基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動(dòng)力電池全壽命周期管理

蔡子龍，束洪春

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南昆明650500)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動(dòng)力電池全壽命周期管理

蔡子龍，束洪春

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南昆明650500)

由于能源危機(jī)和環(huán)境惡化的影響，發(fā)展新能源汽車特別是電動(dòng)汽車越來(lái)越受到世界各國(guó)的普遍重視。但電動(dòng)汽車商業(yè)模式不確定、充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、電池成本過(guò)高等問(wèn)題，使得我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。只有電動(dòng)汽車的全壽命周期成本比功能接近的燃油汽車低，電動(dòng)汽車才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。動(dòng)力電池成本在電動(dòng)汽車全壽命周期成本中占有重要地位。提出了一種“換電+電池租賃+基于物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)力電池全壽命周期管理+電池專業(yè)維護(hù)”的電動(dòng)汽車商業(yè)模式，研究了換電模式下基于不同場(chǎng)景對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全壽命周期管理的方法，探討了電動(dòng)汽車采用該模式所面臨的挑戰(zhàn)和前景。

電動(dòng)汽車；物聯(lián)網(wǎng)；全壽命周期管理；動(dòng)力電池；位置服務(wù)

當(dāng)前，為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，世界的目光投向了新能源汽車特別是電動(dòng)汽車。我國(guó)政府高度重視電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而，受購(gòu)車成本和電池成本高、配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施不完善、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑不明確以及消費(fèi)者消費(fèi)習(xí)慣的慣性等因素影響，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展并不如人意。電動(dòng)汽車和燃油汽車相比并沒(méi)有創(chuàng)造出新的功能，只有當(dāng)電動(dòng)汽車的全壽命周期成本低于燃油汽車時(shí)，才具備大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行的可能。對(duì)于不包括動(dòng)力電池的裸車，其購(gòu)買成本和功能相近的燃油汽車相差不大，兩者的區(qū)別主要在持有成本和使用費(fèi)用的差異上，尤其是動(dòng)力電池的成本仍然居高不下，是電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要障礙之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，現(xiàn)有研究成果主要集中在電動(dòng)汽車充換電站的選址規(guī)劃和定容[1-2]、電動(dòng)汽車充換電站選址的評(píng)價(jià)[3]、電動(dòng)汽車充換電站與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃問(wèn)題[4-5]以及電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)的影響[6-8]等方面。文獻(xiàn)[9]從消費(fèi)者的角度對(duì)電動(dòng)汽車全壽命周期內(nèi)成本進(jìn)行了全面分析，但對(duì)如何進(jìn)行電動(dòng)汽車的全壽命周期管理沒(méi)有深入進(jìn)行研究。本文在研究上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的電動(dòng)汽車商業(yè)模式，其核心就是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的全壽命周期管理。提出了換電模式下基于不同場(chǎng)景對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全壽命周期管理的思路，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池全壽命周期管理過(guò)程中可能存在的問(wèn)題及解決思路進(jìn)行了分析。

1 電動(dòng)汽車商業(yè)模式分析

在動(dòng)力電池技術(shù)沒(méi)有取得突破的情況下，公共充電站的普及程度直接決定了電動(dòng)汽車的推廣領(lǐng)域，而商業(yè)模式的設(shè)計(jì)又直接影響到充換電等配套設(shè)施的建設(shè)方式和建設(shè)規(guī)模。文獻(xiàn)[10]把電動(dòng)汽車的商業(yè)模式分為兩大部分，一是購(gòu)買和使用模式，二是能源供給模式。前者包括購(gòu)買和租賃兩種模式，后者包括換電和充電兩種模式。這是目前為止對(duì)電動(dòng)汽車商業(yè)模式比較全面的慨括。我國(guó)電動(dòng)汽車尚處于示范運(yùn)行階段，該階段的特征是“政府為主導(dǎo)，補(bǔ)貼為核心”。國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了以深圳“快速充電、整車銷售、第三方運(yùn)營(yíng)”和杭州“快速換電、裸車銷售、電池租賃”為代表的兩種示范運(yùn)行的商業(yè)模式[11]。前者存在的主要問(wèn)題有：(1)快速充電模式對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池造成了損害，影響了動(dòng)力電池的壽命；(2)整車銷售價(jià)格較高，一般消費(fèi)者難以承受；(3)電動(dòng)汽車是一種具有隨機(jī)性、移動(dòng)性的負(fù)荷，如果大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行，勢(shì)必給配電網(wǎng)帶來(lái)巨大的負(fù)荷壓力，而且隨機(jī)充電會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染，影響電能質(zhì)量，危及電網(wǎng)安全。相對(duì)而言，杭州模式中消費(fèi)者只需購(gòu)買與燃油汽車價(jià)格相當(dāng)?shù)穆丬?，不需要承?dān)電池購(gòu)買費(fèi)用，只需以按里程計(jì)費(fèi)或按電量計(jì)費(fèi)的模式實(shí)現(xiàn)按需付費(fèi)。對(duì)換電運(yùn)營(yíng)商而言，一方面向消費(fèi)者收取電池里程租賃費(fèi)用，逐步收回成本并實(shí)現(xiàn)盈利；另一方面，通過(guò)專業(yè)性較高的電池管理及電池專業(yè)維護(hù)等工作，提高電池的循環(huán)使用壽命，降低電池的成本。通過(guò)對(duì)報(bào)廢后的動(dòng)力電池進(jìn)行拆解、檢測(cè)和分類后的二次使用，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的梯級(jí)利用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池成本的大幅下降。這與《國(guó)家電網(wǎng)公司“十二五”電動(dòng)汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃》提出的“換電為主、充換并重、集中充電、統(tǒng)一配送”電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)模式不謀而合。為此，本文提出一種全新的“換電+電池租賃+基于物聯(lián)網(wǎng)電池全壽命周期管理+電池專業(yè)維護(hù)”的電動(dòng)汽車商業(yè)模式，該模式的優(yōu)點(diǎn)主要有：

(1)由于電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的隨機(jī)性和移動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了不利影響，因此采用換電模式進(jìn)行有序充電，可以達(dá)到削峰填谷目的，同時(shí)通過(guò)集中安裝諧波處理裝置，減少電動(dòng)汽車充電時(shí)產(chǎn)生的諧波，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。

(2)純電動(dòng)車是發(fā)展方向[12]。插電式電動(dòng)汽車由于電池和車體是一體化結(jié)構(gòu)，給電池的專業(yè)維護(hù)帶來(lái)了難題。純電動(dòng)汽車采用裸車銷售和電池租賃相結(jié)合的運(yùn)營(yíng)模式，通過(guò)合理的專業(yè)維護(hù)技術(shù)，保持電池的經(jīng)濟(jì)壽命，提高電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)性，把電動(dòng)汽車的全壽命周期運(yùn)營(yíng)成本降低到低于燃油汽車的成本，從而解決電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)運(yùn)行的難題。文獻(xiàn)[9]比較了市場(chǎng)上功能相近的某款B級(jí)燃油汽車和某款換電式純電動(dòng)車的15年30萬(wàn)公里全壽命周期成本，結(jié)果表明，在不考慮油價(jià)上漲、電價(jià)優(yōu)惠、燃油稅以及政府補(bǔ)貼的前提下，換電模式下電動(dòng)汽車的全壽命周期成本已經(jīng)低于燃油汽車的全壽命周期成本。如果考慮動(dòng)力電池的專業(yè)維護(hù)和廢舊電池的回收利用所取得的效益，則電動(dòng)汽車將進(jìn)一步取得全壽命周期成本優(yōu)勢(shì)。

(3)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池全壽命周期管理。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池使用狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行狀態(tài)檢修，從而最大限度提高電池的使用壽命，這將為電動(dòng)汽車換電運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)盈利起到重要的作用。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的動(dòng)力電池全壽命周期管理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及移動(dòng)通信技術(shù)之后信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一里程碑。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，2011年國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布了《基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電動(dòng)汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一。文獻(xiàn)[13-15]對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在電動(dòng)汽車的充換電設(shè)施監(jiān)控管理、電池管理、運(yùn)營(yíng)模式、計(jì)量計(jì)費(fèi)和資產(chǎn)管理中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。本文主要研究換電運(yùn)營(yíng)模式下如何采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車動(dòng)力電池全壽命周期管理。

2.1 動(dòng)力電池?fù)Q電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)分析

在“換電+電池租賃+基于物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)力電池全壽命周期管理+電池專業(yè)維護(hù)”的運(yùn)營(yíng)模式下，動(dòng)力電池的產(chǎn)權(quán)歸換電運(yùn)營(yíng)商所有。換電運(yùn)營(yíng)商對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行集中充電并承擔(dān)充電、電池的管理和維護(hù)等費(fèi)用，通過(guò)向用戶收取電池租賃費(fèi)以回收成本并取得相應(yīng)利潤(rùn)。換電運(yùn)營(yíng)商在動(dòng)力電池的全壽命周期管理中起到至關(guān)重要的作用，具體作用體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全壽命周期的資產(chǎn)管理；

(2)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行狀態(tài)檢修和預(yù)防性維修，對(duì)需要維護(hù)的動(dòng)力電池進(jìn)行專業(yè)維護(hù)；

(3)對(duì)廢舊電池進(jìn)行回收利用。

需要考慮不同場(chǎng)景下如何采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全壽命周期管理。這些場(chǎng)景包括動(dòng)力電池處于隨車運(yùn)行狀態(tài)，處于集中充電站、換電站、配送站、維護(hù)站以及應(yīng)急搶修配送站等場(chǎng)所。其中電池集中充電站主要負(fù)責(zé)大規(guī)模電池充電功能，兼運(yùn)營(yíng)公司所在地，將充滿電的動(dòng)力電池通過(guò)物流派送到兼有充電和換電功能的換電站或電池配送站。換電站除進(jìn)行電池更換工作外，還具有小規(guī)模電池充電功能。配送站僅負(fù)責(zé)電池的配送。應(yīng)急搶修維護(hù)站指由于車輛或電池故障等原因，車輛無(wú)法行駛到充換電站進(jìn)行正常充換電，此時(shí)需要應(yīng)急搶險(xiǎn)車輛把充滿電的電池送到事故地點(diǎn)，除更換電池外，可能還需要對(duì)汽車及電池進(jìn)行維修。在以上這些不同場(chǎng)合都把需要維護(hù)的電池送往專業(yè)維護(hù)站進(jìn)行維護(hù)。換電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車換電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.2 動(dòng)力電池信息獲取的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取動(dòng)力電池信息，需要配置一些系統(tǒng)和設(shè)備，本文將這些設(shè)備在動(dòng)力電池全壽命管理中的作用及其相互關(guān)系逐一分析如下。

2.2.1 電池管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車電池電源系統(tǒng)在使用不當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)發(fā)生安全性和電池使用壽命下降的問(wèn)題，甚至發(fā)生電池爆炸和燃燒等嚴(yán)重事故。通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行合理管理和控制，確保電池性能良好，延長(zhǎng)電池的使用壽命，對(duì)保障電動(dòng)汽車安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的作用。電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)的作用主要有：(1)對(duì)電池的外電壓、電流、溫度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。(2)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行SOC (State of Charge)估計(jì)和SOH(State of Health)估計(jì)。(3)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充放電管理：在充電過(guò)程中對(duì)充電機(jī)進(jìn)行控制以對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行均衡充電，同時(shí)保障電池不被過(guò)充；在放電過(guò)程中則保證電池不被過(guò)放電。(4)充電時(shí)同監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)進(jìn)行通信，保證用電安全。(5)行駛過(guò)程中為整車控制器提供控制策略。(6)對(duì)電池故障進(jìn)行診斷。(7)通過(guò)CAN與車載終端進(jìn)行通信，把電池SOC和SOH、電池故障等信息傳遞給車載終端并顯示。電池管理系統(tǒng)用例圖如圖2所示。

圖2 電池管理系統(tǒng)用例圖

2.2.2 車載終端

為保證動(dòng)力電池的性能，電動(dòng)汽車都安裝了功能強(qiáng)大的車載電池管理系統(tǒng)，工作時(shí)一般先檢測(cè)電池狀態(tài)，再根據(jù)狀態(tài)信息執(zhí)行相應(yīng)的電池管理工作，是一種被動(dòng)的管理方式。因此僅靠BMS對(duì)電池進(jìn)行全壽命周期管理是不夠的，只有采取主動(dòng)的方式獲取動(dòng)力電池的信息，才能對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行狀態(tài)檢修和預(yù)防性維修，從而有效增加動(dòng)力電池的循環(huán)壽命。為此，可在電動(dòng)汽車上裝設(shè)車載終端(Electric Vehicle Terminal，EVT)，它包含里程計(jì)數(shù)器、GPS(Global Position System)、GPRS (General Packet Radio Service)、RFID(Radio Frequency Identification)以及車載儀表等模塊。EVT的主要作用有：(1)RFID模塊包括讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽，其中電子標(biāo)簽用于存儲(chǔ)車輛ID、電池ID、里程等信息。(2)在動(dòng)力電池隨電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中，把CAN與BMS進(jìn)行通信所獲取的電池信息、GPS模塊獲取的車輛定位信息、里程計(jì)數(shù)器顯示的里程信息以及FFID標(biāo)簽中的車輛信息等等通過(guò)GPRS模塊信息與電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)管理中心進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，以便隨時(shí)對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷；同時(shí)在換電前，通過(guò)觸發(fā)方式，把這些信息通過(guò)RFID讀寫(xiě)器寫(xiě)入RFID標(biāo)簽中。(3)當(dāng)電動(dòng)汽車駛?cè)爰谐潆娬尽Q電站、配送站和電池專業(yè)維護(hù)站時(shí)，通過(guò)手持RFID讀寫(xiě)器采集EVT中RFID電子標(biāo)簽中的信息，并通過(guò)Wifi上傳至站級(jí)監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行計(jì)費(fèi)等服務(wù)。(4)對(duì)BMS采集到的電池信息進(jìn)行展示。(5)通過(guò)GPS對(duì)行駛中的電動(dòng)汽車進(jìn)行充換電導(dǎo)航?？梢?jiàn)車載終端的裝設(shè)解決了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池專業(yè)主動(dòng)維護(hù)電池狀態(tài)信息獲取的問(wèn)題，是進(jìn)行動(dòng)力電池全壽命周期管理的關(guān)鍵設(shè)備。車載終端用例圖如圖3所示。2.2.3運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)

圖3 車載終端用例圖

運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的主要作用是動(dòng)力電池進(jìn)行綜合管理，包括：(1)通過(guò)GPRS從車載終端或通過(guò)光纖從站級(jí)SCADA系統(tǒng)獲取電池的累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)行駛里程、出站電量和出站時(shí)間、SOC和SOH，然后對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析評(píng)估，對(duì)動(dòng)力電池是否需要專業(yè)維護(hù)進(jìn)行判斷，對(duì)需要專業(yè)維護(hù)的電池確定適合的維護(hù)策略。(2)通過(guò)GPRS與車載終端進(jìn)行通信，為車主提供基于位置的服務(wù)(Location-Based Service，LBS)及電池電量預(yù)警服務(wù)。(3)對(duì)充換電站進(jìn)行日常的運(yùn)營(yíng)管理。(4)根據(jù)獲取的電動(dòng)汽車時(shí)空數(shù)據(jù)，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘。電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)用例圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)用例圖

2.2.4 監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

SCADA是充電站數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，它的作用主要體現(xiàn)在：(1)對(duì)充電站供配電系統(tǒng)的電壓、電流、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。(2)通過(guò)CAN與充電機(jī)進(jìn)行連接，對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和管理。(3)通過(guò)手持終端對(duì)處于倉(cāng)儲(chǔ)、充換電站、配送站中的電池進(jìn)行信息采集，通過(guò)Wifi或局域網(wǎng)接入SCADA。SCADA系統(tǒng)用例圖如圖5所示。

2.3 不同場(chǎng)景下物聯(lián)網(wǎng)在動(dòng)力電池全壽命周期管理中的應(yīng)用

2.3.1 集中型充電站、換電站、配電站中動(dòng)力電池的全壽命周期管理

當(dāng)車載動(dòng)力電池即將消耗完畢時(shí)，應(yīng)該把電池送到集中型充電站、電池?fù)Q電站或電池配送站進(jìn)行充換電服務(wù)，當(dāng)然也可以通知工作人員把電池運(yùn)送過(guò)來(lái)進(jìn)行換電。假設(shè)動(dòng)力電池被送到集中型充電站、換電站或配送站的情景，此時(shí)電動(dòng)汽車駛?cè)胝军c(diǎn)，工作人員在入口處通過(guò)手持電子標(biāo)簽中的信息；然后把這些信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)SCADA，SCADA通過(guò)運(yùn)維管理系統(tǒng)查看車輛信息與電池信息是否相匹配，如果匹配，則進(jìn)行換電工作，同時(shí)，SCADA系統(tǒng)根據(jù)里程計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)費(fèi)；最后把新?lián)Q上的電池信息、車輛信息和里程信息同時(shí)更新到運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫(kù)中以及車載終端RFID中，客戶付費(fèi)以后本次換電結(jié)束。如果電池在配電站中，則需要把它送到換電站或集中型充電站中進(jìn)行充電。在充電前需要通過(guò)運(yùn)維管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池的循環(huán)次數(shù)、行駛里程、SOC和SOH等信息進(jìn)行分析，根據(jù)電池狀態(tài)選擇適合的充電策略。

圖5 SCADA系統(tǒng)用例圖

2.3.2 動(dòng)力電池隨車運(yùn)行過(guò)程中的全壽命周期管理

動(dòng)力電池在隨車運(yùn)行時(shí)，主要是通過(guò)BMS對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行管理。通過(guò)加入EVT，解決了BMS被動(dòng)進(jìn)行電池管理的問(wèn)題。EVT通過(guò)CAN總線與BMS進(jìn)行通信，把電池電壓、電流、溫度、SOC、SOH、故障等信息以及車輛行駛里程、車輛位置等信息通過(guò)GPRS傳送到運(yùn)營(yíng)管理中心，運(yùn)營(yíng)管理中心根據(jù)接收到的信息對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，這樣就能及早發(fā)現(xiàn)電池組的問(wèn)題，及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行狀態(tài)維修或預(yù)防性維護(hù)。同時(shí)，根據(jù)車輛位置和里程信息，結(jié)合電池SOC信息，為車主提供電池電量預(yù)警以及其他LBS服務(wù)。

2.3.3 動(dòng)力電池在專業(yè)維護(hù)站中的全壽命周期管理

對(duì)集中型充電站、換電站和配送站換下來(lái)的電池，通過(guò)手持RFID讀寫(xiě)器讀取電池ID，然后向運(yùn)營(yíng)管理中心查詢關(guān)于該電池的循環(huán)次數(shù)、服役時(shí)間、SOC和SOH、累計(jì)行駛里程和維修情況等信息，對(duì)電池情況進(jìn)行綜合分析。對(duì)于不需要專業(yè)維護(hù)的電池，則送往充換電站進(jìn)行充電；對(duì)于需要進(jìn)行專業(yè)維護(hù)的電池，先確定維修策略，再送往電池維修中心進(jìn)行專業(yè)維護(hù)，并把維修記錄通過(guò)站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)更新到運(yùn)維管理中心數(shù)據(jù)庫(kù)。專業(yè)維護(hù)能有效提高電池的循環(huán)壽命，是動(dòng)力電池全壽命周期管理的核心。對(duì)于繼續(xù)使用價(jià)值較低的動(dòng)力電池則進(jìn)行拆解、檢測(cè)和分類回收，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的二次使用。一般來(lái)說(shuō)，鉛酸蓄電池仍具備30%的回收價(jià)值，而動(dòng)力鋰電池的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)則更高，當(dāng)電池容量低于標(biāo)準(zhǔn)容量的80%時(shí)，電池就進(jìn)入了報(bào)廢行列。除通過(guò)專業(yè)維護(hù)可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，鋰電池在回收時(shí)仍然存在很大的利用價(jià)值，這些所謂的廢舊電池仍然可以用到家庭儲(chǔ)能、醫(yī)院UPS、通信基站儲(chǔ)能和大型數(shù)據(jù)中心等方面。通過(guò)建立動(dòng)力電池的梯級(jí)利用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的全壽命周期管理利用，對(duì)電動(dòng)汽車相對(duì)于燃油汽車取得全壽命周期成本的優(yōu)勢(shì)具有十分重要的意義。

3 動(dòng)力電池全壽命周期管理的挑戰(zhàn)與展望

基于物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)力電池全壽命周期管理能有效提高電動(dòng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)能力，但在構(gòu)建這一系統(tǒng)過(guò)程中仍然面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)和不確定性：

電動(dòng)汽車成熟的商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式尚未形成。現(xiàn)在電動(dòng)汽車有插充和換電兩種充電模式。國(guó)家電網(wǎng)公司從配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，提出換電為主的電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)模式，具有多方面的優(yōu)越性，但各方能否就這一方案達(dá)成共識(shí)仍然具有很大的不確定性。一方面，對(duì)于公務(wù)車、出租車、公交車等具有固定行駛路線和行駛習(xí)慣的電動(dòng)汽車，換電模式是比較好的選擇；另一方面，換電模式仍然面臨著充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本過(guò)高、換電標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)困難等不利因素。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，特別是對(duì)私人乘用轎車，換電模式是否適合仍有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。根據(jù)財(cái)政部等四部委出臺(tái)的《關(guān)于繼續(xù)開(kāi)展新能源汽車推廣應(yīng)用工作的通知》，國(guó)家將對(duì)示范城市充換電設(shè)施的建設(shè)給予財(cái)政補(bǔ)貼，此舉將為換電運(yùn)行模式帶來(lái)新的發(fā)展希望。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池全壽命周期管理需要構(gòu)建復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，每天都要產(chǎn)生大量的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，如何存儲(chǔ)這些運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)于更好地對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全壽命周期管理具有重要意義。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的云計(jì)算技術(shù)分布式存儲(chǔ)技術(shù)將大有作為。把運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，通過(guò)租賃和按需付費(fèi)的方式使用分布于世界各地的存儲(chǔ)資源，就像使用本地的資源一樣方便，能有效降低電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的軟硬件購(gòu)置成本。同時(shí)由于動(dòng)力電池隨汽車一起處于流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)電池進(jìn)行全景數(shù)據(jù)采集，在取得電池ID、時(shí)間和空間三維信息基礎(chǔ)上，開(kāi)展電動(dòng)汽車基于時(shí)空的數(shù)據(jù)挖掘工作，不僅有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的全壽命周期管理，而且挖掘出一定范圍內(nèi)電動(dòng)汽車的行駛的時(shí)空信息，對(duì)電動(dòng)汽車充換電站的選址規(guī)劃、充換電站與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)規(guī)劃能起到積極的作用。

動(dòng)力電池的循環(huán)再利用問(wèn)題。動(dòng)力鋰電池報(bào)廢時(shí)仍然存在70%～80%的剩余容量，如果不加以回收利用，將會(huì)造成極大的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成二次污染。2012年7月出臺(tái)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020年)》提出：“要制定電池回收利用管理辦法，建立動(dòng)力電池梯級(jí)利用和回收管理體系，明確各相關(guān)方的責(zé)任、權(quán)利和義務(wù)。引導(dǎo)動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)加強(qiáng)對(duì)廢舊電池的回收利用，鼓勵(lì)發(fā)展專業(yè)化電池回收利用企業(yè)?！眹?guó)外動(dòng)力電池回收再利用主要用于ICT(Information Communication Technology)、UPS、可再生能源發(fā)電儲(chǔ)能等。動(dòng)力電池回收再利用的工作在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開(kāi)展起來(lái)，還沒(méi)有形成成熟的商業(yè)模式，其盈利模式還有待進(jìn)一步研究。

用戶隱私保護(hù)的問(wèn)題。由于動(dòng)力電池隨車運(yùn)行，承載動(dòng)力電池的電動(dòng)汽車的用戶信息、位置信息、時(shí)間信息都通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)不斷地傳輸?shù)竭\(yùn)營(yíng)管理中心，運(yùn)營(yíng)管理中心也向用戶不斷提供LBS，這些都容易暴露車主的隱私。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，LBS的隱私保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越引起研究者的重視。希望隨著技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車用戶的隱私保護(hù)問(wèn)題能得到妥善解決。

4 結(jié)論

新能源汽車作為國(guó)家大力發(fā)展的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，將是未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。本文提出了“換電為主+電池租賃+基于物聯(lián)網(wǎng)電池全壽命周期管理+電池專業(yè)維護(hù)”的電動(dòng)汽車商業(yè)模式，指出只有電動(dòng)汽車的全壽命周期成本低于燃油汽車全壽命周期成本，電動(dòng)汽車才能得到迅速發(fā)展。對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)力電池的全壽命周期管理進(jìn)行了研究，提出不同場(chǎng)景下基于物聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)力電池全壽命周期管理解決方案。最后對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池全壽命周期管理中存在的挑戰(zhàn)及解決方案進(jìn)行了分析探討。相信隨著技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)政策、法律法規(guī)的健全和完善，采用這一商業(yè)模式將對(duì)未來(lái)電動(dòng)汽車的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

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Total life cycle management of power battery based on internet of things technology

CAI Zi-long,SHU Hong-chun

Because of the energy crisis and environment deterioration,there was a general consensus about the development of new energy vehicle especially electric vehicles in the world.Because the electric vehicle business model was uncertainty,and the charging and exchanging infrastructure construction was still lagging behind,and the electric vehicle battery costs were too high,so that the electric vehicle industry of our country developed slowly.The electric vehicles would have the market competitiveness if their life cycle cost was lower than the fuel vehicles which the function was similar to each other.The electric vehicle battery cost played an important role in the life cycle cost of electric vehicle.A new business model was proposed,which adopted the exchanging battery and battery leasing model,and the life cycle management based on the internet of things,and the professional maintenance to battery. Life cycle management methods of power battery based on the different scenes was studied under exchanging battery model.The challenges and prospects of electric vehicle were discussed at last.

electric vehicle;internet of things;total life cycle management;electric vehicle battery;location based service

TM 912

A

1002-087 X(2015)03-0627-04

2014-08-13

蔡子龍(1976—)，男，云南省人，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車、信息技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。