電動汽車充換電智能服務(wù)框架研究

1、2011年第12期,第44卷 通 信 技 術(shù) Vol.44,No.12,2011 總第240期 Communications Technology No.240,Totally ·應(yīng) 用·電動汽車充換電智能服務(wù)框架研究陳典全(廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司,福建 廈門 361008【摘 要】電動汽車充換電服務(wù)是中國電動汽車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ),485總線、CAN總線、以太網(wǎng)、公眾無線通信(GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000等各種通信技術(shù)的融合是實現(xiàn)充換電智能服務(wù)的核心技術(shù)。分析了國內(nèi)外電動汽車充換電智能服務(wù)技術(shù)現(xiàn)狀,提出了一種以各類通信技術(shù)融合為核

2、心的電動汽車充換電智能服務(wù)框架模型,描述了該服務(wù)體系能夠為電動汽車用戶提供的具體服務(wù),并對該技術(shù)將來的發(fā)展進行了展望。【關(guān)鍵詞】電動汽車;充電;換電;智能服務(wù);汽車接入電網(wǎng)【中圖分類號】TN 919.7【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1002-0802(201112-0131-03Study on Intelligent Service Frame for Electric VehicleCharging and Battery ChangingCHEN Dian-quan(Xiamen Yaxon Network Corp. Ltd., Xiamen Fujian 361008, China【

3、Abstract】Electric vehicle charging and battery changing service is the basis for large-scale development of electric vehicle industry in China. The convergence of various communication technologies(485 bus, CAN bus, LAN, public wireless communication, etc. is the core technology for implementing int

4、elligent charging and battery changing service. This paper analyzes the development status of electric vehicle charging and battery changing, proposes a service model based on convergence of various communication technologies, describes specific services for the users electronic vehicle, and forecas

5、ts the development prospect of this technology.【Key words】electric vehicle; charging; battery changing; intelligent service; V2G0 引言近幾年,國家相關(guān)部門大力推動和扶持電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展,各整車廠家、電池等配套廠家、國家電網(wǎng)等相關(guān)企業(yè)也投入巨資研究開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施,電動汽車產(chǎn)業(yè)進入了快速發(fā)展時期。但是,在于電動汽車產(chǎn)業(yè)整車發(fā)展配套的充換電服務(wù)領(lǐng)域,無論是國家電網(wǎng)等央企,還是各地方政府,目前大部分投資仍在充換電站、充電樁等基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè),充換電智能服務(wù)的整體性研

6、究還比較欠缺。電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比,在加油和充換電方面有以下差別:與傳統(tǒng)汽車加油站相比,電動車充換電基礎(chǔ)設(shè)施資源還十分缺乏且分布不均衡。中國加油站數(shù)量已近10萬家,但目前已建成的充電站數(shù)量還十分稀少,國家電網(wǎng)2015年規(guī)劃全國也只有1700座充電站;充換電過程與加油過程相比所需要的時間長很多。加油過程一般在10分鐘以內(nèi)完成,而慢充34小時恢復(fù)90%電量,快充技術(shù)還不成熟,換電目前還存在型號規(guī)格不標(biāo)準(zhǔn),新舊電池容量差別大等問題;電動車的續(xù)駛里程比傳統(tǒng)汽車更短。燃油汽車一般續(xù)駛里程達到500 km以上,而目前電動車續(xù)駛里程在200300 km。如果不能配套甚至提前研究充換電智能服務(wù)技術(shù),電動車的

7、使用過程中將經(jīng)常出現(xiàn)需要充電找不到充電站等情況,使用起來十分不便,難以在社會車輛推廣,嚴重影響電動車的產(chǎn)業(yè)化進程。所以,盡快研究電動汽車充換電服務(wù)相關(guān)技術(shù),建立相應(yīng)的服務(wù)體系具有充分的必要性和迫切性。1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀國際電工委員會(IEC、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO等就電動收稿日期:2011-11-01。作者簡介:陳典全(1966-,男,碩士,主要研究方向為衛(wèi)星定位和無線通信應(yīng)用技術(shù)。131汽車充電系統(tǒng)與車輛設(shè)施連接、車載電池標(biāo)準(zhǔn)化進行了討論,制定了電氣接口、通信接口等初步的標(biāo)準(zhǔn),但尚未正式發(fā)布。美國、日本、英國、法國、以色列等國家都對電動汽車充換電基礎(chǔ)設(shè)施進行了研究,并且陸續(xù)開始建設(shè)充換電基礎(chǔ)

8、設(shè)施,但基本上以充電樁為主。在電動汽車接入電網(wǎng)(V2G,Vehicle to Grid方面,美國特立華大學(xué)、德國西門子公司、丹麥Dong公司等機構(gòu)都進行了相關(guān)研究并進行了試驗,取得了一定成果。國內(nèi)對電動汽車充換電技術(shù)和服務(wù)也有一些具體研究,主要集中在大學(xué)、研究機構(gòu)、整車和配套廠等,各地方政府也紛紛投資建設(shè)充換電基礎(chǔ)設(shè)施。其中最具代表性的是國家電網(wǎng)公司。國家電網(wǎng)與各級政府、國內(nèi)外電動汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)建立了常態(tài)溝通協(xié)調(diào)機制。已經(jīng)發(fā)布國家電網(wǎng)公司能源供給運營模式研究報告、國家電網(wǎng)公司"十二五"電動汽車充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃,促進電動汽車發(fā)展。今年,國家電網(wǎng)將電動汽車充換電站的基本商

9、業(yè)模式確定為:換電為主、插電為輔、集中充電、統(tǒng)一配送。這項工作近期開始在全國鋪開。國家電網(wǎng)所屬的電力科學(xué)研究院也對電動汽車充換電相關(guān)技術(shù)進行了研究,如充電設(shè)施的技術(shù)設(shè)計和建設(shè)1、電動汽車與智能電網(wǎng)的關(guān)系、大規(guī)模儲能技術(shù)等。2 電動汽車充換電智能服務(wù)模型電動汽車充換電智能服務(wù)模型可以為電動汽車充換電服務(wù)設(shè)施建設(shè)地點和規(guī)模規(guī)劃、電動汽車動態(tài)儲能體系建設(shè)等提供參考。服務(wù)模型建立的思路是以電動汽車快速發(fā)展所需要的充換電服務(wù)具體需求為導(dǎo)向,融合車內(nèi)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、通信網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng),讓它們形成智能互動,為電動汽車用戶以及電動汽車充換電服務(wù)企業(yè)提供方便、智能、及時、準(zhǔn)確、高效的充換電服務(wù)。圖1是電動汽車充換電智

10、能服務(wù)系統(tǒng)基本原理示意圖。其中主要包括電動汽車智能充換電服務(wù)、增值服務(wù)、充換電小額支付服務(wù)等子系統(tǒng)。電動汽車智能充換電服務(wù)通過電動汽車與智能電網(wǎng)的互動實現(xiàn)智能充換電、動態(tài)儲能、實時支付等。增值信息服務(wù)子系統(tǒng)提供基于位置的各種增值服務(wù),包括自主/網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航、遠程故障診斷、被盜追蹤、4S店救援求助、周邊查詢、資訊、電動汽車問答等,同時提供可能的其它增值服務(wù)擴展手段。小額支付服務(wù)通過RFID實現(xiàn)充換電付費,能夠通過遠程無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)結(jié)算和充值。實現(xiàn)電動汽車充換電智能服務(wù)的核心設(shè)備是智能服務(wù)終端,該終端通過CAN總線與電池管理系統(tǒng)等車內(nèi)電子控制單元連接,同時通過CAN總線與智能充放電設(shè)備連接,通過多種無線

11、通信手段與后臺服務(wù)平臺連接,從而實現(xiàn)對車內(nèi)各車況數(shù)據(jù)、智能電網(wǎng)充換電信息的實時采集,這些信息上報匯總到服務(wù)平臺,經(jīng)過處理后反饋到智能服務(wù)終端,向電動汽車車主提供各種智能服務(wù)。同時,后臺服務(wù)平臺根據(jù)大量電動汽車采集的數(shù)據(jù),經(jīng)過處理后能向車主和政府相關(guān)部門提供方案建議,如最佳充換電時間和地點方案、疏堵式導(dǎo)航、電動汽車實時動態(tài)分布、充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)地點和規(guī)模等。 圖1 電動汽車充換電智能服務(wù)基本原理 圖2是電動汽車充換電智能服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖,由3部分組成:智能電網(wǎng)充換電設(shè)備2、電動汽車充換電智能服務(wù)設(shè)備和后臺服務(wù)平臺。其中智能電網(wǎng)充放電設(shè)備主要由智能電表、雙向智能充放電裝置、用戶終端和后臺管理系統(tǒng)組

12、成。智能電表:實現(xiàn)雙向計量、本地信息存儲,通過CAN 總線與雙向智能充電裝置通信實現(xiàn)計量和控制,并將電量信息顯示在用戶終端上。雙向智能充放電裝置:實現(xiàn)車輛和電網(wǎng)之間的雙向能量裝置,可工作在充電模式和V2G模式。用戶終端(人際交互:是電動汽車用戶與電網(wǎng)交流的界面,用戶從中獲取用電量和電費信息。后臺管理系統(tǒng)包括充放電策略控制子系統(tǒng)和能量管理子系統(tǒng)。電動汽車智能充換電服務(wù)設(shè)備主要指車內(nèi)與充換電和其它服務(wù)相關(guān)的設(shè)備,主要設(shè)備包括電池管理系統(tǒng)和智能服務(wù)終端。電池管理系統(tǒng):用于車輛電池數(shù)據(jù)的采集與傳輸、電池運行狀態(tài)的監(jiān)控,并以CAN總線與智能服務(wù)終端、雙向智能充放電裝置通信,進而向后臺管理系統(tǒng)傳送車輛的電

13、池狀態(tài)信息;實現(xiàn)電池運行狀態(tài)的實時監(jiān)控;電壓、電流、溫度、SOC等數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸;電池故障診斷、告警和安全保護;故障自檢和診斷;充放電均衡等功能。智能服務(wù)終端:是電動汽車充換電智能服務(wù)的核心設(shè)備。一方面,該終端通過CAN總線與電池管理系統(tǒng)和電網(wǎng)的智能充換電設(shè)備通信,采集與充換電相關(guān)的信息;另一方面,通過與電動汽車各電動控制單元通信,采集各種車況數(shù)據(jù);同時,終端還通過衛(wèi)星定位采集位置/速度等多種信息3。這些綜合信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)中心4,經(jīng)過處理后形成相應(yīng)的服務(wù)方案反饋到智能服務(wù)終端,形成對用戶的最終服務(wù)。132 133后臺管理系統(tǒng)本地管理機車內(nèi)其它電子控制系統(tǒng)設(shè)備智能服務(wù)終端充

14、換電服務(wù)平臺增值服務(wù)平 臺小額支付服務(wù)平臺智能電表低壓控制器雙向智能充放電裝置用戶終端電池管理系統(tǒng)動力線信號線總線以太網(wǎng)CAN 總線無線通信(GPRS 、CDMA.圖2 電動汽車充換電智能服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)后臺服務(wù)平臺對智能服務(wù)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理,形成各種服務(wù)方案和建議,主要包括以下幾類:充換電服務(wù)平臺:提供與充換電相關(guān)的服務(wù),步驟如下: 根據(jù)電動汽車當(dāng)前位置、速度、電量、耗電率等信息向電動汽車駕駛員提供動態(tài)、智能的充換電規(guī)劃,指導(dǎo)駕駛員在合適的時間到合適的充放電站/樁進行充換電;向用戶提供當(dāng)前剩余電量所能行駛的里程提醒; 對道路行駛中意外電量耗完的車輛進行救援充電或換電;根據(jù)用戶要求進行電池配

15、送;電動汽車用戶遠程控制充放電模式、開始或結(jié)束充放電、查看當(dāng)前電量等;統(tǒng)計電動汽車動態(tài)位置分布以及能量分布,向相關(guān)機構(gòu)提供儲能信息并引導(dǎo)駕駛員進行低估充電、高峰放電;根據(jù)電動汽車按時間段的位置分布和能量分布信息,提出充換電基礎(chǔ)設(shè)置建設(shè)布點和規(guī)模方案。增值服務(wù)平臺:提供與電動汽車駕駛、救援、保養(yǎng)等相關(guān)的服務(wù),包括遠程故障診斷、自主/網(wǎng)絡(luò)雙模導(dǎo)航5、被盜追蹤、4S 店救援服務(wù)等。同時提供電動汽車駕駛員感興趣的其它各類增值服務(wù),包括資訊服務(wù)、生活服務(wù)、電動汽車問答等服務(wù)。該平臺是一個開放平臺,允許其它內(nèi)容提供商接入提供服務(wù),如天氣、航班信息、股票信息等。小額支付服務(wù)平臺:提供RFID 小額支付卡的充

16、值、余額查詢、實時支付等服務(wù)。3 需要研究的關(guān)鍵技術(shù)要實現(xiàn)電動汽車充換電智能服務(wù),需要攻克相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)充換電智能服務(wù)相關(guān)設(shè)備和后臺服務(wù)平臺軟件。主要研究內(nèi)容包括:電動汽車車內(nèi)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、通信網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)多網(wǎng)融合技術(shù)體系及融合模型研究。包括多網(wǎng)融合的技術(shù)體系、主要技術(shù)手段、融合模型、關(guān)鍵技術(shù)點的研究;電動汽車智能充換電方案動態(tài)規(guī)劃模型技術(shù)研究。依據(jù)充換電基礎(chǔ)設(shè)施分布數(shù)據(jù)以及電動汽車當(dāng)前位置、現(xiàn)有電量、規(guī)劃路經(jīng)、行駛速度/方向、耗電率等要素向駕駛者提供動態(tài)充換電方案,進行剩余里程提醒和充換電站/樁導(dǎo)引;電動汽車充換電服務(wù)企業(yè)服務(wù)模式、服務(wù)平臺構(gòu)建、技術(shù)實現(xiàn)方法研究。如電池配送、道路救援充電等

17、;電動汽車動態(tài)位置分布模型研究。研究電動汽車按時段位置分布規(guī)律,為電動汽車充換電服務(wù)設(shè)施建設(shè)布點提供依據(jù);電動汽車增值信息服務(wù)研究。包括信息與電動汽車問答、資訊服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)、生活服務(wù)等;研究開發(fā)安裝于電動汽車內(nèi)的電動汽車充換電智能服務(wù)終端(IST 和部署于電動汽車充換電服務(wù)企業(yè)的充換電服務(wù)軟件平臺;電動汽車接入智能電網(wǎng)技術(shù)服務(wù)研究。研究如何向電動汽車用戶提供智能、經(jīng)濟的充換電方案,以及如何構(gòu)建整體性電動汽車儲能機制。包括充放電策略研究,可用容量與可用時間預(yù)測等;電動汽車充換電小額支付技術(shù)研究。通過RFID 技術(shù)、智能充換電控制技術(shù)、無線通信技術(shù)和信息加密技術(shù)配合實現(xiàn)充換電金額實時小額支付。4

18、 結(jié)語隨著政府和整車廠對電動汽車產(chǎn)業(yè)的大力投入,“十二五”將成為中國電動汽車快速發(fā)展的時期,與整車研發(fā)和生產(chǎn)相配套的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施建設(shè)具有相當(dāng)?shù)闹匾院推惹行?。只有具備方便的充換電基礎(chǔ)服務(wù)體系,電動汽車才能走出公交、出租等行業(yè)試點,真正進入尋常百姓家?？紤]到電動汽車的特殊性和新穎性,需要高起點研究智能化的充換電服務(wù)體系和設(shè)施,使中國的電動汽車服務(wù)行業(yè)立足于國際先進水平。中國的通信、衛(wèi)星定位、RFID 等方面有擁有較高的技術(shù)水平和眾多成熟的應(yīng)用,中國堅強智能電網(wǎng)今年也將進入全面建設(shè)階段,建成電動汽車充換電智能服務(wù)體系的基礎(chǔ)已經(jīng)具備。(下轉(zhuǎn)第136頁37 31 30 37 31 30服務(wù)器密碼 71

19、071000 03 數(shù)據(jù)長度為3個字符41 42 43數(shù)據(jù)為ABC以網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ),采用UDP數(shù)據(jù)報傳輸協(xié)議方式,制定的虛擬IP協(xié)議,在滿足遠程抄表系統(tǒng)通信的可靠性和準(zhǔn)確性的要求上,大大簡化了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,只保留了HTTP協(xié)議、TCP協(xié)議、IP協(xié)議、Ping協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議、ARP協(xié)議等幾個主要的子協(xié)議5。這樣對實時性要求不太高、數(shù)據(jù)量比較小、沒有特殊需求的遠程抄表系統(tǒng)已經(jīng)足夠了。2.2 VC+編寫虛擬IP軟件現(xiàn)采用VC+語言編寫ActiveX控件來實現(xiàn)虛擬IP協(xié)議的通信。(1創(chuàng)建一個Vip控件。(2利用GetProperty函數(shù)返回控件屬性,利用SetProper

20、ty 函數(shù)設(shè)置控件屬性,主要程序如下:CString CVip:GetServerIP( CString result;GetProperty(0x1, VT_BSTR, (void*&result;return result; void CVip:SetServerIP(LPCTSTR propVal SetProperty(0x1, VT_BSTR, propVal;還要獲得和設(shè)置目標(biāo)計算機虛擬IP、本地計算機虛擬IP、服務(wù)器端口和密碼等屬性值。其中,SetProperty和GetProperty 的第一個參數(shù)是控件的屬性序號,第二個參數(shù)是控件屬性的數(shù)據(jù)類型,第三個變量是與控件相關(guān)

21、聯(lián)的數(shù)據(jù)變量6-7。2.3 通信終端EM310模塊軟件設(shè)置與通信的實現(xiàn)首先要正確設(shè)置Vip控件和終端EM310模塊參數(shù),有服務(wù)器IP、服務(wù)器端口號、目標(biāo)虛擬IP、源虛擬IP和服務(wù)器密碼等。集中器向主站通信:集中器中單片機通過串口向EM310模塊寫AT指令,模塊通過AT指令連接GPRS網(wǎng)絡(luò),向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和目標(biāo)虛擬IP,服務(wù)器根據(jù)目標(biāo)虛擬IP 連接到主站計算機,主站計算機接收數(shù)據(jù),完成通信終端到主站的通信。主站向集中器通信:主站通過網(wǎng)絡(luò)將目標(biāo)虛擬IP和指令發(fā)送到服務(wù)器,服務(wù)器根據(jù)目標(biāo)虛擬IP通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給指定的通信終端,終端通過串口將指令發(fā)送給單片機,單片機識別指令,執(zhí)行指令,

22、依此循環(huán)完成抄表工作。例如將ABC三個字符從源虛擬IP為,服務(wù)器IP為97,發(fā)送到目標(biāo)虛擬IP為的AT指令為:初始化連接GPRS網(wǎng)絡(luò):AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"激活I(lǐng)P地址:AT%ETCPIP;服務(wù)器的協(xié)議類型、IP和端口號:AT%IPOPEN="UDP","221.231. 140.197",7002;發(fā)送數(shù)據(jù):AT%IPSEND="0A0147010A01470037313037313000034 14243"關(guān)閉鏈接:AT%IPCLOSE。以上是用AT指令通過GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的操作,當(dāng)然還有數(shù)據(jù)讀取、刪除數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、設(shè)置延遲發(fā)送時間等AT指令,具體要參考模塊用戶手冊,這里就不再贅述了。3 結(jié)語將GPRS網(wǎng)絡(luò)和IP技術(shù)運用于遠程抄表系統(tǒng),形成了基于虛擬IP的GPRS遠程抄表系統(tǒng),該系統(tǒng)不受地域限制、成本低、主站不受固定IP地址制約,充分體現(xiàn)了遠程無線抄表的優(yōu)勢。經(jīng)實驗驗證,系統(tǒng)可行性強、可靠性高,不僅可以推進抄表工作的全自動化進程而且還能夠為監(jiān)管部門實現(xiàn)對客戶端耗能量的實時動態(tài)管理、分析和控制,提高能量計量管理水平。隨著智能控制家用四表的發(fā)展,該遠程抄表系統(tǒng)將有更廣闊的應(yīng)用前景