ETC系统中OBU电源子系统的研究与实现

刘晓曦，巴继东（.武汉邮电科学研究院 湖北 武汉 430074；.武汉长江通信智联技术有限公司 湖北 武汉 43000）

ETC系统中OBU电源子系统的研究与实现

刘晓曦1，巴继东2
（1.武汉邮电科学研究院 湖北 武汉 430074；2.武汉长江通信智联技术有限公司 湖北 武汉 430010）

OBU-On Board Unit，即车载单元。在ETC系统中，OBU与路侧单元RSU相互通讯，实现在不停车的情况下进行车辆身份识别，电子扣费，实现不停车、免取卡，建立无人值守车辆通道。文章阐述了一套OBU的系统架构，并针对市场需求，基于设计出高稳定性、高性价比OBU的目的，通过对OBU电源系统的详细研究、对OBU功耗的具体分析，结合模拟实际使用环境的测试，总结出其核心参数的设计标准，提出了一套完整、详细的OBU电源系统方案及实现。

电子不停车收费系统；车载单元；路侧单元；电源系统

电子不停车收费系统ETC（Electronic Toll Collection），作为世界上最先进的智能收费系统，给人们的生活带来极大的方便［1］。随着ETC的应用越来越普及、应用领域越来越广泛，其车载单元OBU（On Board Unit）的需求量随着车辆数量的增加而快速增长，故性能稳定、性价比高的OBU的研发与产品化成了各大ETC设备研发单位急需解决的问题。在OBU的使用中，一旦贴到用户的车辆上开始使用，便要保证在很长一段时间内无需维护而正常运行，故在OBU的设计中，电源系统的研究和实现很大程度上影响和决定了OBU的稳定性和性价比。因此高性能的电源系统便成了OBU设计的主要难点之一。结合OBU的国家标准和市场需求，文中简述了OBU的一种系统架构和实现，并对电源系统进行详细的研究、分析和测试，提出一套完整的、可靠的OBU电源系统解决方案。

1　OBU的系统架构与实现

OBU是一种具有微波通信功能和信息存储功能的移动识别设备，是构建ETC系统的重要组成部分。OBU主要完成车辆数据和用户数据的存储和读写，并通过跟RSU进行信息的交互。其功能由一个单片机系统来实现，采用“ESAM卡存储模块+微波通信模块”的组合结构，从功能的设计上划分为MCU模块、防拆开关模块、电源控制模块、ESAM卡模块、交易指示功能模块和射频模块［2］。各模块实现的功能如下：

MCU模块：完成协议处理、数据储存、中断响应、电路控制、电源管理、对外通讯等功能；

防拆开关模块：放拆模块实现把OBU拆除信号，通过MCU的I/O产生外部中断，进行相应处理；

电源控制模块：电源控制电路通过CPU控制各模块的上电与断电，以实现低功耗的目的；

ESAM卡模块：单板通过ESAM卡模块实现交易信息的安全处理；

交易指示功能模块：通过红绿灯和蜂鸣器实现交易情况、电量情况等的指示功能；

射频模块：通过5.8 GHz射频芯片实现与RSU的通信。

其具体系统框架图如图1所示。

2　OBU电源系统的研究与分析

下面根据国标和市场需求，设计一套完整、详细的OBU电源系统的架构和实现方法。

图1　OBU系统框架图

2.1电源系统参数的选定

根据国标 《电子收费专用短程通信第4部分：设备应用GB/T 20851.4—2007》［3］：“5.1.8可靠性—OBU平均无故障时间应大于50 000 h”；“5.1.9平均免维护时间：OBU平均免维护时间不小于2年（按每天10次交易计算）”。并且，市场上所有ETC设备厂商均宣称OBU的寿命不小于5年。综合考虑ETC交易过程，假设车辆进入ETC车道后，从被唤醒到进行交易所需时间为T1，从交易结束到进入睡眠模式所需时间为T2，完整完成一次交易所需时间为T；OBU电压为U；OBU的工作电流和静态电流分别为I1、I2；用户每天的交易次数为N。则：

平均每天的工作功耗：

W1=U×I2×10-3×N（T+T1+T2）；

平均每天的静态功耗：

W2=U×I1×10-6×［86 400-N（T+T1+T2）］；

平均每年的功耗：

W=365×（W1+W2）；

业内各ETC厂商均能确保T=0.25 s，按照国标规定唤醒时间≤5 ms，可暂定T1=T2=5 ms，故采用3.6 V 1 200 mAh的电池作为电源电池。为了保障OBU的性能，提高OBU的使用年限，可采用3.6 V 1 200 mAh锂电池配合太阳能电池板联合供电的电源供电方案。

2.2电源系统电路设计

电源系统电路设计如图2所示。经过计算和分析，本系统采用3.6 V锂电池与弱光型太阳能电池联合供电，当光照充足时，太阳能模块向CC1电容充电，待其充满后在无光照时CC1放点可向MCU供电。若太阳能无法正常工作，可由BAT1锂电池向MCU供电，来保证系统正常工作。

图2　电源系统电路

2.3电源系统电池的选择

在ETC系统中目前依然主要采用的是有源RFID工作模式，因此电池的寿命原则上来说就是收费卡的生命。目前的要求往往是5年以上。

ETC项目对于电池的要求：

1）由于收费卡经常需要安放在驾驶室的前端甚至是挡风玻璃上，因此电池要能够忍受长期高温和低温，尤其是高温的影响，而且还要克服每天高低温交错的影响，这些都对电池来说都是残酷的考验。

2）在电池工艺结构方面要能忍受振动甚至潮湿的影响。这方面锂亚电池更加合适，因为它是激光密封的，比其他电池用橡胶圈密封要可靠得多。

3）电池自漏电低（锂亚电池的特长），能保证收费卡至少5年以上的寿命。

4）车辆有可能长期没有跑高速（比如1～2个月以上），收费卡没有工作，但电池不能出现钝化现象（锂亚电池特有的缺陷）。因为电池出现钝化现象会造成电池电压滞后，整个收费卡不能正常工作，从而读卡通信失败。

5）由于安装条件的限制，电池体积要尽量小。

6）在一些ETC项目中，两片式的通信卡（国外是单片式）采用的是非接触卡，非接触卡的读取需要消耗比较高的电源功率，电流脉冲一般达到50～100 mA［4］，一般小型化锂亚电池无法承受这样的功率需求。

为了满足以上的需求，对比市面上的多种电池，我们最终发现一款电池较为合适。该电池的设计寿命长达20年，并且除了保持长寿命的特点外，还能做到长期存放后，在恶劣环境下放电而且无电压滞后、无须激活并同时能大功率放电，甚至持续大功率放电。还能实现体积小、重量轻和容量大等特性［5］。

故在本系统中采用该锂电池和复合电容搭配太阳能电池板［6］进行供电。

3　OBU电源系统的实现与测试

根据OBU的实际使用情况，其静态电流≤5 μA，最大工作电流≤100 mA。下面对电源系统进行实际的测试：

3.1锂电池连接36 Ω电阻放电测试

锂电池，电压3.6 V，为实现最大工作电流100 mA，我们将其连接36 Ω电阻，测试其放电情况。如图3、图4所示。

图3　锂电池放电曲线

经测试，该锂电池在室温下连接36 Ω电阻，大约2小时，电量降至2.6 V以下 （经实际测试，OBU在电源电压为2.2 V以上时能正常交易，为确保其工作的稳定性，我们设定OBU正常工作的临界电压为2.6 V）。

计算可得，该锂电池静态工作即电流为5 μA时，可持续工作4万多小时，可保证正常工作近5年。

3.2复合电容连接36 Ω电阻放电测试

复合电容，电压3.6 V，为实现最大工作电流100 mA，同样将其连接36 Ω电阻，测试其放电情况，如图4所示。

图4　复合电容放电曲线

经测试，该复合电容在室温下连接36 Ω电阻，大约7分钟，电量降至2.6 V一下 （经实际测试，OBU在电源电压为2.2 V以上时能正常交易，为确保其工作的稳定性，我们设定OBU正常工作的临界电压为2.6 V）。

计算可得，该复合电容静态工作即电流为5 μA时，可持续工作2千3百多小时，近100天。

3.3HLC-1020复合电容连接36 Ω电阻充放电测试

将TADIRAN复合电容HLC-1020连接太阳能电池板，测试其在光照环境下充电及放电情况，如图5～图8所示。

在天气晴朗的环境下，将TADIRAN复合电容HLC-1020放电至电压为2.22 V，放电结束10分钟后连接太阳能电池板放置在光照处（为模拟车辆环境，在太阳能电池板前放置一块挡风玻璃）充电，未连接电阻。经过4小时电压升至3.459 V。放置一段时间后，连接36Ω电阻进行放电测试，经8分钟，电压降至2.698 V。

图5　HLC-1020充电曲线（第一次）

图6　HLC-1020第一次充电后放电曲线

图7　HLC-1020充电曲线（第二次）

图8　HLC-1020第二次充电后放电曲线

在阴雨环境下，将TADIRAN复合电容HLC-1020放电至电压为2.22 V，放电结束25分钟后连接太阳能电池板放置在光照处（为模拟车辆环境，在太阳能电池板前放置一块挡风玻璃）充电，电容连接55.5 kΩ电阻。经过6.5小时电压升至3.474 V。立即连接36 Ω电阻进行放电测试，经过7分钟，电压降至2.665 V。

以上测试表明，单独使用3.6 V、1 200 mA锂电池可保证OBU正常使用5年；由太阳能电池板接受光能充电的复合电容充电半天可持续工作7分钟、休眠状态可保证供电3个月。实际测试数据均显示，锂电池搭配可充电复合电容可确保至少5年内OBU稳定运行，不会因电源系统供电不足而影响使用。此套OBU电源系统解决方案为OBU的高稳定性运行提供了可靠的保障。

4　结束语

ETC的应用越来越广泛，作为ETC的重要组成部分，OBU的设计性能直接影响到整个ETC系统的性能。而OBU的设计重点之一就是电源系统的设计。

文中简述了OBU的一种系统架构和实现，并对其最主要的难点之一电源系统进行了详细的研究、分析和测试，总结出电源系统的需求和核心参数的设计参考标准，并在此基础上，提出了OBU电源系统的具体架构和实现方法，从而形成一套完整、详细的OBU电源系统解决方案，为研发和生产高稳定性、高性价比的OBU提供有力的支持和可靠的保障。

［1］国内高速公路行业ETC市场研究及发展方案报告［R］. 2013:6-9.

［2］许菲，李新友.ETC系统中车载单元的研究与实现［J］.武汉理工大学学报:交通科学与工程版，2011，35（5）:1049-1053.

［3］中国国家标准化委员会.GB/T 20851.1-2007电子收费专用短程通信［S］.北京：中国国家标准化委员会，2007.

［4］殷聪.5.8 GHz RFID电子标签的硬件设计［Z］.2011.

［5］关于长寿电池使用的技术解析［Z］.2013.

［6］任航，叶琳.太阳能电池的仿真模型设计和输出特性研究［J］.电力自动化设备，2009（10）:112-115.

Realization and research of OBU power system in ETC

LIU Xiao-xi1，BA Ji-dong2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，WuHan 430074，China；2.Wuhan YCIG iLink TechnologyCo.，Ltd，WuHan 430010，China）

OBU-On Board Unit，it is the vehicle unit.In Electronic Toll Collection（ETC）system，OBU and Road Side Unit （RSU）communicate with each other and make identification cars without parking，electronic payment，building unattended vehicle lane become possible.At first of this paper，it expound the system architecture of OBU，than it gives detailed research，analysis and test，summarized core parameters of this system.In the end，it depending on current market，makes a complete，detailed solution of On Board Unit power supply system.

Electronic Toll Collection（ETC）；On Board Unit（OBU）；Road Side Unit（RSU）；power system

TN925

A

1674－6236（2016）11-0163-03

2015-06-01稿件编号：201506013

刘晓曦（1988—），女，湖北武汉人，硕士研究生，硬件工程师。研究方向：通信，物联网。