基于物聯網的新能源電動汽車智能換電系統設計研究

摘? 要：對新能源電動汽車智能換電需求進行了研究，報告了電動汽車行業發展現狀，進行了智能換電系統的智能化水平及服務質量調查，提出了一種基于物聯網技術架構實現智能換電、資源智能調度以及充/換電服務功能的系統解決方案，設計了由感知層、網絡層、數據層和服務層四層組成的物聯網絡拓撲結構。利用RFID技術解決了站點資源調度、車輛身份識別、服務過程引導、智能監控、資源信息統計問題，提高了新能源電動汽車智能化管理水平。

關鍵詞：物聯網;新能源電動汽車;智能換電系統;RFID技術

中圖分類號：TN929.5? ? ? ?文獻標識碼：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展，世界能源危機日益凸顯，當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與環境污染等現實問題[1]，但電動汽車能源結構為電能，當車載電池電量耗盡時，就需要更換電池或進行車輛充電，無論是換電還是充電，國內技術并不成熟，尤其在能源的補給、換電站建設、智能換電管理以及標準化數據庫建設等方面，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務、運用服務模式還不成型，未達到標準化、規?；c普及化要求。但發達國家，一些國家和地區的新能源電動車充/換電站業務已經成熟，并達到先進水平，從實際來看，國外電動汽車換電站與國內基本類似，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前的新能源電動汽車發現現狀與需求，進而產生了“線上、線下”兩種智能換電服務模式[5]。

1? 基于物聯網的新能源電動汽車智能換電服務模式分析

1.1? 線上預約服務/線下直接服務

智能換電站可為用戶提供在線預約服務，主要由省運營管理中心統一調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取車載終端數據庫，即可智能獲取各換電站內換電資源數量、車輛數量、換電服務情況等，并向某一站點發起預約服務。平臺接到用戶預約申請后，由省運營管理中心將用戶請求發送給指定站點服務平臺，通過自動受理及資源調度，為用戶提供個性化、智能換電服務。當用戶進入站點后，由物聯網射頻識別系統識別用戶身份，并引導用戶在站點完成換電工作[6]。

1.2? 智能化信息管理

換電站在引導用戶完成線上、線下換電工作的同時，還需負責站內車輛、電池等資源信息的數據化抽象任務，由此依托站點服務平臺建立資源狀態數據庫。站點在實際運營工作過程中，實際上依賴人工和站點自助服務終端自動完成相關服務，比如在線智能監測車輛換電狀態，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，實現站內資源調度、監測、數據統計分析等[7]。

2? 基于物聯網的新能源電動汽車智能換電系統多維屬性數據庫建構

2.1? 充/換電資源屬性數據化抽象

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（占用/空閑/故障）;（2）用戶預約狀態，排隊狀況，累計使用時間、次數等;（3）車位內車輛入站信息：車輛身份與電池狀態信息;預計換電時間;已占用車位時間，是否正在換電或充電。

系統在資源調度時，需要對上述幾類資源信息進行數字化處理，通過數據信息編碼，可將車輛充/換電資源屬性轉換為一串具有個體化特征且具有唯一標簽屬性的“屬性碼”，方便信息追溯及換電站更新、維護。

2.2? 站點內電池資源屬性數據化抽象

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

系統通過數字化轉換處理站點內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識的數字編碼[8]，并由系統對每個個體唯一屬性碼進行資源屬性數據化抽象，換電系統車輛、電池資源屬性數據對應編碼如表1所示。

3? 基于物聯網的新能源電動汽車智能換電系統設計與實現

3.1? 總體架構設計

基于多維屬性數據庫的物聯網智能調度系統方案主要由感知層、網絡層、數據層和服務層四層組成，系統總體架構圖示如圖1所示。

3.2? 實現技術及過程

3.2.1? 感知層：自動識別進站車輛身份及電池信息

感知層分別由充/放電設施、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，主要負責實時采集各站點內服務資源與車輛資源數據信息。因智能換電系統需自動識別入站車輛身份及電池信息，所以本系統采用非接觸式的RFID物聯網技術代替有線數據傳輸，通過將高頻RFID傳感器標簽貼在新能源車輛及電池中，并將其錄入系統數據庫，當車輛入站時，系統就會自動獲取、識別車輛及電池信息，由RFID閱讀器負責采集各站點車輛空間位置、時間以及身份、狀態信息等。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、電量和車輛狀態等資源信息[9]。

3.2.2? 網絡層：站內數據信息交換、傳輸與連接

如圖2所示。網絡層為三層拓撲結構，它主要負責交換站點內數據信息，實時在線傳輸省運營中心與各站點之間的數據，同時負責通過網絡連接省運營中心、客戶與各站點。

3.2.3? 數據層：管理和運算各類編碼數據

整個系統的核心層為數據層，它又分為資源調度與數據管理兩個子模塊。作為控制中心，數據層主要功能是負責運算和管理各類編碼數據信息，并向其他各層發送執行指令。在工作過程中，數據管理模塊首先需要獲取感知層離散數據，經過處理，將其轉換為統一的序列碼，同時負責對資源屬性數據庫進行管理，一旦發現序列碼異常，立即發出指令處理。

資源調度模塊主要功能是負責對站內資源進行調度，同時對用戶在線申請的服務指令進行解析。此模塊根據數據處理算法，獲取用戶在線提交的服務序列碼，并實時獲取最優資源碼，同時將相應的資源操作指令發送給服務層。

3.2.4? 服務層：給用戶提供線上服務

智能充放電站主要為用戶提供線上、線下兩種服務模式，線上包括：提前預約與撤銷智能換電服務;線下包括：為新能源電動汽車智能換電、充電以及倉儲電池、中轉服務等。其中，線上服務主要由客戶借助省運營中心，通過車載終端來實現與完成，省運營中心需統一對外在線公布各智能站點服務信息，用戶只需線上申請，由省運營中心負責將相關信息提交給各智能服務站點，站點受理后，調整資源，并向省運營中心回復客戶受理信息，最后由省運營中心向用戶在線反饋受理信息[10]。

線下智能充放電服務一般需在站點內完成。當電動汽車進站后，由RFID閱讀器自動識別并獲取入口處車輛、電池上的RFID標簽信息，由數據層對車輛狀況進行智能判斷[11]。若車輛提前已在線預約充/換電服務，站點內智能引導終端會根據用戶預約資源信息，對車輛實施智能引導;若車輛為非預約狀態，智能系統數據層會現場調度和獲取車輛、電池的標簽信息，并對其予以智能引導。如果車輛屬于非法未安裝RFID標簽的傳統能源車輛，系統會顯示RFID標簽信息讀取失敗的口令，并現場處罰警報。

如圖3所示。在站點運營中，智能換電服務系統會對站點內所有服務終端設備及數據層發出的各類實時指令進行處理分析，實現站內提示、服務引導、異常報警等功能，用戶可根據系統提示，自主完成車輛智能充/換電服務。

3.3? 系統測試與仿真

本研究假設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，然后進行系統運行測試與仿真，相關情景參數設定如表2所示。

在電動汽車智能換電管理仿真時，本研究結合物聯網智能電調度控制系統，基于Simulink軟件搭建系統運行測試仿真試驗平臺，針對電動汽車換電過程進行智能管理仿真分析，采用模糊邏輯控制器根據物聯網架構下的電動汽車智能電控制系統電網節點電壓、可用能量信息等進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輸出的實時功率信號，對智能換電站的功率流進行有效管理和控制。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荷較重，因此將配電網節點電壓設置0.93 pu，基于電動汽車實時荷電狀態、智能換電站電池容量等級及電動汽車車輛數量等參數，準確計算換電站能量，基于模糊邏輯控制器對電動汽車整個換電策略進行仿真控制，得到每輛電動汽車換電時智能電站釋放的節點功率。經仿真分析，得出智能電站換電系統總放電功率變化趨勢。

通過測試，結果表明，當智能電站換電所需總能量相同時，高峰期智能換電站V2G系統電網負荷越大，此時，應通過模糊邏輯控制，基于物聯網智能調度系統，對電動汽車換電功率進行限制，以免“峰上加峰”。

經仿真分析，本研究模擬結果說明，當智能換電系統中的電網負荷運行條件相同時，物聯網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安全、穩定運行前提下，通過物聯網模糊邏輯控制電動汽車換電過程，可實現“削峰填谷”，并實現了電動汽車智能換電系統安全、可靠和穩定、持續、經濟、環保運行，充分滿足了廣大智能電站電動汽車用戶大規模換電需求，實現基于物聯網智能放電調控管理。

4? 結? 論

新能源電動汽車智能換電一般包括充電服務、電池更換服務、換電服務等內容，這些不同服務內容在換電站運營中具有“實時性”“動態性”特征，從物聯網角度來看，這些不同的服務內容和過程都是基于不同服務資源的空間和時間集合。因此，建構統一、集成的智能換電服務資源數據庫，有助于提高站點資源調度效率，改善服務效果。

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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、物聯網工程。