焦尧毅，周 正，徐 杰，唐志红，冯伟东
（国网湖北省电力公司信息通信公司，湖北 武汉 430077）
摘 要： 通过对物联网、电动汽车运营管理等方面关键技术的深入研究，围绕物联网在电动汽车运营管理中充换电服务，实现电动汽车行业应用的信息采集、数据通信的技术突破。从电动汽车智能充换电服务的业务和技术需求出发，深入开展物联网技术应用研究，提出基于物联网的电动汽车运营管理总体架构，采用平台化、模块化、组件化的面向服务架构思想进行技术设计，为电动汽车运营智能化管理提供信息化解决方案，使充换电站和电动汽车用户充分了解和感知可用的资源以及资源的使用状况，实现资源的统一配置和高效优质服务。
关键词： 物联网；电动汽车；运营管理；充放电
0 引言
在当今气候环境急剧恶化、资源日益紧张的情况下，低碳经济是大势所趋。低碳经济核心是新能源技术与节能减排技术的应用，电动汽车能够较好地解决机动车排放污染与能源短缺问题。我国的电动汽车产业化面临着良好的机遇，国内汽车生产企业对能够实现节能与减排目标的电动汽车的研发已经投入了空前的热情[1]。电动汽车智能充换电服务设施是推动电动汽车发展的基础和前提，为推动我国电动汽车产业的发展，国家正在加大对充换电基础设施的研发和投入[2]。电动汽车充换电设施是支持电动汽车发展的基础与前提，依托于智能电网、信息通信以及物联网技术，对电动汽车充电设施服务网络的研究和应用进行了探索。
1 物联网技术体系
物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域[3]，因此物联网涵盖的关键技术也非常多，为了系统分析物联网技术体系，本论文将物联网技术体系划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术，具体如图1所示。
物联网可以分为感知层、传输层(网络层)和应用层。首先感知层是整个物联网应用的基础，需要的技术有RFID、条码、定位技术、通信芯片、传感技术等。而传输层就是物联网的成功运作的保障，它涉及到的技术就包括IPV4/IPV6、3G/LTE、自组织网络、WiFi无线网络、WiMax等。最后应用层就是体现整个物联网的实际能力了。物联网的可应用范围非常广泛，不管是公共管理和服务业，还是像精细农业、工业监测、智能电网等这类行业都是物联网未来需要拓广的领域[4,5]。
2 电动汽车关键技术
2.1 电动汽车充放电技术
目前电动汽车充放电技术主要有单向无序电能供给模式，单向有序电能供给模式和双向有序电能转换模式。单向无序电能供给模式（V0G）是指电动汽车接入电网即充电的模式，是目前电动汽车最常见的充电方式。这种模式的充电设备主要采用单向变流技术，目前技术装备已经成熟，并且已经建成一些公共充电设施[6]。V0G的问题是电动汽车充电时成为大功率用电负荷，大量电动汽车充电会增大电网调峰的难度。单向有序电能供给模式包括TC模式和V1G模式，TC模式为时间控制方式，指电动汽车在给定的时刻开始充电。考虑到电动汽车在电网负荷高峰时段充电对电网的影响，通过控制开始充电时间来实现错峰充电，能够使用户享受到低谷电价带来的经济效益。但是其控制方式简单，不能根据实时电价或电网峰谷状态灵活地控制充电过程。V1G模式指电动汽车的充电受电网控制，电动汽车与电网进行实时通信，可在电网允许时刻进行充电。该模式能够优化充电安排，提高电网效率，但不能向电网送电。双向有序电能转换模式（V2G）指电动汽车与电网的能量管理系统通信，并受其控制，实现电动汽车与电网间的能量转换，电动汽车可以作为电能存储设备、备用电源设备来使用。
2.2 电动汽车充放电设备及电能服务模式
电动汽车充放电是智能电网与用户双向互动的重要组成部分，主要为电能互动及信息互动，电动汽车与电网间进行实时的信息交换，内容包括车辆能量状态、电网运行状态、电网电价及辅助服务计费信息等，为电能根据电网或者电动汽车的需要合理优化的双向流动提供信息支持[7]。电动汽车通过充放电设备连接到电网，实现电能双向流动。但由于电动汽车的庞大数量及分散性，由智能电网双向互动服务系统直接与电动汽车通信并控制其充放电的操作难以实现，因此在智能电网双向互动服务系统与电动汽车之间建设电动汽车充放电管理系统作为纽带，实现电动汽车与电网间的实时信息交换，根据双方需求合理控制电动汽车的充放电操作。电动汽车充放电过程电能与信息互动如图2所示。
2.3 电动汽车充放电管理系统
电动汽车充放电管理系统，一方面能够通过充放电设备与电动汽车通信；另一方面与智能电网相关系统通信，综合电动汽车与电网的实时状态，根据双方需求合理控制电动汽车的充放电操作[8]。电动汽车充放电管理系统可以负责同一停车区域的交流充放电桩的统一调度管理，也可以负责一个集中充放电站内的直流充放电机的统一调度管理。
3 物联网技术在电动汽车运营管理中的应用
3.1 基于物联网的电动汽车运营管理总体架构
本文从电动汽车智能充换电服务的业务和技术需求出发，深入开展物联网技术应用研究，提出基于物联网的电动汽车运营管理总体架构(如图3所示)，为我国电动汽车充换电服务网络电池配送、有序充电、设备运行监控、自动导引、资源一体化管控和综合管理等提供先进技术支撑。
感知层利用网络中广泛部署的传感器节点、车载终端、手持终端、摄像头等采集设备，基于RFID、传感器等各类感知技术，完成各类应用场景下电池的状态信息、身份信息，电动汽车状态信息、位置信息，智能电卡身份信息、充换电设施信息等各类信息的感知与采集，并通过网关传输到网络层。
网络层采用有线通信和无线通信多种通信技术，完成充换电服务网络各组成部分之间的信息通信。在网络层，需要着重对数据的路由转发机制和主动信息推送机制给予关注。
应用服务层对于从网络层获取得到的各类感知数据进行分析处理，最终实现高效的广域电动汽车智能充换电服务。应用服务层可细分为三个层次，最下层为数据层，对于接收到的感知信息，需要一定的规则和形式，实现信息存储与数据映射；中间层为服务层，通过对服务网络的各种功能进行抽象与分类，将其归结于不同的服务类别，并为具体应用提供服务接口；最上层为应用层，完成服务网络的各类具体业务应用。
安全防护技术应用于网络的各个层次，为终端的信息感知、网络数据传输以及具体应用业务提供安全保护功能。
3.2 物联网技术在电动汽车智能终端信息服务中应用
电动汽车车载智能终端内含总线通信、GPS、GPRS、RFID等模块，可实现电动汽车运行状态通信、车载电池管理系统BMS通信、GPS定位、RFID识别、GPRS无线通信等功能[9]。其分析系统包括：整车技术性能统计分析模块、电池组性能统计分析模块、实时动态统计分析模块、信息预测模块、信息查询与输出模块等。通过这些技术与软件分析，终端最终实现电动汽车运行状态和车载电池使用状态的信息采集、车辆运行动态定位、车辆身份识别、信息互动以及相关的增值服务等功能。
电动汽车安装车载智能互动终端，与车上的电池感知模块交互，提供对电池工作状态的多种信息展示，结合导航定位系统，提示驾驶人员电池剩余电量以及附近充换电站位置，而且最佳路线把剩余电量和最近的充电站/交换站考虑在内，提供地理信息查询等功能。
电动汽车智能车载终端内部嵌入RFID，在车辆运行过程中，通过具有RFID识别器的地方，可以自动地识别车辆身份。车辆进入充/换电站时，站内的RFID识别器可自动的识别车主身份及使用电池信息，智能引导车辆接收相关服务。在车辆进出入高速路口时，高速路口的RFID识别器可自动读取车辆信息，完成自动缴费功能等。
电动汽车智能车载终端内含GPS模块，实现GPS定位导航功能。在终端的内部嵌入移动GIS软件，能够根据经度和纬度在电子地图上实时地显示出车辆运行的位置和运行状况[10]。电动汽车智能交互终端可以通过无线网络将接收到的GPS位置信息和车辆状态信息远程发送给监控中心，从而提供个人用户的车辆定位、防盗等业务服务和企业集团用户的移动资产管理等功能。
3.3 基于物联网的电动汽车运营管理平台建设
基于物联网的电动汽车运营管理平台按照电动汽车相关标准和充换电站建设规定，通过参考当前电动汽车行业国际、国家相关规定及标准，结合国家电网智能电网建设，系统采用平台化、模块化、组件化的面向服务架构（SOA）思想进行技术设计，为电动汽车运营智能化管理提供信息化解决方案。
本平台采用物联网技术实现身份识别、在线状态监测，感知电动汽车及电池运行工况，采用面向服务的体系架构，以企业服务总线及相关组件为支撑，研发电动汽车智能充换电运营、管理、服务系统、通信模块和网络切换管理系统，实现电动汽车、电池、充换电网络、电网的互动信息交换。平台架构如图4所示。
采集层通过通信接入、任务调度、规约解析等服务，对电池、设备的运行状态、视频及其他数据进行采集与传递。数据层主要完成设备数据、档案数据、参数数据等的存储，采用数据中间层对关系型表结构进行封装，各应用只需调用数据中间层的应用函数接口就可以以对象方式访问数据库，无需关心数据库的实现形式和库表结构。服务层为应用提供显示、管理等各种中间服务，公共服务偏向于通用的、与业务无关的服务[11,12]。将服务层和业务逻辑层分开，提高了服务层的重用性，降低了各个对象之间的耦合性，提高了对象的内聚性，使系统体系结构更加简洁清晰。应用层主要完成电动汽车运营管理相关的应用，包括运行监控、自动导引、定位跟踪、最优路线提示、有序充电、电池配送等，满足电动汽车智能充换电服务网络业务,通过对接入视频的分析，实现智能视频应用。系统WEB应用采用MVC模式，在界面组件方面采用AJAX技术，使B/S方式的界面具有和传统C/S界面相似的丰富的界面元素和强大的操作功能[13,14]。该系统通过企业服务总线，完成了与电网GIS平台等其他相关系统的交互，通过接口服务实现与智能交通、数字城市等公共服务系统的交互。平台采用多层架构的管理系统，采用组件技术将界面控制、业务逻辑和数据映射分离，实现系统内部的松耦合，以灵活、快速地响应业务变化对系统的需求。
4 结束语
本文根据我国电动汽车运营管理技术发展现状及应用需求，基于对物联网相关技术及应用领域的研究，对物联网技术在电动汽车运营管理具体应用进行了创新性、系统性的研究。将物联网技术深入应用于电动汽车充换电网络运行管理中，实现电池、电动汽车、充换电网络管理的智能标识和身份识别。充换电站将部署红外传感网、视频识别网络以及基于射频的自动身份识别网络等，对于进入充换电站指定区域范围内的电动汽车和电池装置，系统将自动识别并为其提供服务，实现运营监测、计量计费、运维管理等功能，满足充换电网络资源和运营状态的自动化、智能化管理；结合智能巡检移动终端，实现充换电网络设备巡检工作的信息化、可控化、标准化管理。采用物联网、信息通信和智能电网等多种领域的技术，将实现电动汽车、电池、充电站的智能感知、联动及高度互动技术研究，满足对全域内电动汽车、电池、充电站、人员及设备安全的在线监控、一体化集中管控，使电动汽车与物联网技术紧密结合，推动物联网技术在电动汽车领域的产业发展。
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