移动式电动汽车充换电的服务理念及其实施

周瑾,杨冠群,唐国春

(上海第二工业大学1.电子与电气工程学院;2.经济管理学院,上海201209)

移动式电动汽车充换电的服务理念及其实施

周瑾1,杨冠群1,唐国春2

(上海第二工业大学1.电子与电气工程学院;2.经济管理学院,上海201209)

电动汽车未来大规模发展需要众多公共充电设施的支持,但是出于地面场地的限制,以及大规模充电对配电网可能带来的冲击,极大地限制了固定式充电设施的布设。为了克服这些困难,提出一种全新的设想方案,即建立移动式电动汽车充换电系统,并分析了这一系统相对于固定式充电设施的优势,以及它从技术角度的可行性。

移动式充换电系统;电动汽车;物联网

0 引言

电动汽车因其驱动能源与燃油汽车不同而带来一系列的优势,主要体现在减少废气污染和噪声危害、能源转化率高、可以改善城市供电网的负荷均衡性、车辆驱动结构简单等5个方面。在当前能源紧张和环境污染的双重压力下,世界各国无一不在推进电动汽车的普及和推广,但是由于目前电动汽车的蓄能元件性能有限,充电一次所能行驶的里程还无法与燃油汽车相媲美,即使类似为燃油汽车服务的固定加油站那样为电动汽车提供足够多的固定充电桩,还是无法提高人们购买电动汽车的意愿。电动汽车要得到大规模的发展需要众多公共充电设施的支持[1-2]。另一方面,国外的大量研究表明,电动汽车如果都集中在车主下班回家后立即充电,也会影响局部电网的安全运行和电能质量[3-4]。

为了解决推广电动汽车和充电之间的矛盾,依据物联网在信息获取和传输方面的成果,本文提出双向柔性配合的移动式电动汽车充换电服务理念及其实施方案。

1 移动式电动汽车充换电的服务理念

目前电动汽车的常见充电设施有3种:充电桩、充电站和换电站[5-6]。充电桩提供的充电过程缓慢,适合于需求量较低、用户用车习惯比较规律的情形。充电站可提供慢速充电和快速充电两种方式,但是由于充电速度还是比加油速度慢,而且设备要求高,充电站的建设成本巨大。换电站将电动汽车耗尽的电池组直接更换为充电站内已经充电的电池组。整个更换电池的过程可在数分钟内完成,而更换下来的电池待电网负荷较低时进行统一充电,但是这要求车用动力电池充电技术、电池规格、接口标准必须完全一致。理想的电动汽车充电设施当然是几种充电方式都可以提供,但是限于建设成本,建立众多的多模固定式充换电站显然并不可行。

本文提出一种新思路——建立基于物联网的移动式电动汽车充换电服务,即在那些无法设置固定式充电设施或者所设固定式充电设施数量不足的城市区域,配置一定数目的可移动充电设施,使之在物联网技术的支撑下为在相应区域行驶的电动汽车提供方便的充电、换电池服务。为实现这一目的,可在电动汽车上安装电池电量传感器,通过通信装置连接到充电公司的监控/调度平台。监控/调度平台借助于物联网及时发现用户需求,可以比较灵活地选择充换电服务的约定地点、时间,调动移动充电设施车辆前往提供主动的充电、换电池服务。这里所说的移动充电设施车辆提供的充电模式可以有整车快速充电、整车慢速充电和更换电池3种,其中更换电池模式需要解决电池产权、流通、标准等问题,所以开始时可能只限于使用专用电池的电动公交汽车。

这种新颖的移动式电动汽车充换电服务发挥作用的两种应用场景如下:

(1)当监控/调度平台系统发现某电动汽车的电池电量已经到达下限,可以及时、主动地向该电动汽车发送提供移动式充换电服务的可选项信息,在得到车主的认可反馈后,经过协调获得确定的充电地点以及时间,再调动移动充电设施车辆前往提供服务。

(2)当有大型公众聚会时,例如演唱会、体育比赛等,附近的固定式充电设施容量不足以满足突发的用户需求时,通过监控/调度平台系统的协调派发移动充电设施车辆前往是一项不错的应急措施,也可以避免车辆的拥堵。

2 与固定式充电设施相比较所具有的优势

固定式充电设施的设置必须满足3个条件:地面要有足够的安装和停车空间、要能满足电网的配给容量、要能满足充电所要求的消防和安全规范。然而,由于城市街道和社区的现有格局一般已很成熟,加之电动汽车潜在购买者的居住地和出行路线都具有相当高的随机性,所以很难在现有城市格局中设计出令人满意的固定式充电设施安置地点。

移动式电动汽车充换电服务与现有的固定式充电设施相比具有下述优点。

(1)设施不占场地,变固定式为移动式。移动式充电设施可根据充电对象电动汽车的坐标和动向灵活选取充换电的停靠地点和时间,彻底解决固定式充电设施在需求密度高的地区难以觅得合适安装场地的困窘。

(2)主动提供服务。移动式充换电系统可根据充电服务双方的状态和道路状况决定何时何地为电动汽车提供充电服务,改变以往类似加油站式的守株待兔的被动局面。这样可从整体上提高充电设施的利用率,节约相应的总能源和总时间。同时,用户驾驶电动汽车上路,不再有电池容量不足的顾虑,可以进行长时间、长距离的行驶,达到能与燃油汽车相媲美的便利性。此外,在物联网的支持下,主动向用户提供服务,可以避免因专注驾驶而疏忽电池电量耗尽、用户被迫停车、影响交通的情况发生。

(3)服务方式灵活,方便用户。电动汽车在发出充电要求时仍是可行驶的,所以可以通过与监控/调度平台系统的协调得到用户适宜的充电地点以及时间。具体停车位置可以既适合双方车辆停靠,又可以减少用户等待的时间。另外,移动式充电模式也不唯一,可以快充、慢充或换电池,用户可根据自己的实际需要选择其中之一。相比慢充,快充虽然可以满足消费者应急充电的需要,但是对电动汽车动力电池的寿命有很大的负面影响,而且需要功率大、配置高的充电设备。换电池模式速度快,有助于延缓电动汽车动力电池寿命,是更有希望得到推广的一种模式。

(4)避免冲击配电网。电动汽车的动态分布具有随机性,采用移动式充换电方式有助于充电行为在时间上的交错进行。即使当大量的电动汽车被广泛应用之后,配电网的运行仍可以保持安全和有效。

(5)突破地域限制,变城际为城内。当移动式充电系统得到推广并在相邻城市铺开投入运营后,可在城际间的高速公路服务站设置中继服务点,从而给电动汽车的长途行驶提供了足够的保障。

3 技术可行性

为实现移动式电动汽车充换电服务,需要完成3个子系统的开发:电动汽车的车载装置、监控/调度平台系统和移动充电设施车辆。移动充电设施车辆需要集成固定式充电站中的充电机、谐波处理装置、安全配套设施、与配电网的入网接口,以及固定式换电站中的电池管理、电池拆卸安装机构、安全配套设施等种种功能部件,并且缩小规模。电动汽车的车载装置和车联网中的车载装置有相似之处,并且本身就有电池电量传感器,技术难度相对较小。监控/调度平台系统是整个移动式电动汽车充换电系统的核心,承担信息的收集、分析、计算、反馈等功能。以上这些子系统的开发,在物联网的支持下均可实现。

物联网(Internet of Things,IOT),即“物物相连的互联网”,被认为是继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮,能够实现人与物、物与物之间的信息交互,便于实时、准确和智能化地信息管理,是建设智能交通、数字城市的重要组成部分[7-8],尤其适合移动式电动汽车充换电系统的开发和运作。

物联网通常划分为感知层、网络层和应用层三大层次。在移动式电动汽车充换电系统中,感知层将通过射频识别标签和传感器等感知元件实现各电动车和移动充电设施车辆相关信息的采集、捕获和识别功能;网络层则依托公众电信网和互联网,以及行业专业网络,实现以上信息的传输和交换;应用层实现相应的充换电服务信息管理。在此基础上,可以得到移动式电动汽车充换电系统的技术实施模型(如图1所示),包括监控/调度平台系统、计算层、数据层、传输层和感知层。分布在电动汽车的车载装置和移动充电设施车辆中的射频识别(Radio Frequency Identifcation,RFID)、传感器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)等装备识别了信息后,通过传输层网络将信息传送到上层;经过数据的维护和管理,计算层再对传输上来的数据进行处理。在此模型中,数据分析与智能处理技术将是整个模型中的核心技术和最有难度的部分,这包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。

图1 基于物联网的移动式电动汽车充换电系统技术实施模型Fig.1 The Implementation model of IOT based mobile battery charging/swapping system for electric vehicles

以目前的技术发展程度来看,这个模型是可以实现的,只是这一系统需要多方的相互协调,统一标准和规范。如:电动汽车动力电池本身性能和参数的标准化,电池和电动车接口的标准化,电池和外置充电设备接口的标准化,安全操作规范,配电网的入网接口等。模型的实现需要进一步的研发、试验和验证,具体的服务模式亦有待于进一步的探讨和细化。

4 结论和建议

电动汽车将是我国新能源战略和智能电网的重要组成部分。预计2020年中国将有20%的新能源汽车份额,电动汽车将达到1000万辆[2,9]。本文提出的基于物联网的移动式电动汽车充换电系统具有不容置疑的实用价值,下一步我们会对此系统进行验证研究,并借此项目的广泛性和实用性给物联网的应用提供一个有效的典范,促进物联网技术与新一代移动通信、云计算、下一代互联网、卫星通信等技术的融合发展,甚至带动其他行业,如制造业、服务业的跨越发展。

参考文献:

[1]熊虎,向铁元,祝勇刚,等.电动汽车公共充电站布局的最优规划[J].电力系统自动化,2012,36(23):65-70.

[2]李佩珩,易翔翔,候福深.国外电动汽车发展现状及对我国电动汽车发展的启示[J].北京工业大学学报,2004, 30(1):49-51.

[3]CLEMENT-NYNS K,HAESEN E,DRIESEN J.The impact of charging plug-in hybrid electric vehicles on a residential distribution grid[J].IEEE Trans on Power Systems, 2010,25(1):371-380.

[4]FERNANDEZ L P,ROMAN T G S,COSSENT R,et al. Assessment of the impact of plug—in electric vehicles on distribution networks[J].IEEE Trans on Power Systems, 2011,26(1):206-213.

[5]刘群峰.电动汽车充电模式分析[J].科技传播.2013, 3(6):67-68.

[6]周逢权,连湛伟,王晓雷,等.电动汽车充电站运营模式探析[J].电力系统保护与控制,2010,38(21):63-66.

[7]屈勇.基于物联网的智能高速公路系统研究[D].大连:大连海事大学,2011.

[8]熊洁琼,刘宏志.基于物联网的城市应急物流调度系统的模型与实现[J].软件导刊,2012,11(2):75-76.

[9]赵俊华,文福栓,杨爱民,等.电动汽车对电力系统的影响及其调度与控制问题[J].电力系统自动化,2011, 35(14):2-10,29.

Mobile Battery Charging/Swapping Service for Electric Vehicles and Its Implementation

ZHOU Jin1,YANG Guan-qun1,TANG Guo-chun2
(1.School of Electronic and Electrical Engineering;2.School of Economics and Management,Shanghai Second Polytechnic University,Shanghai 201209,P.R.China)

The massive development of electric vehicles in near future demands numerous public charging infrastructure’s backup. However,the restriction of ground space and the possible impacts of large-scale charging behavior on distribution network,signifcantly confne the installment of fxable charging infrastructure.In order to overcome these diffculties,a novel conjecture scheme–establishment of a mobile battery charging/swapping system for electric vehicles is presented.Furthermore,the advantages of the novel system over fxable charging infrastructure and the feasibility of implementation from the point of view of technology is analyzed.

mobile battery charging/swapping system;electric vehicles;internet of things

TP29

:A

1001-4543(2014)01-0036-04

2013-11-20;

2014-02-21

周瑾(1973–),女,浙江宁波人,副教授,博士,主要研究方向为优化问题、系统建模与仿真,电子邮箱zhoujin@sspu.edu.cn。

国家自然科学基金项目(No.71371120)资助