基于物聯網技術的動力電池全壽命周期管理

蔡子龍，束洪春

(昆明理工大學電力工程學院，云南昆明650500)

基于物聯網技術的動力電池全壽命周期管理

蔡子龍，束洪春

(昆明理工大學電力工程學院，云南昆明650500)

由于能源危機和環境惡化的影響，發展新能源汽車特別是電動汽車越來越受到世界各國的普遍重視。但電動汽車商業模式不確定、充換電基礎設施建設滯后、電池成本過高等問題，使得我國電動汽車產業發展緩慢。只有電動汽車的全壽命周期成本比功能接近的燃油汽車低，電動汽車才有市場競爭力。動力電池成本在電動汽車全壽命周期成本中占有重要地位。提出了一種“換電+電池租賃+基于物聯網的動力電池全壽命周期管理+電池專業維護”的電動汽車商業模式，研究了換電模式下基于不同場景對動力電池進行全壽命周期管理的方法，探討了電動汽車采用該模式所面臨的挑戰和前景。

電動汽車；物聯網；全壽命周期管理；動力電池；位置服務

當前，為解決能源危機和環境污染問題，世界的目光投向了新能源汽車特別是電動汽車。我國政府高度重視電動汽車產業的發展。然而，受購車成本和電池成本高、配套的充電基礎設施不完善、電動汽車產業發展路徑不明確以及消費者消費習慣的慣性等因素影響，電動汽車產業發展并不如人意。電動汽車和燃油汽車相比并沒有創造出新的功能，只有當電動汽車的全壽命周期成本低于燃油汽車時，才具備大規模商業運行的可能。對于不包括動力電池的裸車，其購買成本和功能相近的燃油汽車相差不大，兩者的區別主要在持有成本和使用費用的差異上，尤其是動力電池的成本仍然居高不下，是電動汽車產業發展的主要障礙之一。

國內外學者對電動汽車技術進行了大量的研究，現有研究成果主要集中在電動汽車充換電站的選址規劃和定容[1-2]、電動汽車充換電站選址的評價[3]、電動汽車充換電站與配電網的協調規劃問題[4-5]以及電動汽車充電對配電網的影響[6-8]等方面。文獻[9]從消費者的角度對電動汽車全壽命周期內成本進行了全面分析，但對如何進行電動汽車的全壽命周期管理沒有深入進行研究。本文在研究上述文獻的基礎上，提出了一種全新的電動汽車商業模式，其核心就是基于物聯網技術實現對電動汽車動力電池的全壽命周期管理。提出了換電模式下基于不同場景對動力電池進行全壽命周期管理的思路，對物聯網技術在電動汽車動力電池全壽命周期管理過程中可能存在的問題及解決思路進行了分析。

1 電動汽車商業模式分析

在動力電池技術沒有取得突破的情況下，公共充電站的普及程度直接決定了電動汽車的推廣領域，而商業模式的設計又直接影響到充換電等配套設施的建設方式和建設規模。文獻[10]把電動汽車的商業模式分為兩大部分，一是購買和使用模式，二是能源供給模式。前者包括購買和租賃兩種模式，后者包括換電和充電兩種模式。這是目前為止對電動汽車商業模式比較全面的慨括。我國電動汽車尚處于示范運行階段，該階段的特征是“政府為主導，補貼為核心”。國內出現了以深圳“快速充電、整車銷售、第三方運營”和杭州“快速換電、裸車銷售、電池租賃”為代表的兩種示范運行的商業模式[11]。前者存在的主要問題有：(1)快速充電模式對電動汽車動力電池造成了損害，影響了動力電池的壽命；(2)整車銷售價格較高，一般消費者難以承受；(3)電動汽車是一種具有隨機性、移動性的負荷，如果大規模商業運行，勢必給配電網帶來巨大的負荷壓力，而且隨機充電會給電網帶來諧波污染，影響電能質量，危及電網安全。相對而言，杭州模式中消費者只需購買與燃油汽車價格相當的裸車，不需要承擔電池購買費用，只需以按里程計費或按電量計費的模式實現按需付費。對換電運營商而言，一方面向消費者收取電池里程租賃費用，逐步收回成本并實現盈利；另一方面，通過專業性較高的電池管理及電池專業維護等工作，提高電池的循環使用壽命，降低電池的成本。通過對報廢后的動力電池進行拆解、檢測和分類后的二次使用，實現動力電池的梯級利用，進而實現動力電池成本的大幅下降。這與《國家電網公司“十二五”電動汽車充電服務網絡發展規劃》提出的“換電為主、充換并重、集中充電、統一配送”電動汽車運營模式不謀而合。為此，本文提出一種全新的“換電+電池租賃+基于物聯網電池全壽命周期管理+電池專業維護”的電動汽車商業模式，該模式的優點主要有：

(1)由于電動汽車充電負荷的隨機性和移動性對電網產生了不利影響，因此采用換電模式進行有序充電，可以達到削峰填谷目的，同時通過集中安裝諧波處理裝置，減少電動汽車充電時產生的諧波，改善電網電能質量。

(2)純電動車是發展方向[12]。插電式電動汽車由于電池和車體是一體化結構，給電池的專業維護帶來了難題。純電動汽車采用裸車銷售和電池租賃相結合的運營模式，通過合理的專業維護技術，保持電池的經濟壽命，提高電動汽車的經濟性，把電動汽車的全壽命周期運營成本降低到低于燃油汽車的成本，從而解決電動汽車大規模商業運行的難題。文獻[9]比較了市場上功能相近的某款B級燃油汽車和某款換電式純電動車的15年30萬公里全壽命周期成本，結果表明，在不考慮油價上漲、電價優惠、燃油稅以及政府補貼的前提下，換電模式下電動汽車的全壽命周期成本已經低于燃油汽車的全壽命周期成本。如果考慮動力電池的專業維護和廢舊電池的回收利用所取得的效益，則電動汽車將進一步取得全壽命周期成本優勢。

(3)采用物聯網技術實現動力電池全壽命周期管理。通過物聯網對電動汽車動力電池使用狀況進行實時在線監測，根據監測結果進行狀態檢修，從而最大限度提高電池的使用壽命，這將為電動汽車換電運營商實現盈利起到重要的作用。

2 基于物聯網技術的動力電池全壽命周期管理

物聯網技術被認為是繼計算機技術、網絡技術以及移動通信技術之后信息產業發展的又一里程碑。對物聯網在電動汽車中的應用，2011年國家電網公司發布了《基于物聯網的電動汽車充換電服務網絡運行管理系統技術規范》，對物聯網技術在電動汽車充換電服務網絡運行管理中的技術標準進行了統一。文獻[13-15]對物聯網在電動汽車的充換電設施監控管理、電池管理、運營模式、計量計費和資產管理中的應用進行了研究。本文主要研究換電運營模式下如何采用物聯網技術進行電動汽車動力電池全壽命周期管理。

2.1 動力電池換電服務網絡分析

在“換電+電池租賃+基于物聯網的動力電池全壽命周期管理+電池專業維護”的運營模式下，動力電池的產權歸換電運營商所有。換電運營商對動力電池進行集中充電并承擔充電、電池的管理和維護等費用，通過向用戶收取電池租賃費以回收成本并取得相應利潤。換電運營商在動力電池的全壽命周期管理中起到至關重要的作用，具體作用體現在以下幾方面：

(1)對動力電池進行全壽命周期的資產管理；

(2)對動力電池進行狀態檢修和預防性維修，對需要維護的動力電池進行專業維護；

(3)對廢舊電池進行回收利用。

需要考慮不同場景下如何采用物聯網技術對動力電池進行全壽命周期管理。這些場景包括動力電池處于隨車運行狀態，處于集中充電站、換電站、配送站、維護站以及應急搶修配送站等場所。其中電池集中充電站主要負責大規模電池充電功能，兼運營公司所在地，將充滿電的動力電池通過物流派送到兼有充電和換電功能的換電站或電池配送站。換電站除進行電池更換工作外，還具有小規模電池充電功能。配送站僅負責電池的配送。應急搶修維護站指由于車輛或電池故障等原因，車輛無法行駛到充換電站進行正常充換電，此時需要應急搶險車輛把充滿電的電池送到事故地點，除更換電池外，可能還需要對汽車及電池進行維修。在以上這些不同場合都把需要維護的電池送往專業維護站進行維護。換電網絡運行結構如圖1所示。

圖1 電動汽車換電網絡結構圖

2.2 動力電池信息獲取的物聯網技術

要使用物聯網技術獲取動力電池信息，需要配置一些系統和設備，本文將這些設備在動力電池全壽命管理中的作用及其相互關系逐一分析如下。

2.2.1 電池管理系統

電動汽車電池電源系統在使用不當的情況下會發生安全性和電池使用壽命下降的問題，甚至發生電池爆炸和燃燒等嚴重事故。通過對電池進行合理管理和控制，確保電池性能良好，延長電池的使用壽命，對保障電動汽車安全、經濟運行具有十分重要的作用。電池管理系統(Battery Management System，BMS)的作用主要有：(1)對電池的外電壓、電流、溫度等進行數據采集。(2)根據采集到的數據對動力電池進行SOC (State of Charge)估計和SOH(State of Health)估計。(3)對動力電池進行充放電管理：在充電過程中對充電機進行控制以對動力電池進行均衡充電，同時保障電池不被過充；在放電過程中則保證電池不被過放電。(4)充電時同監視控制與數據采集系統(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)進行通信，保證用電安全。(5)行駛過程中為整車控制器提供控制策略。(6)對電池故障進行診斷。(7)通過CAN與車載終端進行通信，把電池SOC和SOH、電池故障等信息傳遞給車載終端并顯示。電池管理系統用例圖如圖2所示。

圖2 電池管理系統用例圖

2.2.2 車載終端

為保證動力電池的性能，電動汽車都安裝了功能強大的車載電池管理系統，工作時一般先檢測電池狀態，再根據狀態信息執行相應的電池管理工作，是一種被動的管理方式。因此僅靠BMS對電池進行全壽命周期管理是不夠的，只有采取主動的方式獲取動力電池的信息，才能對動力電池進行狀態檢修和預防性維修，從而有效增加動力電池的循環壽命。為此，可在電動汽車上裝設車載終端(Electric Vehicle Terminal，EVT)，它包含里程計數器、GPS(Global Position System)、GPRS (General Packet Radio Service)、RFID(Radio Frequency Identification)以及車載儀表等模塊。EVT的主要作用有：(1)RFID模塊包括讀寫器和電子標簽，其中電子標簽用于存儲車輛ID、電池ID、里程等信息。(2)在動力電池隨電動汽車運行過程中，把CAN與BMS進行通信所獲取的電池信息、GPS模塊獲取的車輛定位信息、里程計數器顯示的里程信息以及FFID標簽中的車輛信息等等通過GPRS模塊信息與電動汽車運營管理中心進行實時交互，以便隨時對電池狀態進行綜合判斷；同時在換電前，通過觸發方式，把這些信息通過RFID讀寫器寫入RFID標簽中。(3)當電動汽車駛入集中充電站、換電站、配送站和電池專業維護站時，通過手持RFID讀寫器采集EVT中RFID電子標簽中的信息，并通過Wifi上傳至站級監視控制與數據采集系統，進行計費等服務。(4)對BMS采集到的電池信息進行展示。(5)通過GPS對行駛中的電動汽車進行充換電導航。可見車載終端的裝設解決了電動汽車動力電池專業主動維護電池狀態信息獲取的問題，是進行動力電池全壽命周期管理的關鍵設備。車載終端用例圖如圖3所示。2.2.3運營管理系統

圖3 車載終端用例圖

運營管理系統的主要作用是動力電池進行綜合管理，包括：(1)通過GPRS從車載終端或通過光纖從站級SCADA系統獲取電池的累計充電次數、累計行駛里程、出站電量和出站時間、SOC和SOH，然后對獲取的數據進行綜合分析評估，對動力電池是否需要專業維護進行判斷，對需要專業維護的電池確定適合的維護策略。(2)通過GPRS與車載終端進行通信，為車主提供基于位置的服務(Location-Based Service，LBS)及電池電量預警服務。(3)對充換電站進行日常的運營管理。(4)根據獲取的電動汽車時空數據，對電動汽車進行時空數據挖掘。電動汽車運營管理系統用例圖如圖4所示。

圖4 運營管理系統用例圖

2.2.4 監視控制與數據采集系統

SCADA是充電站數據采集與監控系統，它的作用主要體現在：(1)對充電站供配電系統的電壓、電流、功率進行實時數據采集和監控。(2)通過CAN與充電機進行連接，對充電設備進行監控和管理。(3)通過手持終端對處于倉儲、充換電站、配送站中的電池進行信息采集，通過Wifi或局域網接入SCADA。SCADA系統用例圖如圖5所示。

2.3 不同場景下物聯網在動力電池全壽命周期管理中的應用

2.3.1 集中型充電站、換電站、配電站中動力電池的全壽命周期管理

當車載動力電池即將消耗完畢時，應該把電池送到集中型充電站、電池換電站或電池配送站進行充換電服務，當然也可以通知工作人員把電池運送過來進行換電。假設動力電池被送到集中型充電站、換電站或配送站的情景，此時電動汽車駛入站點，工作人員在入口處通過手持電子標簽中的信息；然后把這些信息通過無線網絡上傳到站級監控系統SCADA，SCADA通過運維管理系統查看車輛信息與電池信息是否相匹配，如果匹配，則進行換電工作，同時，SCADA系統根據里程計數器數據進行計費；最后把新換上的電池信息、車輛信息和里程信息同時更新到運營管理系統的中心數據庫中以及車載終端RFID中，客戶付費以后本次換電結束。如果電池在配電站中，則需要把它送到換電站或集中型充電站中進行充電。在充電前需要通過運維管理系統對動力電池的循環次數、行駛里程、SOC和SOH等信息進行分析，根據電池狀態選擇適合的充電策略。

圖5 SCADA系統用例圖

2.3.2 動力電池隨車運行過程中的全壽命周期管理

動力電池在隨車運行時，主要是通過BMS對動力電池進行管理。通過加入EVT，解決了BMS被動進行電池管理的問題。EVT通過CAN總線與BMS進行通信，把電池電壓、電流、溫度、SOC、SOH、故障等信息以及車輛行駛里程、車輛位置等信息通過GPRS傳送到運營管理中心，運營管理中心根據接收到的信息對電池狀態進行評估，這樣就能及早發現電池組的問題，及時對電池進行狀態維修或預防性維護。同時，根據車輛位置和里程信息，結合電池SOC信息，為車主提供電池電量預警以及其他LBS服務。

2.3.3 動力電池在專業維護站中的全壽命周期管理

對集中型充電站、換電站和配送站換下來的電池，通過手持RFID讀寫器讀取電池ID，然后向運營管理中心查詢關于該電池的循環次數、服役時間、SOC和SOH、累計行駛里程和維修情況等信息，對電池情況進行綜合分析。對于不需要專業維護的電池，則送往充換電站進行充電；對于需要進行專業維護的電池，先確定維修策略，再送往電池維修中心進行專業維護，并把維修記錄通過站級監控系統更新到運維管理中心數據庫。專業維護能有效提高電池的循環壽命，是動力電池全壽命周期管理的核心。對于繼續使用價值較低的動力電池則進行拆解、檢測和分類回收，以實現動力電池的二次使用。一般來說，鉛酸蓄電池仍具備30%的回收價值，而動力鋰電池的報廢標準則更高，當電池容量低于標準容量的80%時，電池就進入了報廢行列。除通過專業維護可以延長電池的使用壽命，鋰電池在回收時仍然存在很大的利用價值，這些所謂的廢舊電池仍然可以用到家庭儲能、醫院UPS、通信基站儲能和大型數據中心等方面。通過建立動力電池的梯級利用機制，實現動力電池的全壽命周期管理利用，對電動汽車相對于燃油汽車取得全壽命周期成本的優勢具有十分重要的意義。

3 動力電池全壽命周期管理的挑戰與展望

基于物聯網的動力電池全壽命周期管理能有效提高電動汽車的競爭能力，但在構建這一系統過程中仍然面臨以下幾方面的挑戰和不確定性：

電動汽車成熟的商業運營模式尚未形成。現在電動汽車有插充和換電兩種充電模式。國家電網公司從配電網安全穩定運行的角度出發，提出換電為主的電動汽車運營模式，具有多方面的優越性，但各方能否就這一方案達成共識仍然具有很大的不確定性。一方面，對于公務車、出租車、公交車等具有固定行駛路線和行駛習慣的電動汽車，換電模式是比較好的選擇；另一方面，換電模式仍然面臨著充換電基礎設施建設成本過高、換電標準體系建設困難等不利因素。隨著電動汽車的發展，特別是對私人乘用轎車，換電模式是否適合仍有待實踐的檢驗。根據財政部等四部委出臺的《關于繼續開展新能源汽車推廣應用工作的通知》，國家將對示范城市充換電設施的建設給予財政補貼，此舉將為換電運行模式帶來新的發展希望。

基于物聯網技術的電動汽車動力電池全壽命周期管理需要構建復雜的物聯網網絡，每天都要產生大量的運營數據，如何存儲這些運營數據并進行數據挖掘，對于更好地對動力電池進行全壽命周期管理具有重要意義。在數據存儲方面，與物聯網相關的云計算技術分布式存儲技術將大有作為。把運營數據存儲在云端，通過租賃和按需付費的方式使用分布于世界各地的存儲資源，就像使用本地的資源一樣方便，能有效降低電動汽車運營管理系統的軟硬件購置成本。同時由于動力電池隨汽車一起處于流動狀態，通過物聯網對電池進行全景數據采集，在取得電池ID、時間和空間三維信息基礎上，開展電動汽車基于時空的數據挖掘工作，不僅有利于實現對動力電池的全壽命周期管理，而且挖掘出一定范圍內電動汽車的行駛的時空信息，對電動汽車充換電站的選址規劃、充換電站與配電網協調規劃能起到積極的作用。

動力電池的循環再利用問題。動力鋰電池報廢時仍然存在70%～80%的剩余容量，如果不加以回收利用，將會造成極大的浪費，對環境也會造成二次污染。2012年7月出臺的《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020年)》提出：“要制定電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系，明確各相關方的責任、權利和義務。引導動力電池生產企業加強對廢舊電池的回收利用，鼓勵發展專業化電池回收利用企業。”國外動力電池回收再利用主要用于ICT(Information Communication Technology)、UPS、可再生能源發電儲能等。動力電池回收再利用的工作在國內還沒有開展起來，還沒有形成成熟的商業模式，其盈利模式還有待進一步研究。

用戶隱私保護的問題。由于動力電池隨車運行，承載動力電池的電動汽車的用戶信息、位置信息、時間信息都通過物聯網不斷地傳輸到運營管理中心，運營管理中心也向用戶不斷提供LBS，這些都容易暴露車主的隱私。隨著移動互聯網的發展，LBS的隱私保護問題越來越引起研究者的重視。希望隨著技術的發展，電動汽車用戶的隱私保護問題能得到妥善解決。

4 結論

新能源汽車作為國家大力發展的七大戰略性新興產業之一，將是未來汽車產業發展的方向。本文提出了“換電為主+電池租賃+基于物聯網電池全壽命周期管理+電池專業維護”的電動汽車商業模式，指出只有電動汽車的全壽命周期成本低于燃油汽車全壽命周期成本，電動汽車才能得到迅速發展。對基于物聯網的動力電池的全壽命周期管理進行了研究，提出不同場景下基于物聯網的動力電池全壽命周期管理解決方案。最后對基于物聯網的電動汽車動力電池全壽命周期管理中存在的挑戰及解決方案進行了分析探討。相信隨著技術的發展和相關政策、法律法規的健全和完善，采用這一商業模式將對未來電動汽車的發展起到積極的促進作用。

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Total life cycle management of power battery based on internet of things technology

CAI Zi-long,SHU Hong-chun

Because of the energy crisis and environment deterioration,there was a general consensus about the development of new energy vehicle especially electric vehicles in the world.Because the electric vehicle business model was uncertainty,and the charging and exchanging infrastructure construction was still lagging behind,and the electric vehicle battery costs were too high,so that the electric vehicle industry of our country developed slowly.The electric vehicles would have the market competitiveness if their life cycle cost was lower than the fuel vehicles which the function was similar to each other.The electric vehicle battery cost played an important role in the life cycle cost of electric vehicle.A new business model was proposed,which adopted the exchanging battery and battery leasing model,and the life cycle management based on the internet of things,and the professional maintenance to battery. Life cycle management methods of power battery based on the different scenes was studied under exchanging battery model.The challenges and prospects of electric vehicle were discussed at last.

electric vehicle;internet of things;total life cycle management;electric vehicle battery;location based service

TM 912

A

1002-087 X(2015)03-0627-04

2014-08-13

蔡子龍(1976—)，男，云南省人，博士，講師，主要研究方向為電動汽車、信息技術在電力系統中的應用。