基于RFID技術(shù)的電動汽車電池管理方法

劉高維，馮俊淇，張 宇，張 征，解 大，艾 芊

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海市電力公司 電力科學(xué)研究院，上海 200437；3.上海市電力公司，上海 200122）

近年來，隨著中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)石油對外依存度逐年增長，為此國家相繼將新能源和新能源汽車列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)加以重點扶持，電動汽車將進入快速發(fā)展時期.目前，制約電動汽車大規(guī)模推廣使用的主要瓶頸是充電時間長、電池成本高等.電動汽車為了連續(xù)行駛就要求其電能得到補充.電能補充可以分為整車充電（快速充電、常規(guī)充電和慢速充電）和電池快速更換（不同特性的電池，充電模式不盡相同；不同需求的電池，充電模式也不同）.而換電方式可以大幅減少電動汽車的電能補給時間，在電池快速更換的方式下，電池組從車上卸下后用一定的模式為電池充電，對電池的充放電進行優(yōu)化控制以有效提高電池的使用壽命，這將會是未來電動汽車充電技術(shù)發(fā)展的主流模式［1］.然而在換電模式下，電動汽車充放儲一體化電站內(nèi)的電池作為處于不斷流動狀態(tài)的能量單元，其管理維護卻要花費大量的人力物力.筆者旨在結(jié)合充放儲一體化電站，建立一種新型的利用無線射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術(shù)對電動汽車電池管理方法，構(gòu)建未來堅強智能電網(wǎng)V2G（Vehicle to Grid）平臺，支撐電動汽車和堅強智能電網(wǎng)的共同發(fā)展.

1 電動汽車電池管理過程中存在的問題分析

電動汽車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是配套設(shè)施即充電站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)［2］.無論是混合動力電動汽車還是純電動汽車，都嚴重依賴城市快速充換電網(wǎng)絡(luò).中國業(yè)內(nèi)人士普遍認為，充換電站不能普及是電動車面臨的最大問題，如果充換電站也像加油站一樣多，市場一定是電動汽車的天下.

目前，建立起來的電動汽車換電站內(nèi)電池主要由人工管理.在車輛進站時，由工人開箱對電池箱進行ID記錄；在換電池箱時由人工登記ID.人工換電和管理方式有很多弊端［3］，在電動汽車推廣過程中會帶來很多問題：

1）工作效率低下.在更換電池時通常會對電池的種類、包裝、數(shù)量、編號、廠家等信息進行確認并登記，只能在獨立的換電系統(tǒng)使用，不利于推廣；換電池箱時由人工對電池箱篩選.

2）電池更換驗收時間長［4］.在更換電池時一般都非常嚴格把關(guān)，因為這是電池保管的第一道關(guān)口，如果有部分指標不符合更換標準，則不能進行電池的更換操作，這嚴重影響了電池更換的效率.

3）工作錯誤率高.電池沒有統(tǒng)一的編號，使用次數(shù)程度不一致，也不能進行跟蹤，導(dǎo)致部分電池老化速度加快，電池重新編組使管理混亂；查詢使用情況、維護信息繁瑣.

4）缺乏統(tǒng)一高效的管理.信息傳遞慢，容易導(dǎo)致電力資源分配不均，部分車輛密集地區(qū)換電需求較大，在帶來電網(wǎng)負擔的同時仍無法滿足用戶短時換電的需求.

5）故障維修難度大.在電動汽車電池發(fā)生故障時不能及時與管理中心進行通信，電池故障信息數(shù)據(jù)不能共享；人工查閱車載監(jiān)控裝置故障記錄費時、費力.

這些問題給電動汽車推廣以及充電站建立帶來阻礙，所以迫切需要解決以上的問題.

2 應(yīng)用RFID技術(shù)對電動汽車電池的管理方法

2.1 RFID技術(shù)

RFID可以通過無線電訊號實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息在有效的空間范圍內(nèi)非接觸快速傳送.該技術(shù)利用射頻信號對目標進行非接觸性的識別和相關(guān)數(shù)據(jù)的讀和寫操作，能實現(xiàn)快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別以及定位及長期跟蹤管理.由于識別工作無需人工干預(yù)，不受惡劣環(huán)境的影響，且具有讀取速度快、讀取信息安全可靠、數(shù)據(jù)存儲量大以及安全性好等優(yōu)點，隨著芯片和電子技術(shù)的進步和普及，這項技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，其在民用領(lǐng)域的價值開始得到世界各國的廣泛關(guān)注.目前，該技術(shù)大量運用于生產(chǎn)制造、產(chǎn)品防偽、公交卡及物流等領(lǐng)域［5］.

2.2 物聯(lián)網(wǎng)、SCADA以及GPS

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）可以讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，可以將電池、換電站、儲能站的能量信息進行交換和通信，方便識別、管理和控制［6］；換電站站內(nèi) SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，能實時掌握換電站的內(nèi)部情況；GPS（Global Positioning System）是全球定位系統(tǒng)，能實時、全天候和全球性的為電動汽車提供導(dǎo)航服務(wù).

電動汽車的運營管理離不開這3個系統(tǒng)的支持，若能找到一個連接物聯(lián)網(wǎng)、站內(nèi)SCADA以及GPS全球定位系統(tǒng)的橋梁，則可形成對電池的智能管理，大力推進電動汽車的產(chǎn)業(yè)化進程.

2.3 利用RFID技術(shù)對電動汽車電池管理

在對RFID技術(shù)的先進性與可行性研究基礎(chǔ)上，若把RFID技術(shù)應(yīng)用于電動汽車電池管理中，建立電池資源信息管理數(shù)據(jù)庫［7］，將信息及時更新到物聯(lián)網(wǎng)，并與站內(nèi)的SCADA以及電動汽車GPS全球定位系統(tǒng)進行信息交互，將極大地提高電池信息的采集速度與更換電池作業(yè)效率，并能對電池能量流動進行跟蹤與控制.設(shè)計管理方案如下：

1）電動汽車電池生產(chǎn)時給每個電池嵌入唯一的射頻識別標簽［8］，通過讀寫器給標簽寫入信息，如：電池編號、電池成分、電池容量、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期以及使用年限等［9］.

2）電池從生產(chǎn)廠家出庫時分為2種情況：①安裝至電動汽車內(nèi)作為車載電池隨車出售；②運送到換電站內(nèi)作為換電備用電池.應(yīng)針對這2種情況，通過讀寫器分別向射頻識別標簽內(nèi)寫入該電池的出庫容量、出庫日期以及出庫原因，并讀出射頻識別標簽內(nèi)所述的全部信息，通過電腦將信息上傳至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，便于以后進行能量流動信息的跟蹤.電池射頻識別標簽的讀寫過程如圖1所示.

圖1 電池射頻識別標簽的讀寫過程Figure 1 Reading and writing process of battery RFID tags

3）在換電站也應(yīng)當配置讀寫器，當廠家生產(chǎn)的換電電池以及電動汽車車載電池到達換電站時，由專用設(shè)備測量電池剩余SOC，并由讀寫器讀取電池編號，將剩余SOC信息上傳至站內(nèi)的SCADA系統(tǒng)中，便于將不同剩余SOC的電池進行階次分組管理，采用不同的充電策略進行充電.站內(nèi)的SCADA系統(tǒng)應(yīng)定時將站內(nèi)電池電量情況上傳至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，便于對能量單元的流動做出合理的調(diào)控.

當站內(nèi)電池電量充電至更換標準并可作為車載電池使用時，應(yīng)通過讀寫器向射頻識別標簽內(nèi)更新寫入電池的累計充電次數(shù)、出站電量以及出站時間，同時更新站內(nèi)SCADA系統(tǒng)相關(guān)信息并上傳至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，以便對電池的壽命及損耗程度、電動汽車的單次行駛里程、下次更換電池的時間地點做出預(yù)判.

4）當電池安裝至電動汽車上時，采用車載GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以實時地掌握汽車的行駛里程，結(jié)合這個數(shù)據(jù)，通過站內(nèi)SCADA傳來的電池出站SOC信息可預(yù)判車載電池的剩余電量，并由各SCADA系統(tǒng)定時發(fā)來的站內(nèi)電池電量情況，綜合考慮時間、地點等因素，為電動汽車用戶提供合理的更換電池建議，調(diào)控能量單元的流動趨勢.

5）當電動汽車電池出現(xiàn)故障時，將運往維修中心統(tǒng)一處理.在維修中心檢測后，利用讀卡器將電池故障情況、電池物主的聯(lián)系方式等相關(guān)信息寫入射頻識別標簽中，并及時上傳至物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫更新.維修成功后，通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系物主通知其將電池取回；若電池無法維修，即將報廢，則將電池注銷信息上傳物聯(lián)網(wǎng)，通知物主并進行環(huán)保處理.

利用RFID技術(shù)對電動汽車電池管理的系統(tǒng)基本運作原理如圖2所示，采用這一方案，不僅可以極大地提高電池信息的采集速度與更換電池作業(yè)效率，能對電池能量單元的流動進行跟蹤與控制，而且當電池充電循環(huán)使用次數(shù)達到一定限度后，或被送入儲能站內(nèi)作為儲能電池備用，或進行集中報廢處理，可以有效節(jié)約資源，減少電池處置不當對環(huán)境的污染.

圖2 基于RFID技術(shù)對電動汽車電池管理系統(tǒng)的基本運作原理Figure 2 Basic operation principles of electric vehicle battery management system based on RFID technology

2.4 結(jié)合RFID技術(shù)的SOC預(yù)測

SOC預(yù)測包含換電站內(nèi)電動汽車動力電池的SOC估計以及車載電池實時的SOC估計.準確和可靠地獲得電池荷電狀態(tài)（SOC）是電池管理系統(tǒng)中最基本和最首要的任務(wù)，因為SOC值的大小直接反映了電池所處的狀態(tài)，由此可限定電池的最大放電電流和預(yù)測電動車的續(xù)駛里程.根據(jù)各節(jié)電池的SOC值，可以識別電池組中各電池間的性能差異，并依此進行均衡充電，以保持電池性能的均勻性，最終達到延長電池壽命的目的［10］.

在換電站中，電動汽車動力電池的SOC可通過電池的外特性——開路電壓、恒流放電時電壓的變化規(guī)律、電池內(nèi)阻特性等來獲得.考慮到電池老化后，SOC特性的估計會有一定的偏差，通過RFID技術(shù)可對電池的充電次數(shù)、充電方式進行有效的統(tǒng)計，可以結(jié)合電池的老化因素進行SOC的預(yù)測［11］.

車載電池的SOC預(yù)測可通過換電后車輛的行駛里程、車輛內(nèi)設(shè)施的使用情況以及電池老化程度來預(yù)測.利用車載GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)對能量單元的流動進行追蹤，根據(jù)電池換裝后電動汽車行駛里程數(shù)估算電量消耗情況，然后通過RFID技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)中電池信息對電池的剩余電量進行分析與預(yù)估，當電池電量不足需要充、換電時，為用戶更換電池地點與方式的選擇提出相應(yīng)的建議.

2.5 結(jié)合RFID技術(shù)的功率流動控制

通過對電動汽車電池的RFID管理技術(shù)，可在線監(jiān)測梯次儲能站中廢舊電池、換電站內(nèi)電池的剩余電量情況，結(jié)合能量管理系統(tǒng)（EMS）對能量單元進行智能的分配與管理，功率的流動可能有幾個方向，如圖3所示.

圖3 功率流動方向控制Figure 3 Power flow direction control

1）當梯次儲能站以及換電站內(nèi)儲能均充足時，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的負荷情況，決定是否開啟逆變器向電網(wǎng)供電以減輕電網(wǎng)負荷，分擔區(qū)域供電任務(wù).

2）當梯次儲能站內(nèi)儲能充足、換電站內(nèi)儲能不足時，應(yīng)由梯儲能次站向換電站供電，并根據(jù)電網(wǎng)負荷情況決定是否由電網(wǎng)向換電站供電.

3）當梯次儲能站內(nèi)儲能不足、換電站內(nèi)儲能充足時，由于梯儲能次站主要作為備用儲能系統(tǒng)，在電網(wǎng)峰荷情況下為換電站內(nèi)電池充電，在電網(wǎng)故障情況下為其提供緊急支持，所以梯次儲能站內(nèi)電池均為循環(huán)次數(shù)很高的廢舊電池，故不能利用換電站內(nèi)的電池向梯儲能次站供電，此時應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)負荷情況決定是否由電網(wǎng)向梯次儲能站供電.

4）當梯次儲能站以及換電站內(nèi)儲能均不充足時，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)負荷情況決定是否向梯次儲能站以及換電站供電.為滿足用戶的需求，此時換電站優(yōu)先級應(yīng)高于梯次儲能站.應(yīng)該通過控制盡量避免梯次儲能站以及換電站內(nèi)儲能均不充足的情況.

3 能量單元高級管理平臺軟件

采用RFID技術(shù)對電動汽車電池管理方案的軟件系統(tǒng)應(yīng)能結(jié)合能量管理系統(tǒng)（EMS）、物聯(lián)網(wǎng)、站內(nèi)的SCADA及GPS定位系統(tǒng)中的信息，實現(xiàn)對能量、功率流動的監(jiān)測與分析，實時地做出最優(yōu)化決策，實現(xiàn)能源信息的有序化管理［12］.為電網(wǎng)能量流動進行合理的規(guī)劃，對能量單元的流動信息進行統(tǒng)計.

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的電動汽車電池基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含：電池編號、電池成分、電池容量、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、使用年限、出庫容量、出庫日期、出庫原因、站內(nèi)SOC、出站SOC、累計充電次數(shù)、出站時間、車載電池定位、電池故障情況、物主聯(lián)系方式.

平臺軟件應(yīng)包含如下功能：

1）為用戶提供換電建議.

當電動汽車能量耗盡或即將耗盡時，系統(tǒng)平臺將根據(jù)電網(wǎng)工況、用戶位置以及附近換電站內(nèi)狀況為用戶提供合理的換電站信息，用戶會將能量單元帶至換電站，與換電站內(nèi)能量充足的能量單元進行交換.

2）電池老化報警.

當換電站內(nèi)能量單元在經(jīng)過長時間使用而老化成為廢舊電池后，已不能滿足用戶換電的需求，系統(tǒng)平臺應(yīng)具備報警功能，將其移出換電站，但其仍有利用價值，應(yīng)將其送至梯次儲能站，參與梯次儲能站儲能循環(huán).

3）電池故障報警.

當換電站或者梯次儲能站內(nèi)能量單元發(fā)生故障時，系統(tǒng)平臺應(yīng)記錄其故障發(fā)生地點、故障信息，并將其送至維修中心進行維修.

4）報廢處理.

當維修中心檢測到由換電站或者梯次儲能站送來的能量單元已完全損壞或不具備修復(fù)價值時，應(yīng)在物聯(lián)網(wǎng)中完成注銷操作，并對其進行報廢處理，減少對環(huán)境的污染.

4 結(jié)語

筆者提供了一種全新的電動汽車電池管理策略，利用RFID管理技術(shù)，不僅可以極大地提高電池信息的采集速度與更換電池作業(yè)效率，實現(xiàn)了電動汽車電池信息全程可追溯，而且還可以有效減少電池對環(huán)境的污染，通過回收再利用節(jié)約資源.該技術(shù)在電動汽車電池的SOC預(yù)測，換電站、梯次儲能站與電網(wǎng)之間的功率流動控制等方面都有良好的應(yīng)用前景.

［1］楊洪明，熊腡成，劉保平.插入式混合電動汽車充放電行為的概率分析［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2010，25（3）：8-12.

YANG Hong-ming，XIONG Luo-cheng，LIU Baoping.Probabilistic analysis of charging and discharging for plug-in hybrid electric vehicles［J］.Journal of Eiectric Power Science and Technology，2010，25（3）：8-12.

［2］周逢權(quán)，連湛偉，王曉雷，等.電動汽車充電站運營模式探析［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38（21）：63-66.

ZHOU Feng-quan，LIAN Zhan-wei，WANG Xiao-lei，et al.Discussion on operation mode to the Electric Vehicle charging station［J］.Power System Protection and Control，2010，38（21）：63-66.

［3］阮清方.RFID在物流倉儲中的運用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［4］莫飄，高會生，王博穎，等.RFID技術(shù)在充電站電池箱管理中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2011，32（9）：79-82.

MO Piao，GAO Hui-sheng，WANG Bo-ying，et al.Application of RFID technology in battery box management system for Electric Vehicles［J］.Telecommunications for Electric Power System，2011，32（9）：79-82.

［5］Roussos，George Duri，Sastry S，et al.RFID meets the internet［J］.IEEE Internet Computing，2009，13（1）：11-13.

［6］寧煥生，張瑜，劉芳麗，等.中國物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)系統(tǒng)研究［J］.電子學(xué)報，2006，34（12A）：2 514-2 517.

NING Huan-sheng，ZHANG Yu，LIU Fang-li，et al.Research on China internet of things'services and management［J］.Acta Electronica Sinica，2006，34（12A）：2 514-2 517.

［7］Sample A P，Yeager D J，Powledge P S，et al.Design of an RFID-based battery-free programmable sensing platform［J］.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2008，57（11）：2 608-2 615.

［8］郭創(chuàng)新，高振興，張金江，等.基于基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與檢修資產(chǎn)管理［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2010，25（4）：36-41.

GUO Chuang-xin，GAO Zhen-xing，ZHANG Jin-jiang，et al IOT based transmission and transformation equipment monitoring and maintenance assets management［J］.Journal of Eiectric Power Science and Technology，2010，25（4）：36-41.

［9］朱昌平，鄧靖璇，顧慧，等.基于RFID技術(shù)的電池追蹤與回收系統(tǒng)設(shè)計與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2010，27（12）：61-65.

ZHU Chang-ping，DENG Jing-xuan，GU Hui，et al.Design and practice of battery tracking and recovery system based on RFID［J］.Experimental Technology and Management，2010，27（12）：61-65.

［10］朱元，韓曉東，田光宇.電動汽車動力電池SOC預(yù)測技術(shù)研究［J］.電源技術(shù)，2000，24（3）：153-156.

ZHU Yuan，HAN Xiao-dong，TIAN Guang-yu.Research on estimation technology of traction-battery SOC for Electric Vehicle［J］.Chinese Journal of Power Sources，2000，24（3）：153-156.

［11］Christoph Trummer，Christoph M Kirchsteiger，Alex Janek，et al.Verification methodology for battery lifetime requirements of higher class UHF RFID tags［C］.IEEE International Conference on RFID（IEEE RFID 2009），Orlando，F(xiàn)lorida，USA，2009.

［12］賀興，艾芊.電動汽車能量管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.低壓電器，2011（14）：21-25.

HE Xing，AI Qian.Research and development on energy management system of Electric Vehicles［J］.Low Voltage Apparatus，2011（14）：21-25.