新建商品房小區(qū)，      物業(yè)充電定價較高（3元6小時），施工安裝及維保由物業(yè)電工負責，相關人工不需要另行投入，預估2年收回成本。

（4）大型辦公樓、商業(yè)綜合體、農貿集市場

該類場景推薦按已有電動自行車停車位按不低于3：1建設智能充電樁；

（5）工業(yè)園區(qū)

該類場景推薦按已有電動自行車停車位按不低于3：1建設智能充電樁；

案例：江蘇某工業(yè)區(qū)，管委會出資招標建設園區(qū)智能充電樁，按5000-10000元/站標準建設，整體項目標的180萬元，我司作為分包供應商提供充電樁及系統(tǒng)后臺。

運營模式：電力安裝公司應標承建、后續(xù)日常維保，系統(tǒng)平臺布置第三方云服務器數(shù)據(jù)機房，工業(yè)區(qū)管委會負責具體運營；

收益回報：充電差價收益，各公司、工廠出50%資金接受改造，整體回收周期預估2-3年。

4.3產品方案差異化

4.3.1已有棚區(qū)改造類

多停車位

10回路壁掛式充電樁

充電樁配件

防雨插座

刷卡充值機

購電卡

少量停車位

4.3.2戶外露天新建類

戶外露天立柱式充電樁

4.4產品功能亮點

安全防護

智能充電管控充滿自斷，短路、過載、空載保護，充電異常、高溫等故障以短信、微信、APP推送告警；

斷電記憶

當進線電源異常斷電，來電后充電樁可以繼續(xù)使用剩余的時間充電；

多路管控

每臺設備支持10路插座輸出，滿足多車輛充電，節(jié)約安裝成本

多樣支付

支持投幣、刷卡、微信支付寶掃碼支付，兼顧大眾需求。

安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠對電動自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進行監(jiān)控；實現(xiàn)充電支付對接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效預警；實現(xiàn)對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺、小程序等，提供相關異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電動車充電安全管理的網(wǎng)絡化、可視化。

①　安全預警

對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發(fā)出報警信號，及時消除火災隱患。

②　交易結算管理

平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

③　充電服務

可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現(xiàn)充電。

④　運營分析

對訂單進行數(shù)據(jù)化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和第三方平臺對接。

⑤　微信小程序

可通過微信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。

                          

6.1用戶側小程序及線下車棚投放廣告

運營公司可在云平臺所屬的小程序中投放廣告，由于電瓶車有著使用頻次高，用戶面廣的特點，在充電前、充電中、充電完成后都可投入廣告，享受在線廣告收益。線下車棚也可以投入燈箱，尋找商家等進行投放廣告運營。

6.2通過會員充值返現(xiàn)的活動快速回籠資金

6.3充電差價收益

①目前市面上絕大多數(shù)的充電樁都是采用按充電時間收費的方式：比如1元可以充4個小時。這是一個挺常見的收費方式，不論功率大小，一律設成固定的時長。但是電動車充電功率大小不一，有的電瓶車功率大，有的功率小，功率大的耗電多，成本就高，因此就賺的少。每臺設備按1元充4小時計算，兩輪電動車功率為200W。充電期間都按200W計算，則4小時消耗電能0.88千瓦時。如每度電為0.6元，則4小時共計消費0.88*0.6=0.528元，充電一元錢的利潤則為1-0.528=0.472元。每臺充電樁每天充電10次，則每臺充電樁單日收益為4.72元，月收益為141.6元年收益為1722.8元。

②安科瑞電瓶車智能充電樁配置了按功率分檔進行收費的功能。按功率分檔進行收費后，相對于按時間充電收益可提高30%-60%。

第1檔位.0-150W480分鐘/元

第2檔位.150-285W360分鐘/元

第3檔位.285-400W240分鐘/元

第4檔位.400-600W120分鐘/元

注：客戶可根據(jù)現(xiàn)場自行設置分檔區(qū)間及時間；

6.4享受政府補貼

各地政府對電瓶車集中停放，集中充電及其重視，三令五申各類紅頭文件，對于這種基礎設施建設非常重視，一般都伴有車棚建設的補貼。參考浙江省文件補貼100元/點位。

常規(guī)單個10停車位充電站改造建設費用為5000-10000元，由于廣告費和政府補貼的不確定性，快則2-3年左右回收成本，慢則3-4年回收成本；

7.1分包運維托管模式：

政府下發(fā)紅頭文件規(guī)定相應場景充電站設立標準，各場景業(yè)主方出資建設，2~3家總包單位負責充電站建設及后續(xù)線下運維服務，充電站收益歸各業(yè)主方所有，所有數(shù)據(jù)存儲在政府數(shù)據(jù)機房或第三方云服務器租賃。（各場景投資效益回收率、政府補貼、用電安全概念三重強化推廣助力實施）。

7.1.1四重安全把控：

①提供政府官員相應管理員賬號權限，負責把控全鎮(zhèn)充電站安全和落實進度；

②各業(yè)主子一級權限，用于查看實時收益和對應充電基站硬件安全管控；

③各場景總包子二級權限，用于充電基站硬件設施穩(wěn)定的運維管控；

④安科瑞公司負責整個云平臺的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、安全性，保障各業(yè)主收益準確性，保障各總包充電樁硬件產品質量及售后服務；

7.1.2優(yōu)點：

前期政府僅需出資少量進行相關補貼，無大量硬件資金壓力的情況下落實相關政策執(zhí)行；

平臺收益區(qū)域化，資金風險碎片化，政府無需具體一線管控軟硬件平臺建設后的相關考核與后續(xù)使用，減少相關人力資源的支出。因為由各個場景業(yè)主方出資，其尋求收益回報率的主動性會提高，政府只需出臺相應后續(xù)優(yōu)惠、管理政策及建議；

由各場景業(yè)主出資投建，對應招標、項目包干實施等均由各業(yè)主方具體落實，政府僅負責統(tǒng)一驗收標準，人力資源利用；

各總包負責充電站建設和運維服務，軟硬件供應商提供相應產品的質保和售后服務，平臺和前端設備的安全、穩(wěn)定得到充分保障；

7.1.3缺點：

相對的強壓模式，由各場景業(yè)主出資，相應落實實施進度會有阻礙，需政府指導、推廣相關投資收益，輔以補貼政策文件灌輸用電安全和智能化管理思想。

7.2政府出資自建模式：

政府下發(fā)紅頭文件規(guī)定相應場景充電站設立標準，并出資負責建設，集中招標多方總包負責承建、運維，充電站總收益歸政府所有（各場景投資回收率、相關考核政策具體實施需親自把關），所有數(shù)據(jù)存儲在政府數(shù)據(jù)機房。

7.2.1三重安全把控：

①所有數(shù)據(jù)存儲政府當?shù)?，骨干分管相應管理員賬號權限，負責把控全鎮(zhèn)充電站安全、建設落實進度、實時收益、實時查看各充電站使用率考核相關場景業(yè)主方；

②各場景總包子一級權限，用于查看對應充電基站日常運維；

③安科瑞公司負責云平臺的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、安全性、準確性，保障各充電樁硬件產品質量及售后服務；

7.2.2優(yōu)點：

政府集中出資，并相應政策扶持，項目具體落實進度較快；

各總包負責充電站建設和運維服務，軟硬件供應商提供相應產品的質保和售后服務，平臺和前端設備的安全、穩(wěn)定得到充分保障；

7.2.3缺點：

政府資金壓力大，整體的投資收益周期較長；

前期政府集中招標，耗費巨大人力、物力、精力；

中期政府負責各場景項目現(xiàn)場落實進度，以及相應項目驗收，需要有相關專業(yè)部門具體把控

后期由于平臺收益為政府所有，各場景業(yè)主方無具體相關利益，全鎮(zhèn)區(qū)收益率及考核措施的制定與落實需要有相關部門具體把控，難度大，效益低；

綜上所述，推薦6.1運營合作模式。

Guarder云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)是為電動自行車日常通勤用戶提供戶外公共充電的解決方案，安裝在小區(qū)、園區(qū)和商業(yè)樓宇等用戶生活、工作區(qū)域。充電柜是為外賣、快遞等物流垂直領域提供的電池存儲、充電解決方案，擺放在外賣快遞集中商圈、商鋪以及站點。

Guarder云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)，突破了智能識別電池、自適應動態(tài)控制電源核心技術。給不同類型、規(guī)格電動車電池安全充電的基礎和前提，能夠識別出電池規(guī)格參數(shù)，在準確識別的基礎上，自適應輸出電壓、電流，動態(tài)調整電源參數(shù)，識別電池充滿，自動斷電。Guarder云智能充電網(wǎng)絡，具備人工智能網(wǎng)絡學習算法，新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備，不斷提高電池識別和電源控制準確度。另外，本方案還可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時，充電樁自助設備終端還可以投放商業(yè)廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會效益和經(jīng)濟效益的雙贏。

【1】王錦堯．國內外電動自行車充電樁對比[J]．合作經(jīng)濟與科技，2017（01）．

【2】邱亞楠，陳波，顧純清．電動自行車用充電器產品發(fā)展狀況分析[J]．電動自行車，2016（09）．

【3】陸燦楠，葉樺，仰燕蘭等．校園電動自行車充電管理系統(tǒng)的設計[J]．信息技術與信息化．2016（11）．

麻友良，羅明勝，陳全世．電動汽車用電池智能化快速充電研究[J]．武漢科技大學學報，2010，

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【4】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2020.06版