焦堯毅，周 正，徐 杰，唐志紅，馮偉東
（國網湖北省電力公司信息通信公司，湖北 武漢 430077）
摘 要： 通過對物聯網、電動汽車運營管理等方面關鍵技術的深入研究，圍繞物聯網在電動汽車運營管理中充換電服務，實現電動汽車行業應用的信息采集、數據通信的技術突破。從電動汽車智能充換電服務的業務和技術需求出發，深入開展物聯網技術應用研究，提出基于物聯網的電動汽車運營管理總體架構，采用平臺化、模塊化、組件化的面向服務架構思想進行技術設計，為電動汽車運營智能化管理提供信息化解決方案，使充換電站和電動汽車用戶充分了解和感知可用的資源以及資源的使用狀況，實現資源的統一配置和高效優質服務。
關鍵詞： 物聯網；電動汽車；運營管理；充放電
0 引言
在當今氣候環境急劇惡化、資源日益緊張的情況下，低碳經濟是大勢所趨。低碳經濟核心是新能源技術與節能減排技術的應用，電動汽車能夠較好地解決機動車排放污染與能源短缺問題。我國的電動汽車產業化面臨著良好的機遇，國內汽車生產企業對能夠實現節能與減排目標的電動汽車的研發已經投入了空前的熱情[1]。電動汽車智能充換電服務設施是推動電動汽車發展的基礎和前提，為推動我國電動汽車產業的發展，國家正在加大對充換電基礎設施的研發和投入[2]。電動汽車充換電設施是支持電動汽車發展的基礎與前提，依托于智能電網、信息通信以及物聯網技術，對電動汽車充電設施服務網絡的研究和應用進行了探索。
1 物聯網技術體系
物聯網涉及感知、控制、網絡通信、微電子、計算機、軟件、嵌入式系統、微機電等技術領域[3]，因此物聯網涵蓋的關鍵技術也非常多，為了系統分析物聯網技術體系，本論文將物聯網技術體系劃分為感知關鍵技術、網絡通信關鍵技術、應用關鍵技術、共性技術和支撐技術，具體如圖1所示。
物聯網可以分為感知層、傳輸層(網絡層)和應用層。首先感知層是整個物聯網應用的基礎，需要的技術有RFID、條碼、定位技術、通信芯片、傳感技術等。而傳輸層就是物聯網的成功運作的保障，它涉及到的技術就包括IPV4/IPV6、3G/LTE、自組織網絡、WiFi無線網絡、WiMax等。最后應用層就是體現整個物聯網的實際能力了。物聯網的可應用范圍非常廣泛，不管是公共管理和服務業，還是像精細農業、工業監測、智能電網等這類行業都是物聯網未來需要拓廣的領域[4,5]。
2 電動汽車關鍵技術
2.1 電動汽車充放電技術
目前電動汽車充放電技術主要有單向無序電能供給模式，單向有序電能供給模式和雙向有序電能轉換模式。單向無序電能供給模式（V0G）是指電動汽車接入電網即充電的模式，是目前電動汽車最常見的充電方式。這種模式的充電設備主要采用單向變流技術，目前技術裝備已經成熟，并且已經建成一些公共充電設施[6]。V0G的問題是電動汽車充電時成為大功率用電負荷，大量電動汽車充電會增大電網調峰的難度。單向有序電能供給模式包括TC模式和V1G模式，TC模式為時間控制方式，指電動汽車在給定的時刻開始充電。考慮到電動汽車在電網負荷高峰時段充電對電網的影響，通過控制開始充電時間來實現錯峰充電，能夠使用戶享受到低谷電價帶來的經濟效益。但是其控制方式簡單，不能根據實時電價或電網峰谷狀態靈活地控制充電過程。V1G模式指電動汽車的充電受電網控制，電動汽車與電網進行實時通信，可在電網允許時刻進行充電。該模式能夠優化充電安排，提高電網效率，但不能向電網送電。雙向有序電能轉換模式（V2G）指電動汽車與電網的能量管理系統通信，并受其控制，實現電動汽車與電網間的能量轉換，電動汽車可以作為電能存儲設備、備用電源設備來使用。
2.2 電動汽車充放電設備及電能服務模式
電動汽車充放電是智能電網與用戶雙向互動的重要組成部分，主要為電能互動及信息互動，電動汽車與電網間進行實時的信息交換，內容包括車輛能量狀態、電網運行狀態、電網電價及輔助服務計費信息等，為電能根據電網或者電動汽車的需要合理優化的雙向流動提供信息支持[7]。電動汽車通過充放電設備連接到電網，實現電能雙向流動。但由于電動汽車的龐大數量及分散性，由智能電網雙向互動服務系統直接與電動汽車通信并控制其充放電的操作難以實現，因此在智能電網雙向互動服務系統與電動汽車之間建設電動汽車充放電管理系統作為紐帶，實現電動汽車與電網間的實時信息交換，根據雙方需求合理控制電動汽車的充放電操作。電動汽車充放電過程電能與信息互動如圖2所示。
2.3 電動汽車充放電管理系統
電動汽車充放電管理系統，一方面能夠通過充放電設備與電動汽車通信；另一方面與智能電網相關系統通信，綜合電動汽車與電網的實時狀態，根據雙方需求合理控制電動汽車的充放電操作[8]。電動汽車充放電管理系統可以負責同一停車區域的交流充放電樁的統一調度管理，也可以負責一個集中充放電站內的直流充放電機的統一調度管理。
3 物聯網技術在電動汽車運營管理中的應用
3.1 基于物聯網的電動汽車運營管理總體架構
本文從電動汽車智能充換電服務的業務和技術需求出發，深入開展物聯網技術應用研究，提出基于物聯網的電動汽車運營管理總體架構(如圖3所示)，為我國電動汽車充換電服務網絡電池配送、有序充電、設備運行監控、自動導引、資源一體化管控和綜合管理等提供先進技術支撐。
感知層利用網絡中廣泛部署的傳感器節點、車載終端、手持終端、攝像頭等采集設備，基于RFID、傳感器等各類感知技術，完成各類應用場景下電池的狀態信息、身份信息，電動汽車狀態信息、位置信息，智能電卡身份信息、充換電設施信息等各類信息的感知與采集，并通過網關傳輸到網絡層。
網絡層采用有線通信和無線通信多種通信技術，完成充換電服務網絡各組成部分之間的信息通信。在網絡層，需要著重對數據的路由轉發機制和主動信息推送機制給予關注。
應用服務層對于從網絡層獲取得到的各類感知數據進行分析處理，最終實現高效的廣域電動汽車智能充換電服務。應用服務層可細分為三個層次，最下層為數據層，對于接收到的感知信息，需要一定的規則和形式，實現信息存儲與數據映射；中間層為服務層，通過對服務網絡的各種功能進行抽象與分類，將其歸結于不同的服務類別，并為具體應用提供服務接口；最上層為應用層，完成服務網絡的各類具體業務應用。
安全防護技術應用于網絡的各個層次，為終端的信息感知、網絡數據傳輸以及具體應用業務提供安全保護功能。
3.2 物聯網技術在電動汽車智能終端信息服務中應用
電動汽車車載智能終端內含總線通信、GPS、GPRS、RFID等模塊，可實現電動汽車運行狀態通信、車載電池管理系統BMS通信、GPS定位、RFID識別、GPRS無線通信等功能[9]。其分析系統包括：整車技術性能統計分析模塊、電池組性能統計分析模塊、實時動態統計分析模塊、信息預測模塊、信息查詢與輸出模塊等。通過這些技術與軟件分析，終端最終實現電動汽車運行狀態和車載電池使用狀態的信息采集、車輛運行動態定位、車輛身份識別、信息互動以及相關的增值服務等功能。
電動汽車安裝車載智能互動終端，與車上的電池感知模塊交互，提供對電池工作狀態的多種信息展示，結合導航定位系統，提示駕駛人員電池剩余電量以及附近充換電站位置，而且最佳路線把剩余電量和最近的充電站/交換站考慮在內，提供地理信息查詢等功能。
電動汽車智能車載終端內部嵌入RFID，在車輛運行過程中，通過具有RFID識別器的地方，可以自動地識別車輛身份。車輛進入充/換電站時，站內的RFID識別器可自動的識別車主身份及使用電池信息，智能引導車輛接收相關服務。在車輛進出入高速路口時，高速路口的RFID識別器可自動讀取車輛信息，完成自動繳費功能等。
電動汽車智能車載終端內含GPS模塊，實現GPS定位導航功能。在終端的內部嵌入移動GIS軟件，能夠根據經度和緯度在電子地圖上實時地顯示出車輛運行的位置和運行狀況[10]。電動汽車智能交互終端可以通過無線網絡將接收到的GPS位置信息和車輛狀態信息遠程發送給監控中心，從而提供個人用戶的車輛定位、防盜等業務服務和企業集團用戶的移動資產管理等功能。
3.3 基于物聯網的電動汽車運營管理平臺建設
基于物聯網的電動汽車運營管理平臺按照電動汽車相關標準和充換電站建設規定，通過參考當前電動汽車行業國際、國家相關規定及標準，結合國家電網智能電網建設，系統采用平臺化、模塊化、組件化的面向服務架構（SOA）思想進行技術設計，為電動汽車運營智能化管理提供信息化解決方案。
本平臺采用物聯網技術實現身份識別、在線狀態監測，感知電動汽車及電池運行工況，采用面向服務的體系架構，以企業服務總線及相關組件為支撐，研發電動汽車智能充換電運營、管理、服務系統、通信模塊和網絡切換管理系統，實現電動汽車、電池、充換電網絡、電網的互動信息交換。平臺架構如圖4所示。
采集層通過通信接入、任務調度、規約解析等服務，對電池、設備的運行狀態、視頻及其他數據進行采集與傳遞。數據層主要完成設備數據、檔案數據、參數數據等的存儲，采用數據中間層對關系型表結構進行封裝，各應用只需調用數據中間層的應用函數接口就可以以對象方式訪問數據庫，無需關心數據庫的實現形式和庫表結構。服務層為應用提供顯示、管理等各種中間服務，公共服務偏向于通用的、與業務無關的服務[11,12]。將服務層和業務邏輯層分開，提高了服務層的重用性，降低了各個對象之間的耦合性，提高了對象的內聚性，使系統體系結構更加簡潔清晰。應用層主要完成電動汽車運營管理相關的應用，包括運行監控、自動導引、定位跟蹤、最優路線提示、有序充電、電池配送等，滿足電動汽車智能充換電服務網絡業務,通過對接入視頻的分析，實現智能視頻應用。系統WEB應用采用MVC模式，在界面組件方面采用AJAX技術，使B/S方式的界面具有和傳統C/S界面相似的豐富的界面元素和強大的操作功能[13,14]。該系統通過企業服務總線，完成了與電網GIS平臺等其他相關系統的交互，通過接口服務實現與智能交通、數字城市等公共服務系統的交互。平臺采用多層架構的管理系統，采用組件技術將界面控制、業務邏輯和數據映射分離，實現系統內部的松耦合，以靈活、快速地響應業務變化對系統的需求。
4 結束語
本文根據我國電動汽車運營管理技術發展現狀及應用需求，基于對物聯網相關技術及應用領域的研究，對物聯網技術在電動汽車運營管理具體應用進行了創新性、系統性的研究。將物聯網技術深入應用于電動汽車充換電網絡運行管理中，實現電池、電動汽車、充換電網絡管理的智能標識和身份識別。充換電站將部署紅外傳感網、視頻識別網絡以及基于射頻的自動身份識別網絡等，對于進入充換電站指定區域范圍內的電動汽車和電池裝置，系統將自動識別并為其提供服務，實現運營監測、計量計費、運維管理等功能，滿足充換電網絡資源和運營狀態的自動化、智能化管理；結合智能巡檢移動終端，實現充換電網絡設備巡檢工作的信息化、可控化、標準化管理。采用物聯網、信息通信和智能電網等多種領域的技術，將實現電動汽車、電池、充電站的智能感知、聯動及高度互動技術研究，滿足對全域內電動汽車、電池、充電站、人員及設備安全的在線監控、一體化集中管控，使電動汽車與物聯網技術緊密結合，推動物聯網技術在電動汽車領域的產業發展。
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