周瑾,楊冠群,唐國(guó)春

(上海第二工業(yè)大學(xué)1.電子與電氣工程學(xué)院;2.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,上海201209)

移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電的服務(wù)理念及其實(shí)施

周瑾1,楊冠群1,唐國(guó)春2

(上海第二工業(yè)大學(xué)1.電子與電氣工程學(xué)院;2.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,上海201209)

電動(dòng)汽車未來(lái)大規(guī)模發(fā)展需要眾多公共充電設(shè)施的支持,但是出于地面場(chǎng)地的限制,以及大規(guī)模充電對(duì)配電網(wǎng)可能帶來(lái)的沖擊,極大地限制了固定式充電設(shè)施的布設(shè)。為了克服這些困難,提出一種全新的設(shè)想方案,即建立移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng),并分析了這一系統(tǒng)相對(duì)于固定式充電設(shè)施的優(yōu)勢(shì),以及它從技術(shù)角度的可行性。

移動(dòng)式充換電系統(tǒng);電動(dòng)汽車;物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

電動(dòng)汽車因其驅(qū)動(dòng)能源與燃油汽車不同而帶來(lái)一系列的優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在減少?gòu)U氣污染和噪聲危害、能源轉(zhuǎn)化率高、可以改善城市供電網(wǎng)的負(fù)荷均衡性、車輛驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等5個(gè)方面。在當(dāng)前能源緊張和環(huán)境污染的雙重壓力下,世界各國(guó)無(wú)一不在推進(jìn)電動(dòng)汽車的普及和推廣,但是由于目前電動(dòng)汽車的蓄能元件性能有限,充電一次所能行駛的里程還無(wú)法與燃油汽車相媲美,即使類似為燃油汽車服務(wù)的固定加油站那樣為電動(dòng)汽車提供足夠多的固定充電樁,還是無(wú)法提高人們購(gòu)買電動(dòng)汽車的意愿。電動(dòng)汽車要得到大規(guī)模的發(fā)展需要眾多公共充電設(shè)施的支持[1-2]。另一方面,國(guó)外的大量研究表明,電動(dòng)汽車如果都集中在車主下班回家后立即充電,也會(huì)影響局部電網(wǎng)的安全運(yùn)行和電能質(zhì)量[3-4]。

為了解決推廣電動(dòng)汽車和充電之間的矛盾,依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)在信息獲取和傳輸方面的成果,本文提出雙向柔性配合的移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電服務(wù)理念及其實(shí)施方案。

1 移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電的服務(wù)理念

目前電動(dòng)汽車的常見(jiàn)充電設(shè)施有3種:充電樁、充電站和換電站[5-6]。充電樁提供的充電過(guò)程緩慢,適合于需求量較低、用戶用車習(xí)慣比較規(guī)律的情形。充電站可提供慢速充電和快速充電兩種方式,但是由于充電速度還是比加油速度慢,而且設(shè)備要求高,充電站的建設(shè)成本巨大。換電站將電動(dòng)汽車耗盡的電池組直接更換為充電站內(nèi)已經(jīng)充電的電池組。整個(gè)更換電池的過(guò)程可在數(shù)分鐘內(nèi)完成,而更換下來(lái)的電池待電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一充電,但是這要求車用動(dòng)力電池充電技術(shù)、電池規(guī)格、接口標(biāo)準(zhǔn)必須完全一致。理想的電動(dòng)汽車充電設(shè)施當(dāng)然是幾種充電方式都可以提供,但是限于建設(shè)成本,建立眾多的多模固定式充換電站顯然并不可行。

本文提出一種新思路——建立基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電服務(wù),即在那些無(wú)法設(shè)置固定式充電設(shè)施或者所設(shè)固定式充電設(shè)施數(shù)量不足的城市區(qū)域,配置一定數(shù)目的可移動(dòng)充電設(shè)施,使之在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下為在相應(yīng)區(qū)域行駛的電動(dòng)汽車提供方便的充電、換電池服務(wù)。為實(shí)現(xiàn)這一目的,可在電動(dòng)汽車上安裝電池電量傳感器,通過(guò)通信裝置連接到充電公司的監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)。監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)借助于物聯(lián)網(wǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)用戶需求,可以比較靈活地選擇充換電服務(wù)的約定地點(diǎn)、時(shí)間,調(diào)動(dòng)移動(dòng)充電設(shè)施車輛前往提供主動(dòng)的充電、換電池服務(wù)。這里所說(shuō)的移動(dòng)充電設(shè)施車輛提供的充電模式可以有整車快速充電、整車慢速充電和更換電池3種,其中更換電池模式需要解決電池產(chǎn)權(quán)、流通、標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題,所以開(kāi)始時(shí)可能只限于使用專用電池的電動(dòng)公交汽車。

這種新穎的移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電服務(wù)發(fā)揮作用的兩種應(yīng)用場(chǎng)景如下:

(1)當(dāng)監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某電動(dòng)汽車的電池電量已經(jīng)到達(dá)下限,可以及時(shí)、主動(dòng)地向該電動(dòng)汽車發(fā)送提供移動(dòng)式充換電服務(wù)的可選項(xiàng)信息,在得到車主的認(rèn)可反饋后,經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)獲得確定的充電地點(diǎn)以及時(shí)間,再調(diào)動(dòng)移動(dòng)充電設(shè)施車輛前往提供服務(wù)。

(2)當(dāng)有大型公眾聚會(huì)時(shí),例如演唱會(huì)、體育比賽等,附近的固定式充電設(shè)施容量不足以滿足突發(fā)的用戶需求時(shí),通過(guò)監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)派發(fā)移動(dòng)充電設(shè)施車輛前往是一項(xiàng)不錯(cuò)的應(yīng)急措施,也可以避免車輛的擁堵。

2 與固定式充電設(shè)施相比較所具有的優(yōu)勢(shì)

固定式充電設(shè)施的設(shè)置必須滿足3個(gè)條件:地面要有足夠的安裝和停車空間、要能滿足電網(wǎng)的配給容量、要能滿足充電所要求的消防和安全規(guī)范。然而,由于城市街道和社區(qū)的現(xiàn)有格局一般已很成熟,加之電動(dòng)汽車潛在購(gòu)買者的居住地和出行路線都具有相當(dāng)高的隨機(jī)性,所以很難在現(xiàn)有城市格局中設(shè)計(jì)出令人滿意的固定式充電設(shè)施安置地點(diǎn)。

移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電服務(wù)與現(xiàn)有的固定式充電設(shè)施相比具有下述優(yōu)點(diǎn)。

(1)設(shè)施不占場(chǎng)地,變固定式為移動(dòng)式。移動(dòng)式充電設(shè)施可根據(jù)充電對(duì)象電動(dòng)汽車的坐標(biāo)和動(dòng)向靈活選取充換電的?？康攸c(diǎn)和時(shí)間,徹底解決固定式充電設(shè)施在需求密度高的地區(qū)難以覓得合適安裝場(chǎng)地的困窘。

(2)主動(dòng)提供服務(wù)。移動(dòng)式充換電系統(tǒng)可根據(jù)充電服務(wù)雙方的狀態(tài)和道路狀況決定何時(shí)何地為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù),改變以往類似加油站式的守株待兔的被動(dòng)局面。這樣可從整體上提高充電設(shè)施的利用率,節(jié)約相應(yīng)的總能源和總時(shí)間。同時(shí),用戶駕駛電動(dòng)汽車上路,不再有電池容量不足的顧慮,可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的行駛,達(dá)到能與燃油汽車相媲美的便利性。此外,在物聯(lián)網(wǎng)的支持下,主動(dòng)向用戶提供服務(wù),可以避免因?qū)ＷⅠ{駛而疏忽電池電量耗盡、用戶被迫停車、影響交通的情況發(fā)生。

(3)服務(wù)方式靈活,方便用戶。電動(dòng)汽車在發(fā)出充電要求時(shí)仍是可行駛的,所以可以通過(guò)與監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)得到用戶適宜的充電地點(diǎn)以及時(shí)間。具體停車位置可以既適合雙方車輛?？?又可以減少用戶等待的時(shí)間。另外,移動(dòng)式充電模式也不唯一,可以快充、慢充或換電池,用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要選擇其中之一。相比慢充,快充雖然可以滿足消費(fèi)者應(yīng)急充電的需要,但是對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的壽命有很大的負(fù)面影響,而且需要功率大、配置高的充電設(shè)備。換電池模式速度快,有助于延緩電動(dòng)汽車動(dòng)力電池壽命,是更有希望得到推廣的一種模式。

(4)避免沖擊配電網(wǎng)。電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)分布具有隨機(jī)性,采用移動(dòng)式充換電方式有助于充電行為在時(shí)間上的交錯(cuò)進(jìn)行。即使當(dāng)大量的電動(dòng)汽車被廣泛應(yīng)用之后,配電網(wǎng)的運(yùn)行仍可以保持安全和有效。

(5)突破地域限制,變城際為城內(nèi)。當(dāng)移動(dòng)式充電系統(tǒng)得到推廣并在相鄰城市鋪開(kāi)投入運(yùn)營(yíng)后,可在城際間的高速公路服務(wù)站設(shè)置中繼服務(wù)點(diǎn),從而給電動(dòng)汽車的長(zhǎng)途行駛提供了足夠的保障。

3 技術(shù)可行性

為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電服務(wù),需要完成3個(gè)子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā):電動(dòng)汽車的車載裝置、監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)和移動(dòng)充電設(shè)施車輛。移動(dòng)充電設(shè)施車輛需要集成固定式充電站中的充電機(jī)、諧波處理裝置、安全配套設(shè)施、與配電網(wǎng)的入網(wǎng)接口,以及固定式換電站中的電池管理、電池拆卸安裝機(jī)構(gòu)、安全配套設(shè)施等種種功能部件,并且縮小規(guī)模。電動(dòng)汽車的車載裝置和車聯(lián)網(wǎng)中的車載裝置有相似之處,并且本身就有電池電量傳感器,技術(shù)難度相對(duì)較小。監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)的核心,承擔(dān)信息的收集、分析、計(jì)算、反饋等功能。以上這些子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),在物聯(lián)網(wǎng)的支持下均可實(shí)現(xiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IOT),即“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后,世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮,能夠?qū)崿F(xiàn)人與物、物與物之間的信息交互,便于實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和智能化地信息管理,是建設(shè)智能交通、數(shù)字城市的重要組成部分[7-8],尤其適合移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)作。

物聯(lián)網(wǎng)通常劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三大層次。在移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)中,感知層將通過(guò)射頻識(shí)別標(biāo)簽和傳感器等感知元件實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)車和移動(dòng)充電設(shè)施車輛相關(guān)信息的采集、捕獲和識(shí)別功能;網(wǎng)絡(luò)層則依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng),以及行業(yè)專業(yè)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)以上信息的傳輸和交換;應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的充換電服務(wù)信息管理。在此基礎(chǔ)上,可以得到移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)施模型(如圖1所示),包括監(jiān)控/調(diào)度平臺(tái)系統(tǒng)、計(jì)算層、數(shù)據(jù)層、傳輸層和感知層。分布在電動(dòng)汽車的車載裝置和移動(dòng)充電設(shè)施車輛中的射頻識(shí)別(Radio Frequency Identifcation,RFID)、傳感器、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)等裝備識(shí)別了信息后,通過(guò)傳輸層網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到上層;經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理,計(jì)算層再對(duì)傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在此模型中,數(shù)據(jù)分析與智能處理技術(shù)將是整個(gè)模型中的核心技術(shù)和最有難度的部分,這包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)技術(shù)實(shí)施模型Fig.1 The Implementation model of IOT based mobile battery charging/swapping system for electric vehicles

以目前的技術(shù)發(fā)展程度來(lái)看,這個(gè)模型是可以實(shí)現(xiàn)的,只是這一系統(tǒng)需要多方的相互協(xié)調(diào),統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。如:電動(dòng)汽車動(dòng)力電池本身性能和參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化,電池和電動(dòng)車接口的標(biāo)準(zhǔn)化,電池和外置充電設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化,安全操作規(guī)范,配電網(wǎng)的入網(wǎng)接口等。模型的實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)一步的研發(fā)、試驗(yàn)和驗(yàn)證,具體的服務(wù)模式亦有待于進(jìn)一步的探討和細(xì)化。

4 結(jié)論和建議

電動(dòng)汽車將是我國(guó)新能源戰(zhàn)略和智能電網(wǎng)的重要組成部分。預(yù)計(jì)2020年中國(guó)將有20%的新能源汽車份額,電動(dòng)汽車將達(dá)到1000萬(wàn)輛[2,9]。本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)式電動(dòng)汽車充換電系統(tǒng)具有不容置疑的實(shí)用價(jià)值,下一步我們會(huì)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證研究,并借此項(xiàng)目的廣泛性和實(shí)用性給物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供一個(gè)有效的典范,促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新一代移動(dòng)通信、云計(jì)算、下一代互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等技術(shù)的融合發(fā)展,甚至帶動(dòng)其他行業(yè),如制造業(yè)、服務(wù)業(yè)的跨越發(fā)展。

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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,浙江寧波人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)閮?yōu)化問(wèn)題、系統(tǒng)建模與仿真,電子郵箱zhoujin@sspu.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.71371120)資助