基于物聯(lián)網(wǎng)的新能源電動汽車智能換電系統(tǒng)設(shè)計研究

摘? 要：對新能源電動汽車智能換電需求進(jìn)行了研究，報告了電動汽車行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行了智能換電系統(tǒng)的智能化水平及服務(wù)質(zhì)量調(diào)查，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)實現(xiàn)智能換電、資源智能調(diào)度以及充/換電服務(wù)功能的系統(tǒng)解決方案，設(shè)計了由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和服務(wù)層四層組成的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用RFID技術(shù)解決了站點資源調(diào)度、車輛身份識別、服務(wù)過程引導(dǎo)、智能監(jiān)控、資源信息統(tǒng)計問題，提高了新能源電動汽車智能化管理水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);新能源電動汽車;智能換電系統(tǒng);RFID技術(shù)

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）23-0180-04

Research on the Design of Intelligent Power Exchange System for New Energy Electric Vehicles Based on the Internet of Things

GOU Dandan

（School of Electronic Information Engineering， Xi’an Vocational University of Automobile， Xi’an? 710038， China）

Abstract： This paper researches the demand for intelligent power exchange of new energy electric vehicles， reports the development status of the electric vehicle industry， conducts a survey on the intelligence level and service quality of the intelligent power exchange system， and proposes a system solution to realize intelligent power changing， intelligent resource scheduling and charging/exchanging power service function based on the technology architecture of the Internet of Things. And an IoT network topology structure consisting of four layers： perception layer， network layer， data layer and service layer is designed. The use of RFID technology solves the problems of site resource scheduling， vehicle identification， service process guidance， intelligent monitoring， and resource information statistics， and improves the intelligent management level of new energy electric vehicles.

Keywords： Internet of Things; New energy electric vehicle; intelligent power exchange system; RFID technology

0? 引? 言

隨著全球能源革命發(fā)展，世界能源危機(jī)日益凸顯，當(dāng)下我國在大力推廣新能源電動汽車，雖然在一定程度上有效解決了能源危機(jī)與環(huán)境污染等現(xiàn)實問題[1]，但電動汽車能源結(jié)構(gòu)為電能，當(dāng)車載電池電量耗盡時，就需要更換電池或進(jìn)行車輛充電，無論是換電還是充電，國內(nèi)技術(shù)并不成熟，尤其在能源的補(bǔ)給、換電站建設(shè)、智能換電管理以及標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫建設(shè)等方面，依然比較薄弱[2，3]。目前，我國新能源電動汽車智能換電站業(yè)務(wù)、運(yùn)用服務(wù)模式還不成型，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化與普及化要求。但發(fā)達(dá)國家，一些國家和地區(qū)的新能源電動車充/換電站業(yè)務(wù)已經(jīng)成熟，并達(dá)到先進(jìn)水平，從實際來看，國外電動汽車換電站與國內(nèi)基本類似，也都采用了“電池更換”與“整車充電”兩種模式[4]，這兩種模式也比較符合我國當(dāng)前的新能源電動汽車發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀與需求，進(jìn)而產(chǎn)生了“線上、線下”兩種智能換電服務(wù)模式[5]。

1? 基于物聯(lián)網(wǎng)的新能源電動汽車智能換電服務(wù)模式分析

1.1? 線上預(yù)約服務(wù)/線下直接服務(wù)

智能換電站可為用戶提供在線預(yù)約服務(wù)，主要由省運(yùn)營管理中心統(tǒng)一調(diào)度和智能管理各換電站資源信息，供車載終端查詢。站外用戶車輛只需調(diào)取車載終端數(shù)據(jù)庫，即可智能獲取各換電站內(nèi)換電資源數(shù)量、車輛數(shù)量、換電服務(wù)情況等，并向某一站點發(fā)起預(yù)約服務(wù)。平臺接到用戶預(yù)約申請后，由省運(yùn)營管理中心將用戶請求發(fā)送給指定站點服務(wù)平臺，通過自動受理及資源調(diào)度，為用戶提供個性化、智能換電服務(wù)。當(dāng)用戶進(jìn)入站點后，由物聯(lián)網(wǎng)射頻識別系統(tǒng)識別用戶身份，并引導(dǎo)用戶在站點完成換電工作[6]。

1.2? 智能化信息管理

換電站在引導(dǎo)用戶完成線上、線下?lián)Q電工作的同時，還需負(fù)責(zé)站內(nèi)車輛、電池等資源信息的數(shù)據(jù)化抽象任務(wù)，由此依托站點服務(wù)平臺建立資源狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。站點在實際運(yùn)營工作過程中，實際上依賴人工和站點自助服務(wù)終端自動完成相關(guān)服務(wù)，比如在線智能監(jiān)測車輛換電狀態(tài)，并完成對入站車輛的身份識別，同時接受線上用戶申請等，通過智能化受理，實現(xiàn)站內(nèi)資源調(diào)度、監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等[7]。

2? 基于物聯(lián)網(wǎng)的新能源電動汽車智能換電系統(tǒng)多維屬性數(shù)據(jù)庫建構(gòu)

2.1? 充/換電資源屬性數(shù)據(jù)化抽象

電動汽車智能充/放電過程中，通常會涉及以下幾類資源信息：（1）車位狀態(tài)（占用/空閑/故障）;（2）用戶預(yù)約狀態(tài)，排隊狀況，累計使用時間、次數(shù)等;（3）車位內(nèi)車輛入站信息：車輛身份與電池狀態(tài)信息;預(yù)計換電時間;已占用車位時間，是否正在換電或充電。

系統(tǒng)在資源調(diào)度時，需要對上述幾類資源信息進(jìn)行數(shù)字化處理，通過數(shù)據(jù)信息編碼，可將車輛充/換電資源屬性轉(zhuǎn)換為一串具有個體化特征且具有唯一標(biāo)簽屬性的“屬性碼”，方便信息追溯及換電站更新、維護(hù)。

2.2? 站點內(nèi)電池資源屬性數(shù)據(jù)化抽象

電動汽車智能換電包括兩種情況，一種是直接更換電池，另一種是對電池進(jìn)行充電，基于此，系統(tǒng)需要實時分析與獲取站內(nèi)電池資源數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)抽象，進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，建立具有唯一身份標(biāo)識的數(shù)據(jù)庫。站內(nèi)電池資源屬性可分為：（1）電池型號、類別;（2）電池序列，狀態(tài);（3）電池倉儲位置編碼信息;（4）用戶在線預(yù)約換電狀態(tài);（5）新能源汽車電池累計使用時數(shù)。

系統(tǒng)通過數(shù)字化轉(zhuǎn)換處理站點內(nèi)以上五種電池資源屬性信息，每輛新能源汽車的每個電池個體就會形成一個具有唯一身份標(biāo)識的數(shù)字編碼[8]，并由系統(tǒng)對每個個體唯一屬性碼進(jìn)行資源屬性數(shù)據(jù)化抽象，換電系統(tǒng)車輛、電池資源屬性數(shù)據(jù)對應(yīng)編碼如表1所示。

3? 基于物聯(lián)網(wǎng)的新能源電動汽車智能換電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1? 總體架構(gòu)設(shè)計

基于多維屬性數(shù)據(jù)庫的物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)方案主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和服務(wù)層四層組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖示如圖1所示。

3.2? 實現(xiàn)技術(shù)及過程

3.2.1? 感知層：自動識別進(jìn)站車輛身份及電池信息

感知層分別由充/放電設(shè)施、射頻識別器、電池資源傳感器模塊以及其他智能傳感裝置組成，主要負(fù)責(zé)實時采集各站點內(nèi)服務(wù)資源與車輛資源數(shù)據(jù)信息。因智能換電系統(tǒng)需自動識別入站車輛身份及電池信息，所以本系統(tǒng)采用非接觸式的RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)代替有線數(shù)據(jù)傳輸，通過將高頻RFID傳感器標(biāo)簽貼在新能源車輛及電池中，并將其錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)車輛入站時，系統(tǒng)就會自動獲取、識別車輛及電池信息，由RFID閱讀器負(fù)責(zé)采集各站點車輛空間位置、時間以及身份、狀態(tài)信息等。在車輛智能換電過程中，智能傳感器還能夠通過電池傳感器以及倉儲庫的RFID閱讀器，實時采集電池溫度、充電電壓、電流、電量和車輛狀態(tài)等資源信息[9]。

3.2.2? 網(wǎng)絡(luò)層：站內(nèi)數(shù)據(jù)信息交換、傳輸與連接

如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)層為三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它主要負(fù)責(zé)交換站點內(nèi)數(shù)據(jù)信息，實時在線傳輸省運(yùn)營中心與各站點之間的數(shù)據(jù)，同時負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)連接省運(yùn)營中心、客戶與各站點。

3.2.3? 數(shù)據(jù)層：管理和運(yùn)算各類編碼數(shù)據(jù)

整個系統(tǒng)的核心層為數(shù)據(jù)層，它又分為資源調(diào)度與數(shù)據(jù)管理兩個子模塊。作為控制中心，數(shù)據(jù)層主要功能是負(fù)責(zé)運(yùn)算和管理各類編碼數(shù)據(jù)信息，并向其他各層發(fā)送執(zhí)行指令。在工作過程中，數(shù)據(jù)管理模塊首先需要獲取感知層離散數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的序列碼，同時負(fù)責(zé)對資源屬性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，一旦發(fā)現(xiàn)序列碼異常，立即發(fā)出指令處理。

資源調(diào)度模塊主要功能是負(fù)責(zé)對站內(nèi)資源進(jìn)行調(diào)度，同時對用戶在線申請的服務(wù)指令進(jìn)行解析。此模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理算法，獲取用戶在線提交的服務(wù)序列碼，并實時獲取最優(yōu)資源碼，同時將相應(yīng)的資源操作指令發(fā)送給服務(wù)層。

3.2.4? 服務(wù)層：給用戶提供線上服務(wù)

智能充放電站主要為用戶提供線上、線下兩種服務(wù)模式，線上包括：提前預(yù)約與撤銷智能換電服務(wù);線下包括：為新能源電動汽車智能換電、充電以及倉儲電池、中轉(zhuǎn)服務(wù)等。其中，線上服務(wù)主要由客戶借助省運(yùn)營中心，通過車載終端來實現(xiàn)與完成，省運(yùn)營中心需統(tǒng)一對外在線公布各智能站點服務(wù)信息，用戶只需線上申請，由省運(yùn)營中心負(fù)責(zé)將相關(guān)信息提交給各智能服務(wù)站點，站點受理后，調(diào)整資源，并向省運(yùn)營中心回復(fù)客戶受理信息，最后由省運(yùn)營中心向用戶在線反饋受理信息[10]。

線下智能充放電服務(wù)一般需在站點內(nèi)完成。當(dāng)電動汽車進(jìn)站后，由RFID閱讀器自動識別并獲取入口處車輛、電池上的RFID標(biāo)簽信息，由數(shù)據(jù)層對車輛狀況進(jìn)行智能判斷[11]。若車輛提前已在線預(yù)約充/換電服務(wù)，站點內(nèi)智能引導(dǎo)終端會根據(jù)用戶預(yù)約資源信息，對車輛實施智能引導(dǎo);若車輛為非預(yù)約狀態(tài)，智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)層會現(xiàn)場調(diào)度和獲取車輛、電池的標(biāo)簽信息，并對其予以智能引導(dǎo)。如果車輛屬于非法未安裝RFID標(biāo)簽的傳統(tǒng)能源車輛，系統(tǒng)會顯示RFID標(biāo)簽信息讀取失敗的口令，并現(xiàn)場處罰警報。

如圖3所示。在站點運(yùn)營中，智能換電服務(wù)系統(tǒng)會對站點內(nèi)所有服務(wù)終端設(shè)備及數(shù)據(jù)層發(fā)出的各類實時指令進(jìn)行處理分析，實現(xiàn)站內(nèi)提示、服務(wù)引導(dǎo)、異常報警等功能，用戶可根據(jù)系統(tǒng)提示，自主完成車輛智能充/換電服務(wù)。

3.3? 系統(tǒng)測試與仿真

本研究假設(shè)某電動汽車智能換電站中同時接有電池組額定容量和電壓不同的100輛純電動車，并將該智能充電站中的100輛電動汽車的電池組容量劃分為10、30、50 kWh三個不同等級，然后進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行測試與仿真，相關(guān)情景參數(shù)設(shè)定如表2所示。

在電動汽車智能換電管理仿真時，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智能電調(diào)度控制系統(tǒng)，基于Simulink軟件搭建系統(tǒng)運(yùn)行測試仿真試驗平臺，針對電動汽車換電過程進(jìn)行智能管理仿真分析，采用模糊邏輯控制器根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的電動汽車智能電控制系統(tǒng)電網(wǎng)節(jié)點電壓、可用能量信息等進(jìn)行模糊控制計算分析，基于逆變控制器按電動汽車換電系統(tǒng)輸出的實時功率信號，對智能換電站的功率流進(jìn)行有效管理和控制。在仿真過程中，本研究考慮到高峰時段電動汽車智能換電站負(fù)荷較重，因此將配電網(wǎng)節(jié)點電壓設(shè)置0.93 pu，基于電動汽車實時荷電狀態(tài)、智能換電站電池容量等級及電動汽車車輛數(shù)量等參數(shù)，準(zhǔn)確計算換電站能量，基于模糊邏輯控制器對電動汽車整個換電策略進(jìn)行仿真控制，得到每輛電動汽車換電時智能電站釋放的節(jié)點功率。經(jīng)仿真分析，得出智能電站換電系統(tǒng)總放電功率變化趨勢。

通過測試，結(jié)果表明，當(dāng)智能電站換電所需總能量相同時，高峰期智能換電站V2G系統(tǒng)電網(wǎng)負(fù)荷越大，此時，應(yīng)通過模糊邏輯控制，基于物聯(lián)網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)，對電動汽車換電功率進(jìn)行限制，以免“峰上加峰”。

經(jīng)仿真分析，本研究模擬結(jié)果說明，當(dāng)智能換電系統(tǒng)中的電網(wǎng)負(fù)荷運(yùn)行條件相同時，物聯(lián)網(wǎng)控制器允許的電站換電功率會隨電動汽車換電需求增加而增大，因此，在保證智能換電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行前提下，通過物聯(lián)網(wǎng)模糊邏輯控制電動汽車換電過程，可實現(xiàn)“削峰填谷”，并實現(xiàn)了電動汽車智能換電系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定、持續(xù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行，充分滿足了廣大智能電站電動汽車用戶大規(guī)模換電需求，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)智能放電調(diào)控管理。

4? 結(jié)? 論

新能源電動汽車智能換電一般包括充電服務(wù)、電池更換服務(wù)、換電服務(wù)等內(nèi)容，這些不同服務(wù)內(nèi)容在換電站運(yùn)營中具有“實時性”“動態(tài)性”特征，從物聯(lián)網(wǎng)角度來看，這些不同的服務(wù)內(nèi)容和過程都是基于不同服務(wù)資源的空間和時間集合。因此，建構(gòu)統(tǒng)一、集成的智能換電服務(wù)資源數(shù)據(jù)庫，有助于提高站點資源調(diào)度效率，改善服務(wù)效果。

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作者簡介：茍丹丹（1983.01—），女，漢族，陜西漢中人，講師，本科，研究方向：電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程。