基于物联网的新能源电动汽车智能换电系统设计研究

2021-05-07苟丹丹

现代信息科技 2021年23期

摘要：对新能源电动汽车智能换电需求进行了研究，报告了电动汽车行业发展现状，进行了智能换电系统的智能化水平及服务质量调查，提出了一种基于物联网技术架构实现智能换电、资源智能调度以及充/换电服务功能的系统解决方案，设计了由感知层、网络层、数据层和服务层四层组成的物联网络拓扑结构。利用RFID技术解决了站点资源调度、车辆身份识别、服务过程引导、智能监控、资源信息统计问题，提高了新能源电动汽车智能化管理水平。

关键词：物联网;新能源电动汽车;智能换电系统;RFID技术

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A文章编号：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

随着全球能源革命发展，世界能源危机日益凸显，当下我国在大力推广新能源电动汽车，虽然在一定程度上有效解决了能源危机与环境污染等现实问题[1]，但电动汽车能源结构为电能，当车载电池电量耗尽时，就需要更换电池或进行车辆充电，无论是换电还是充电，国内技术并不成熟，尤其在能源的补给、换电站建设、智能换电管理以及标准化数据库建设等方面，依然比较薄弱[2，3]。目前，我国新能源电动汽车智能换电站业务、运用服务模式还不成型，未达到标准化、规模化与普及化要求。但发达国家，一些国家和地区的新能源电动车充/换电站业务已经成熟，并达到先进水平，从实际来看，国外电动汽车换电站与国内基本类似，也都采用了“电池更换”与“整车充电”两种模式[4]，这两种模式也比较符合我国当前的新能源电动汽车发现现状与需求，进而产生了“线上、线下”两种智能换电服务模式[5]。

1 基于物联网的新能源电动汽车智能换电服务模式分析

1.1 线上预约服务/线下直接服务

智能换电站可为用户提供在线预约服务，主要由省运营管理中心统一调度和智能管理各换电站资源信息，供车载终端查询。站外用户车辆只需调取车载终端数据库，即可智能获取各换电站内换电资源数量、车辆数量、换电服务情况等，并向某一站点发起预约服务。平台接到用户预约申请后，由省运营管理中心将用户请求发送给指定站点服务平台，通过自动受理及资源调度，为用户提供个性化、智能换电服务。当用户进入站点后，由物聯网射频识别系统识别用户身份，并引导用户在站点完成换电工作[6]。

1.2 智能化信息管理

换电站在引导用户完成线上、线下换电工作的同时，还需负责站内车辆、电池等资源信息的数据化抽象任务，由此依托站点服务平台建立资源状态数据库。站点在实际运营工作过程中，实际上依赖人工和站点自助服务终端自动完成相关服务，比如在线智能监测车辆换电状态，并完成对入站车辆的身份识别，同时接受线上用户申请等，通过智能化受理，实现站内资源调度、监测、数据统计分析等[7]。

2 基于物联网的新能源电动汽车智能换电系统多维属性数据库建构

2.1 充/换电资源属性数据化抽象

电动汽车智能充/放电过程中，通常会涉及以下几类资源信息：（1）车位状态（占用/空闲/故障）;（2）用户预约状态，排队状况，累计使用时间、次数等;（3）车位内车辆入站信息：车辆身份与电池状态信息;预计换电时间;已占用车位时间，是否正在换电或充电。

系统在资源调度时，需要对上述几类资源信息进行数字化处理，通过数据信息编码，可将车辆充/换电资源属性转换为一串具有个体化特征且具有唯一标签属性的“属性码”，方便信息追溯及换电站更新、维护。

2.2 站点内电池资源属性数据化抽象

电动汽车智能换电包括两种情况，一种是直接更换电池，另一种是对电池进行充电，基于此，系统需要实时分析与获取站内电池资源数据信息，通过数据抽象，进行编码转换，建立具有唯一身份标识的数据库。站内电池资源属性可分为：（1）电池型号、类别;（2）电池序列，状态;（3）电池仓储位置编码信息;（4）用户在线预约换电状态;（5）新能源汽车电池累计使用时数。

系统通过数字化转换处理站点内以上五种电池资源属性信息，每辆新能源汽车的每个电池个体就会形成一个具有唯一身份标识的数字编码[8]，并由系统对每个个体唯一属性码进行资源属性数据化抽象，换电系统车辆、电池资源属性数据对应编码如表1所示。

3 基于物联网的新能源电动汽车智能换电系统设计与实现

3.1 总体架构设计

基于多维属性数据库的物联网智能调度系统方案主要由感知层、网络层、数据层和服务层四层组成，系统总体架构图示如图1所示。

3.2 实现技术及过程

3.2.1 感知层：自动识别进站车辆身份及电池信息

感知层分别由充/放电设施、射频识别器、电池资源传感器模块以及其他智能传感装置组成，主要负责实时采集各站点内服务资源与车辆资源数据信息。因智能换电系统需自动识别入站车辆身份及电池信息，所以本系统采用非接触式的RFID物联网技术代替有线数据传输，通过将高频RFID传感器标签贴在新能源车辆及电池中，并将其录入系统数据库，当车辆入站时，系统就会自动获取、识别车辆及电池信息，由RFID阅读器负责采集各站点车辆空间位置、时间以及身份、状态信息等。在车辆智能换电过程中，智能传感器还能够通过电池传感器以及仓储库的RFID阅读器，实时采集电池温度、充电电压、电流、电量和车辆状态等资源信息[9]。

3.2.2 网络层：站内数据信息交换、传输与连接

如图2所示。网络层为三层拓扑结构，它主要负责交换站点内数据信息，实时在线传输省运营中心与各站点之间的数据，同时负责通过网络连接省运营中心、客户与各站点。

3.2.3 数据层：管理和运算各类编码数据

整个系统的核心层为数据层，它又分为资源调度与数据管理两个子模块。作为控制中心，数据层主要功能是负责运算和管理各类编码数据信息，并向其他各层发送执行指令。在工作过程中，数据管理模块首先需要获取感知层离散数据，经过处理，将其转换为统一的序列码，同时负责对资源属性数据库进行管理，一旦发现序列码异常，立即发出指令处理。

资源调度模块主要功能是负责对站内资源进行调度，同时对用户在线申请的服务指令进行解析。此模块根据数据处理算法，获取用户在线提交的服务序列码，并实时获取最优资源码，同时将相应的资源操作指令发送给服务层。

3.2.4 服务层：给用户提供线上服务

智能充放电站主要为用户提供线上、线下两种服务模式，线上包括：提前预约与撤销智能换电服务;线下包括：为新能源电动汽车智能换电、充电以及仓储电池、中转服务等。其中，线上服务主要由客户借助省运营中心，通过车载终端来实现与完成，省运营中心需统一对外在线公布各智能站点服务信息，用户只需线上申请，由省运营中心负责将相关信息提交给各智能服务站点，站点受理后，调整资源，并向省运营中心回复客户受理信息，最后由省运营中心向用户在线反馈受理信息[10]。

线下智能充放电服务一般需在站点内完成。当电动汽车进站后，由RFID阅读器自动识别并获取入口处车辆、电池上的RFID标签信息，由数据层对车辆状况进行智能判断[11]。若车辆提前已在线预约充/换电服务，站点内智能引导终端会根据用户预约资源信息，对车辆实施智能引导;若车辆为非预约状态，智能系统数据层会现场调度和获取车辆、电池的标签信息，并对其予以智能引导。如果车辆属于非法未安装RFID标签的传统能源车辆，系统会显示RFID标签信息读取失败的口令，并现场处罚警报。

如图3所示。在站点运营中，智能换电服务系统会对站点内所有服务终端设备及数据层发出的各类实时指令进行处理分析，实现站内提示、服务引导、异常报警等功能，用户可根据系统提示，自主完成车辆智能充/换电服务。

3.3 系统测试与仿真

本研究假设某电动汽车智能换电站中同时接有电池组额定容量和电压不同的100辆纯电动车，并将该智能充电站中的100辆电动汽车的电池组容量划分为10、30、50 kWh三个不同等级，然后进行系统运行测试与仿真，相关情景参数设定如表2所示。

在电动汽车智能换电管理仿真时，本研究结合物联网智能电调度控制系统，基于Simulink软件搭建系统运行测试仿真试验平台，针对电动汽车换电过程进行智能管理仿真分析，采用模糊逻辑控制器根据物聯网架构下的电动汽车智能电控制系统电网节点电压、可用能量信息等进行模糊控制计算分析，基于逆变控制器按电动汽车换电系统输出的实时功率信号，对智能换电站的功率流进行有效管理和控制。在仿真过程中，本研究考虑到高峰时段电动汽车智能换电站负荷较重，因此将配电网节点电压设置0.93 pu，基于电动汽车实时荷电状态、智能换电站电池容量等级及电动汽车车辆数量等参数，准确计算换电站能量，基于模糊逻辑控制器对电动汽车整个换电策略进行仿真控制，得到每辆电动汽车换电时智能电站释放的节点功率。经仿真分析，得出智能电站换电系统总放电功率变化趋势。

通过测试，结果表明，当智能电站换电所需总能量相同时，高峰期智能换电站V2G系统电网负荷越大，此时，应通过模糊逻辑控制，基于物联网智能调度系统，对电动汽车换电功率进行限制，以免“峰上加峰”。

经仿真分析，本研究模拟结果说明，当智能换电系统中的电网负荷运行条件相同时，物联网控制器允许的电站换电功率会随电动汽车换电需求增加而增大，因此，在保证智能换电系统安全、稳定运行前提下，通过物联网模糊逻辑控制电动汽车换电过程，可实现“削峰填谷”，并实现了电动汽车智能换电系统安全、可靠和稳定、持续、经济、环保运行，充分满足了广大智能电站电动汽车用户大规模换电需求，实现基于物联网智能放电调控管理。

4 结论

新能源电动汽车智能换电一般包括充电服务、电池更换服务、換电服务等内容，这些不同服务内容在换电站运营中具有“实时性”“动态性”特征，从物联网角度来看，这些不同的服务内容和过程都是基于不同服务资源的空间和时间集合。因此，建构统一、集成的智能换电服务资源数据库，有助于提高站点资源调度效率，改善服务效果。

参考文献：

[1] 韩鹏，汪晋宽，韩英华，等.智能电网中电动汽车与微网联合运行的建模与仿真 [J].东北大学学报（自然科学版），2014，35（10）：1373-1377.

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