高能超級電容城市客車快充管理系統(tǒng)設(shè)計1

上海交通投資信息科技有限公司

0 引 言

上海作為中國最早開辦城市公交的城市之一，多年來一直領(lǐng)先于國內(nèi)同行業(yè)發(fā)展步伐。2006年8月，上海11路超級電容城市客車上線并投入運營。超級電容城市客車每次充滿電可以運行5 km。所有候車站改造成候車充電站，公交車每次?？?，均可通過車頂?shù)某潆娫O(shè)備實現(xiàn)幾十秒“快速充電”，然后繼續(xù)行駛。這樣既節(jié)省大量燃料費用，清潔環(huán)保，又因為是利用車輛載客時停站的“碎片”時間充電，節(jié)省了充電的時間，不影響正常載客運營，同時可以保證24小時不間斷運營。

1 原有技術(shù)問題

經(jīng)過十余年的運營，當初的超級電容城市客車逐漸暴露出不少問題，如超級電容器件笨重，沒有電力監(jiān)控，一次充電續(xù)駛里程短，動力不足時只能占車道等待救援等。如今，車輛站間的充電次數(shù)愈加頻繁，滯留時間較長，引起乘客的諸多抱怨。

公交11路、26路沿途共設(shè)44個候車充電站，維護成本高。沒有現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，需要人工處理所有事件，后期統(tǒng)計數(shù)據(jù)。系統(tǒng)平臺之間數(shù)據(jù)不共享，需要利用介質(zhì)傳輸，尤其是與車輛運營調(diào)度系統(tǒng)不互通，車輛的用電數(shù)據(jù)采集不準確。

2 系統(tǒng)目標

本項目基于國家大力發(fā)展新能源的目標與現(xiàn)行政策，從各個方面進行技術(shù)升級，綜合考慮了車型、供配電設(shè)施、充電設(shè)備、可行性等因素，基于超級電容技術(shù)的提升提出了科學的充電運營管理方案。因地制宜，優(yōu)化充電設(shè)施，合理規(guī)劃布局[1]；搭建多類監(jiān)控一體化的站級監(jiān)控系統(tǒng)，管理超級電容城市客車的智能化充電；搭建大數(shù)據(jù)云平臺，異構(gòu)多樣數(shù)據(jù)存儲、清洗，多平臺數(shù)據(jù)融合，大數(shù)據(jù)分析、挖掘與處理；發(fā)揮大數(shù)據(jù)的價值，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)研究超級電容的衰減特性，推進節(jié)能與新能源汽車的推廣使用。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對不同用戶的數(shù)據(jù)權(quán)限及對不同類數(shù)據(jù)的要求，本系統(tǒng)設(shè)計為兩級：站級監(jiān)控系統(tǒng)和企業(yè)級私有云的大數(shù)據(jù)平臺。站級監(jiān)控系統(tǒng)完成現(xiàn)場管控，大數(shù)據(jù)平臺分析整理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，完成遠程監(jiān)管。

3.1 站級監(jiān)控系統(tǒng)

對超級電容城市客車、終點站充電設(shè)備、配電房電力負荷、遠程計量、車輛就位檢測、視頻監(jiān)控，實現(xiàn)綜合信息的統(tǒng)一監(jiān)控、遠程操作、集中管理。對于突發(fā)異常情況，可分級報警、應(yīng)急處理。監(jiān)控充電過程如圖1所示。

圖1 監(jiān)控充電過程

站級監(jiān)控系統(tǒng)由以下相輔相成的六大模塊組成：

（1）充電監(jiān)控模塊。監(jiān)控服務(wù)器與各通信管理機之間采用高速光纖網(wǎng)，就地采用CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）通信總線連接。服務(wù)器與現(xiàn)場所有充電設(shè)備通信，讀取實時運行信息，對信息進行定時采樣處理，形成歷史數(shù)據(jù)并存儲在系統(tǒng)中。根據(jù)運行狀態(tài)計算統(tǒng)計各類設(shè)備實時用電量、負荷率、越限率，分析設(shè)備在線時間、離線時間和投退次數(shù)，利用HTML5動畫展示場景。監(jiān)控模塊對電池過溫、電路異常、電池過充、數(shù)據(jù)不刷新等11種情況進行實時診斷和全面防護，通過局放、直流電阻監(jiān)測和故障錄波技術(shù)實現(xiàn)對電池安全隱患的偵測。

（2）電力監(jiān)控模塊（簡稱SCADA）。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制) 模塊，對變電所高低壓配電回路用電情況進行實時監(jiān)控與管理，支持標準Modbus（串行通信協(xié)議）通信規(guī)約[2]。通過電氣圖的呈現(xiàn)，值班管理人員根據(jù)供配電的運行情況進行負荷分析，當線路出現(xiàn)電力負荷容量不足或發(fā)生故障時，遠程控制合分閘投切到備用線路，實現(xiàn)設(shè)備自動降容，采用分流措施實現(xiàn)特殊工況下的充電任務(wù)。

（3）車位檢測模塊。每個充電車位安裝一套車輛泊位檢測裝置，利用RFID（Radio Frequency Identification， 射頻識別）技術(shù)識別車輛身份，進行身份合法驗證。車位自動檢測裝置通過硬件和軟件過濾算法，設(shè)置誤動作過濾時間，消除現(xiàn)場環(huán)境干擾。

（4）安防模塊。實現(xiàn)安全防范及實時監(jiān)控，進行實時的視頻偵測、視頻監(jiān)控、信號傳輸，實現(xiàn)遠程調(diào)取實時及歷史圖像，并具有圖像復核、視頻分析等功能。

（5）事件模塊。包含開關(guān)事件、SOE（Sequence of Event，事件順序記錄）事件、預(yù)警事件、系統(tǒng)事件、操作事件等[3]。每個事件及時醒目地提醒值班人員，可根據(jù)報警事件等級設(shè)置不同的語音報警，對每個事件分為已處理和未處理，處理事件同時記錄處理方式、結(jié)果、處理人。并可以通過每個對象元素跟蹤它的歷史動作情況。

（6）接口通信。與大數(shù)據(jù)平臺通信，與公交運營調(diào)度系統(tǒng)對接，實時交互數(shù)據(jù)；與上海市充換電設(shè)施公共數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測市級平臺通信，市級范圍內(nèi)共享充電樁的使用情況。通信采用密鑰體系，包括平臺密鑰、消息密鑰、簽名密鑰、消息密鑰初始化向量，保障數(shù)據(jù)通信的安全性。

3.2 企業(yè)級私有云的大數(shù)據(jù)平臺

大數(shù)據(jù)架構(gòu)是整合數(shù)據(jù)資源的重要途徑，使得信息化建設(shè)從孤立的應(yīng)用系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)共享融合的一體化統(tǒng)籌平臺。本平臺采用Hadoop分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)、Spark實時計算引擎、Hive離線數(shù)據(jù)倉庫、Yarn作業(yè)調(diào)度和集群資源管理器等，打造一個安全穩(wěn)定高效的云平臺框架（見圖2）。運用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、智能傳感技術(shù)、虛擬化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，實時采集多樣信號，同步進行監(jiān)控展示，解決了新老充電國標通信標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)同步不實時等問題；提供遠程故障分析及應(yīng)急保障能力，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)解決大容量的數(shù)據(jù)吞吐、數(shù)據(jù)并發(fā)；提供復合的查詢統(tǒng)計、報表匯總、數(shù)據(jù)分析、資源共享。

充電管理系統(tǒng)采用兩級平臺、多種模式，推動技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)融合，打通了信息壁壘，構(gòu)建上海巴士公交集團的智能充電信息共享體系，提高對風險預(yù)測、防范、感知、處理能力。

4 自動充電流程

圖2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

超級電容城市客車駛?cè)胝緟^(qū)，RFID識別車輛身份。安防監(jiān)控將視頻圖像推送至車載設(shè)備，語音提示司機調(diào)整車身位置。司機通過車輛儀表盤上的充電按鈕開啟充電，授電弓自動落弓，與車頂受電車架進行連接，通過車載CAN總線關(guān)閉車輛總電源，啟動充電。在充電結(jié)束后，授電弓自動斷電，并收起弓頭，通知駕駛員可以離開。

站級監(jiān)控系統(tǒng)在充電過程中實時監(jiān)控，充電全過程無人干預(yù)，實現(xiàn)了便捷、高效、智能、全自動充電。

5 系統(tǒng)及設(shè)備技術(shù)特點

上海市科學技術(shù)委員會于2018年7月1日設(shè)立《智能化高能超級電容城市客車公交系統(tǒng)集成示范工程應(yīng)用研究》項目（項目編號：18DZ1201600），研究內(nèi)容分為智能化快速充電技術(shù)、高能量長壽命超級電容系統(tǒng)研究、快速充電超級電容電動城市客車研制，并搭建超級電容公交智能化平臺。本文研究的充電管理系統(tǒng)是該課題項目的子課題，開發(fā)兼容現(xiàn)有各類型快充電動城市客車的快速充電系統(tǒng)，提高充電系統(tǒng)的利用率。

5.1 云平臺架構(gòu)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用

企業(yè)級私有云的大數(shù)據(jù)平臺，支撐整個充電調(diào)度運營需求。系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)、虛擬化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)框架進行開發(fā)，能實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)接入和大并發(fā)訪問，軟件結(jié)構(gòu)清晰明了，支持主流瀏覽器、web中間件、數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和運行環(huán)境。

通過與公交智能調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，獲取下個班次的時間及里程需求，與新能源汽車電池管理系統(tǒng)顯示的電池剩余容量及大數(shù)據(jù)計算出的歷史同車同時的耗電情況等，分析下個班次前是否需要補電。

采用優(yōu)先充電模式，實現(xiàn)智能調(diào)度。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過聚類和分類算法，合理調(diào)整充電時段，提高電網(wǎng)利用的效率，節(jié)約用電成本。

利用相關(guān)性建立數(shù)學統(tǒng)計模型和算法，進行電耗分析，預(yù)測車輛百公里能耗。通過綜合監(jiān)控和分析平臺的大數(shù)據(jù)挖掘，使新能源公交車充電更加智能，進一步降低能源消耗，節(jié)能減排，提高運營效率。

5.2 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行電池補電預(yù)測分析

大數(shù)據(jù)平臺采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建模，它的基本思路是將模型作為黑箱，不考慮內(nèi)部機理，專注于其輸入輸出的關(guān)系[4]。本平臺采用三層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過大量充電數(shù)據(jù)訓練模型。本平臺的輸入節(jié)點對應(yīng)電流、電池剩余容量、溫度、運營里程等數(shù)據(jù)，輸出節(jié)點對應(yīng)完成運營所需充電電量。

選取11路、26路充電樣本數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)模型進行訓練，通過訓練來確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（隱含層及其神經(jīng)元數(shù)目）及各種變量值。利用訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行計算，完成電流、電池剩余容量、溫度、運營里程與所需充電電量的非線性映射。最后根據(jù)計算數(shù)據(jù)來找到與之對應(yīng)的結(jié)果。如果所需充電電量大于電池儲能容量最大值的80%，則計劃安排車輛白天補電。

5.3 利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行電池健康度分析

大數(shù)據(jù)平臺利用Hive技術(shù)離線分析，選取11路、26路充電記錄，計算電池充滿電時所充電量與充電前后電池剩余容量差值的比率，比率越高，表明電池的健康度越高。計算公式如下：

式中：D為健康度；β為溫度校準系數(shù)，依環(huán)境溫度變化波動；Ke為本次充電結(jié)束時的充電電量；Ks為本次充電開始時的電量；SOCe為本次充電結(jié)束時的電池剩余容量；SOCs為本次充電開始時的電池剩余容量。

經(jīng)過6個月的使用及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，超級電容前3個月衰減0.83%，后3個月衰減0.26%，衰減性能趨于穩(wěn)定，符合年衰減≤2%的設(shè)計要求。

5.4 采用第三代超級電容實現(xiàn)環(huán)?？斐?/h3>

相對動力鋰電池，第三代超級電容具有以下特性：尺寸小，重量輕；支持大電流充電，充電速度快[5]；充放電循環(huán)壽命長；原材料貴金屬含量低；工作溫度范圍寬，控制簡單。

5.5 超級電容城市客車與配套授電弓智能快充的組合應(yīng)用

應(yīng)用超級電容的城市客車支持高頻次、大電流快速充電。以11路為例，從停車、落弓、充電、升弓完成全過程只需8分鐘，可以在發(fā)車間隔（12分鐘）內(nèi)完成充電；超級電容城市客車一次可充35 kW·h，只需6次充電，即可完成一天營運要求。

下壓式授電弓滿功率輸出360 kW，充電速度是普通充電槍的2倍，滿足超級電容城市客車大功率充電的需求。

超級電容城市客車與配套授電弓的組合，實現(xiàn)了全自動的充電過程，提高了充電效率與運行的流暢性。

6 結(jié) 語

針對本項目開發(fā)的智能充電管理系統(tǒng)，經(jīng)過半年多的上線運營，目前技術(shù)成熟可靠，為后續(xù)866路、930路等公交線路的候車充電站建設(shè)打好基礎(chǔ)。從2019年10月到2020年4月，11路、26路累計充電達到37 096次，節(jié)油量達到124 555 L，減排二氧化碳83 t，節(jié)省運營成本352萬元。

本系統(tǒng)的建設(shè)將滿足當前及未來高能超級電容城市客車的充電需求，提高供電質(zhì)量滿足供電安全，使充電及供電設(shè)備符合技術(shù)標準要求，從而確保高能超級電容城市客車的正常安全運營。本項目建設(shè)符合當前純電動汽車技術(shù)的發(fā)展方向，整個項目的實施將為美化城市、安全運營、完善設(shè)施、方便市民做出新的貢獻。