王飛

（1.藍(lán)卓數(shù)字科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.弗林德斯大學(xué)，澳大利亞 南澳大利亞州 阿德萊德）

0 引言

目前，我國電動(dòng)車市場保有量達(dá)到 3.4 億臺(tái)[1]。隨著電動(dòng)自行車的普及，以及“互聯(lián)網(wǎng) +”和共享經(jīng)濟(jì)的快速崛起，共享換電已成為綠色出行的重要方式之一[2]。電動(dòng)自行車市場的發(fā)展前景廣闊，但也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)電動(dòng)自行車的電池由于壽命周期有限，需要不定期進(jìn)行更換。其次，充電過程存在一定的安全隱患。在傳統(tǒng)兩輪電動(dòng)車充電過程中存在某些充電不規(guī)范的操作，如過充、過放、短路等，可能會(huì)導(dǎo)致電池起火或者爆炸，給用戶的安全帶來威脅。再次，充電不方便，充電等待時(shí)間久。傳統(tǒng)的電動(dòng)自行車需要長時(shí)間的充電過程，通常需要幾小時(shí)甚至一整夜才能充滿電。傳統(tǒng)電動(dòng)自行車需要依賴固定的充電設(shè)施進(jìn)行充電，而充電設(shè)施的普及程度并不高。電動(dòng)自行車共享換電系統(tǒng)可以解決目前存在的這些問題。

1 共享換電系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

共享換電系統(tǒng)總體采用三層架構(gòu)，如圖1 所示有設(shè)備層、云平臺(tái)層、應(yīng)用層。設(shè)備層提供了換電柜物聯(lián)和數(shù)據(jù)采集管理，可以采集換電柜設(shè)備上充電模塊、換電模塊、控制模塊、檢測電路模塊、5G 模塊等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。設(shè)備可以通過 5G 模組和物聯(lián)網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，也可以通過 Wifi 模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)之后，可以通過 MQTT 協(xié)議與云上物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接。云平臺(tái)層的阿里云物聯(lián)平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)可以將設(shè)備數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到阿里云平臺(tái)，然后云服務(wù)器再將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端，為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)用層基于云平臺(tái)構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，并構(gòu)建共享換電系統(tǒng)，提供了高效的應(yīng)用服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

共享換電系統(tǒng)由換電柜、控制系統(tǒng)、換電 APP系統(tǒng)等組成。采用安全的換電柜充電，對(duì)鋰電池進(jìn)行管理和監(jiān)控，可以確保電池的壽命和安全性。用戶可以根據(jù)需要，通過 APP 和小程序掃碼租用電池或歸還電池。

2.1 換電柜設(shè)計(jì)

《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)于 2018 年5 月正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)提出了電動(dòng)自行車充換電設(shè)施，包括電動(dòng)自行車換電柜[3]。換電柜作為電池的充換電設(shè)備，具備安全可靠、環(huán)保節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，可讓用戶快速更換電池。如圖2 所示，每個(gè)換電柜上設(shè)置有 10 個(gè)電池倉。每個(gè)電池倉配置有電池狀態(tài)指示燈：黃色燈表示充電狀態(tài)；紅色燈表示故障狀態(tài)；綠色燈表示該倉電池充滿并可以換電。每個(gè)電池倉內(nèi)部配置充電插頭、溫度傳感器、煙霧傳感器、控制電路板。每個(gè)換電柜還配置主控板，與從控板以 RS-485 通訊協(xié)議現(xiàn)場總線進(jìn)行通訊。換電柜通過 5G 通訊模塊與阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)按照MQTT 通信協(xié)議進(jìn)行通訊。用戶通過換電 APP 掃描換電的二維碼，按照響應(yīng)指令進(jìn)行換電操作，更換電池。換電柜通過智能化管理，為用戶充換電帶來了便捷。

圖2 換電柜

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

換電柜控制系統(tǒng)是一個(gè)集成了多個(gè)模塊的復(fù)雜系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)電池更換和管理的自動(dòng)化。該控制系統(tǒng)如圖3 所示，主要組成部分包括以下幾個(gè)模塊：

圖3 控制系統(tǒng)

（1）中央控制單元（MCU）。這是整個(gè)換電柜控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理和協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。

（2）儲(chǔ)存模塊。存儲(chǔ)器是換電柜監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，能夠存儲(chǔ)電池的狀態(tài)和充電過程等數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行歷史記錄和分析。

（3）電池控制模塊。這個(gè)接口負(fù)責(zé)控制電池通道的選擇，根據(jù)需求將電池從相應(yīng)的通道取出或放入。

（4）倉門控制模塊。這個(gè)接口用于控制電池倉門的開啟和關(guān)閉。當(dāng)需要更換電池時(shí)，該接口會(huì)收到中央控制單元的指令，解鎖相應(yīng)的電池倉門。在電池更換完成后，接口會(huì)自動(dòng)鎖定倉門，確保電池的安全性。

（5）OTA（Over The Air）。OTA 通過移動(dòng)通信的空中接口對(duì)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和維護(hù)。在空中接口上，OTA 固件可以實(shí)現(xiàn)軟件程序遠(yuǎn)程更新、配置、升級(jí)和修復(fù)等功能。

（6）5G 通訊模塊。5G 是指第五代移動(dòng)電話行動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更低的延遲、更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更低的能耗。

（7）電源控制模塊。電源控制模塊主要有充電管理和放電控制及保護(hù)功能。充電管理可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)電池組的智能充電管理。放電控制可以監(jiān)測電池組的電壓和電流，并根據(jù)負(fù)載的情況和電池電量的狀態(tài)，合理地分配放電電流，以確保電池能夠穩(wěn)定工作并延長其使用壽命。保護(hù)功能能夠在電池組發(fā)生過流、過壓、欠壓等異常情況時(shí)，及時(shí)切斷電源或采取其他保護(hù)措施，以避免電池組受到損害或產(chǎn)生安全問題。

（8）溫度傳感器。溫度傳感器可以用來監(jiān)測電柜倉內(nèi)的溫度變化，以便預(yù)防電池故障，保障電池安全。

（9）煙霧傳感器。煙霧傳感器的主要功能是監(jiān)測換電柜內(nèi)部是否有火災(zāi)或煙霧。當(dāng)傳感器檢測到煙霧時(shí)，它會(huì)立即觸發(fā)警報(bào)或觸發(fā)滅火系統(tǒng)等安全措施，以防止火災(zāi)的發(fā)生或擴(kuò)大。

（10）電池通訊 RS-485 接口。RS-485 接口用于與每個(gè)電池進(jìn)行通信，獲取電池的實(shí)時(shí)容量、充電電壓、放電電壓、充電電流、放電電流、溫度等，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電柜內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸和共享。

2.3 換電 APP 系統(tǒng)

換電 APP 是一種移動(dòng)端應(yīng)用軟件，也是共享換電系統(tǒng)中重要的模塊之一，用于管理和查詢換電柜的使用情況，以及進(jìn)行電池更換等操作。換電APP 系統(tǒng)主要包括用戶登錄和注冊(cè)、換電柜地圖、電池信息、電池詳情、換電掃描、押金服務(wù)、換電套餐、我的訂單、故障保修等功能（參見圖4）。用戶可以下載該 APP，完成注冊(cè)、登錄，以及支付押金和套餐后，掃描換電柜上的二維碼即可在線租賃和更換鋰電池。

圖4 換電 APP 系統(tǒng)

3 共享換電系統(tǒng)的應(yīng)用和展望

共享換電系統(tǒng)是一種基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 管理技術(shù)的智能換電系統(tǒng)，旨在為用戶提供更方便、快捷的換電服務(wù)。未來，共享電動(dòng)自行車換電系統(tǒng)將有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用和展望：

在應(yīng)用方面，換電模式可以讓用戶將沒有電的鋰電池和充滿電的鋰電池進(jìn)行更換，使整個(gè)換電過程簡單便捷。具體來說，當(dāng)電動(dòng)自行車的電池電量不足時(shí)，可以通過 APP 地圖迅速查詢到可以換電的換電柜。用戶支付押金和購買租用套餐后，只需使用移動(dòng) APP 掃一掃，將電動(dòng)自行車原有的電池組拆下來，更換成滿電的鋰電池。整個(gè)換電過程只需要 15 s[4]。

在技術(shù)方面，隨著鋰電池管理技術(shù)的不斷發(fā)展，共享電動(dòng)自行車換電系統(tǒng)的充電系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等的技術(shù)水平也在不斷提高。電池的充電速度、使用壽命和安全性將得到進(jìn)一步提升，同時(shí)系統(tǒng)的智能化程度也將更高，為用戶提供更加智能化的服務(wù)。

就普及程度來說，隨著電動(dòng)自行車的普及和城市化進(jìn)程的加快，共享電動(dòng)自行車換電系統(tǒng)的普及程度也將不斷提高。未來，它將成為城市出行領(lǐng)域的重要一環(huán)，為用戶提供更加便捷、環(huán)保的出行方式[5-6]。

4 結(jié)束語

共享換電系統(tǒng)是一種基于大數(shù)據(jù)、5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能充電系統(tǒng)，通過更換電池來給電動(dòng)自行車提供電力。共享換電系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的電動(dòng)車充電系統(tǒng)具有便捷、安全、智能化的特點(diǎn)[7]，可以大幅縮短電動(dòng)車的充電時(shí)間和使用效率，解決了鉛酸蓄電池續(xù)航能力差、生命周期短、充電不方便等問題。該共享換電系統(tǒng)采用智能掃碼換電、智能監(jiān)控，有效解決了公共交通綠色環(huán)保問題，同時(shí)促進(jìn)了我國公共交通的轉(zhuǎn)型升級(jí)，形成了良好的示范效應(yīng)。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，換電系統(tǒng)的功能和性能也將不斷優(yōu)化和完善，為電動(dòng)自行車用戶提供更多的支持和保障。