基于RFID技术的电动汽车电池管理方法

刘高维，冯俊淇，张 宇，张 征，解 大，艾 芊

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.上海市电力公司 电力科学研究院，上海 200437；3.上海市电力公司，上海 200122）

近年来，随着中国汽车工业的飞速发展，国内石油对外依存度逐年增长，为此国家相继将新能源和新能源汽车列入战略性新兴产业加以重点扶持，电动汽车将进入快速发展时期.目前，制约电动汽车大规模推广使用的主要瓶颈是充电时间长、电池成本高等.电动汽车为了连续行驶就要求其电能得到补充.电能补充可以分为整车充电（快速充电、常规充电和慢速充电）和电池快速更换（不同特性的电池，充电模式不尽相同；不同需求的电池，充电模式也不同）.而换电方式可以大幅减少电动汽车的电能补给时间，在电池快速更换的方式下，电池组从车上卸下后用一定的模式为电池充电，对电池的充放电进行优化控制以有效提高电池的使用寿命，这将会是未来电动汽车充电技术发展的主流模式［1］.然而在换电模式下，电动汽车充放储一体化电站内的电池作为处于不断流动状态的能量单元，其管理维护却要花费大量的人力物力.笔者旨在结合充放储一体化电站，建立一种新型的利用无线射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）技术对电动汽车电池管理方法，构建未来坚强智能电网V2G（Vehicle to Grid）平台，支撑电动汽车和坚强智能电网的共同发展.

1 电动汽车电池管理过程中存在的问题分析

电动汽车产业化的关键是配套设施即充电站网络的建设［2］.无论是混合动力电动汽车还是纯电动汽车，都严重依赖城市快速充换电网络.中国业内人士普遍认为，充换电站不能普及是电动车面临的最大问题，如果充换电站也像加油站一样多，市场一定是电动汽车的天下.

目前，建立起来的电动汽车换电站内电池主要由人工管理.在车辆进站时，由工人开箱对电池箱进行ID记录；在换电池箱时由人工登记ID.人工换电和管理方式有很多弊端［3］，在电动汽车推广过程中会带来很多问题：

1）工作效率低下.在更换电池时通常会对电池的种类、包装、数量、编号、厂家等信息进行确认并登记，只能在独立的换电系统使用，不利于推广；换电池箱时由人工对电池箱筛选.

2）电池更换验收时间长［4］.在更换电池时一般都非常严格把关，因为这是电池保管的第一道关口，如果有部分指标不符合更换标准，则不能进行电池的更换操作，这严重影响了电池更换的效率.

3）工作错误率高.电池没有统一的编号，使用次数程度不一致，也不能进行跟踪，导致部分电池老化速度加快，电池重新编组使管理混乱；查询使用情况、维护信息繁琐.

4）缺乏统一高效的管理.信息传递慢，容易导致电力资源分配不均，部分车辆密集地区换电需求较大，在带来电网负担的同时仍无法满足用户短时换电的需求.

5）故障维修难度大.在电动汽车电池发生故障时不能及时与管理中心进行通信，电池故障信息数据不能共享；人工查阅车载监控装置故障记录费时、费力.

这些问题给电动汽车推广以及充电站建立带来阻碍，所以迫切需要解决以上的问题.

2 应用RFID技术对电动汽车电池的管理方法

2.1 RFID技术

RFID可以通过无线电讯号实现数据与信息在有效的空间范围内非接触快速传送.该技术利用射频信号对目标进行非接触性的识别和相关数据的读和写操作，能实现快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别以及定位及长期跟踪管理.由于识别工作无需人工干预，不受恶劣环境的影响，且具有读取速度快、读取信息安全可靠、数据存储量大以及安全性好等优点，随着芯片和电子技术的进步和普及，这项技术有着广泛的应用前景，其在民用领域的价值开始得到世界各国的广泛关注.目前，该技术大量运用于生产制造、产品防伪、公交卡及物流等领域［5］.

2.2 物联网、SCADA以及GPS

物联网（Internet of Things，IOT）可以让所有的物品都与网络连接在一起，可以将电池、换电站、储能站的能量信息进行交换和通信，方便识别、管理和控制［6］；换电站站内 SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition）系统是数据采集与监视控制系统，能实时掌握换电站的内部情况；GPS（Global Positioning System）是全球定位系统，能实时、全天候和全球性的为电动汽车提供导航服务.

电动汽车的运营管理离不开这3个系统的支持，若能找到一个连接物联网、站内SCADA以及GPS全球定位系统的桥梁，则可形成对电池的智能管理，大力推进电动汽车的产业化进程.

2.3 利用RFID技术对电动汽车电池管理

在对RFID技术的先进性与可行性研究基础上，若把RFID技术应用于电动汽车电池管理中，建立电池资源信息管理数据库［7］，将信息及时更新到物联网，并与站内的SCADA以及电动汽车GPS全球定位系统进行信息交互，将极大地提高电池信息的采集速度与更换电池作业效率，并能对电池能量流动进行跟踪与控制.设计管理方案如下：

1）电动汽车电池生产时给每个电池嵌入唯一的射频识别标签［8］，通过读写器给标签写入信息，如：电池编号、电池成分、电池容量、生产厂家、生产日期以及使用年限等［9］.

2）电池从生产厂家出库时分为2种情况：①安装至电动汽车内作为车载电池随车出售；②运送到换电站内作为换电备用电池.应针对这2种情况，通过读写器分别向射频识别标签内写入该电池的出库容量、出库日期以及出库原因，并读出射频识别标签内所述的全部信息，通过电脑将信息上传至物联网数据库，便于以后进行能量流动信息的跟踪.电池射频识别标签的读写过程如图1所示.

图1 电池射频识别标签的读写过程Figure 1 Reading and writing process of battery RFID tags

3）在换电站也应当配置读写器，当厂家生产的换电电池以及电动汽车车载电池到达换电站时，由专用设备测量电池剩余SOC，并由读写器读取电池编号，将剩余SOC信息上传至站内的SCADA系统中，便于将不同剩余SOC的电池进行阶次分组管理，采用不同的充电策略进行充电.站内的SCADA系统应定时将站内电池电量情况上传至物联网数据库中，便于对能量单元的流动做出合理的调控.

当站内电池电量充电至更换标准并可作为车载电池使用时，应通过读写器向射频识别标签内更新写入电池的累计充电次数、出站电量以及出站时间，同时更新站内SCADA系统相关信息并上传至物联网数据库，以便对电池的寿命及损耗程度、电动汽车的单次行驶里程、下次更换电池的时间地点做出预判.

4）当电池安装至电动汽车上时，采用车载GPS导航定位系统，可以实时地掌握汽车的行驶里程，结合这个数据，通过站内SCADA传来的电池出站SOC信息可预判车载电池的剩余电量，并由各SCADA系统定时发来的站内电池电量情况，综合考虑时间、地点等因素，为电动汽车用户提供合理的更换电池建议，调控能量单元的流动趋势.

5）当电动汽车电池出现故障时，将运往维修中心统一处理.在维修中心检测后，利用读卡器将电池故障情况、电池物主的联系方式等相关信息写入射频识别标签中，并及时上传至物联网数据库更新.维修成功后，通过物联网联系物主通知其将电池取回；若电池无法维修，即将报废，则将电池注销信息上传物联网，通知物主并进行环保处理.

利用RFID技术对电动汽车电池管理的系统基本运作原理如图2所示，采用这一方案，不仅可以极大地提高电池信息的采集速度与更换电池作业效率，能对电池能量单元的流动进行跟踪与控制，而且当电池充电循环使用次数达到一定限度后，或被送入储能站内作为储能电池备用，或进行集中报废处理，可以有效节约资源，减少电池处置不当对环境的污染.

图2 基于RFID技术对电动汽车电池管理系统的基本运作原理Figure 2 Basic operation principles of electric vehicle battery management system based on RFID technology

2.4 结合RFID技术的SOC预测

SOC预测包含换电站内电动汽车动力电池的SOC估计以及车载电池实时的SOC估计.准确和可靠地获得电池荷电状态（SOC）是电池管理系统中最基本和最首要的任务，因为SOC值的大小直接反映了电池所处的状态，由此可限定电池的最大放电电流和预测电动车的续驶里程.根据各节电池的SOC值，可以识别电池组中各电池间的性能差异，并依此进行均衡充电，以保持电池性能的均匀性，最终达到延长电池寿命的目的［10］.

在换电站中，电动汽车动力电池的SOC可通过电池的外特性——开路电压、恒流放电时电压的变化规律、电池内阻特性等来获得.考虑到电池老化后，SOC特性的估计会有一定的偏差，通过RFID技术可对电池的充电次数、充电方式进行有效的统计，可以结合电池的老化因素进行SOC的预测［11］.

车载电池的SOC预测可通过换电后车辆的行驶里程、车辆内设施的使用情况以及电池老化程度来预测.利用车载GPS定位导航系统对能量单元的流动进行追踪，根据电池换装后电动汽车行驶里程数估算电量消耗情况，然后通过RFID技术结合物联网中电池信息对电池的剩余电量进行分析与预估，当电池电量不足需要充、换电时，为用户更换电池地点与方式的选择提出相应的建议.

2.5 结合RFID技术的功率流动控制

通过对电动汽车电池的RFID管理技术，可在线监测梯次储能站中废旧电池、换电站内电池的剩余电量情况，结合能量管理系统（EMS）对能量单元进行智能的分配与管理，功率的流动可能有几个方向，如图3所示.

图3 功率流动方向控制Figure 3 Power flow direction control

1）当梯次储能站以及换电站内储能均充足时，应根据电网的负荷情况，决定是否开启逆变器向电网供电以减轻电网负荷，分担区域供电任务.

2）当梯次储能站内储能充足、换电站内储能不足时，应由梯储能次站向换电站供电，并根据电网负荷情况决定是否由电网向换电站供电.

3）当梯次储能站内储能不足、换电站内储能充足时，由于梯储能次站主要作为备用储能系统，在电网峰荷情况下为换电站内电池充电，在电网故障情况下为其提供紧急支持，所以梯次储能站内电池均为循环次数很高的废旧电池，故不能利用换电站内的电池向梯储能次站供电，此时应根据电网负荷情况决定是否由电网向梯次储能站供电.

4）当梯次储能站以及换电站内储能均不充足时，应根据电网负荷情况决定是否向梯次储能站以及换电站供电.为满足用户的需求，此时换电站优先级应高于梯次储能站.应该通过控制尽量避免梯次储能站以及换电站内储能均不充足的情况.

3 能量单元高级管理平台软件

采用RFID技术对电动汽车电池管理方案的软件系统应能结合能量管理系统（EMS）、物联网、站内的SCADA及GPS定位系统中的信息，实现对能量、功率流动的监测与分析，实时地做出最优化决策，实现能源信息的有序化管理［12］.为电网能量流动进行合理的规划，对能量单元的流动信息进行统计.

结合物联网的电动汽车电池基础数据库应包含：电池编号、电池成分、电池容量、生产厂家、生产日期、使用年限、出库容量、出库日期、出库原因、站内SOC、出站SOC、累计充电次数、出站时间、车载电池定位、电池故障情况、物主联系方式.

平台软件应包含如下功能：

1）为用户提供换电建议.

当电动汽车能量耗尽或即将耗尽时，系统平台将根据电网工况、用户位置以及附近换电站内状况为用户提供合理的换电站信息，用户会将能量单元带至换电站，与换电站内能量充足的能量单元进行交换.

2）电池老化报警.

当换电站内能量单元在经过长时间使用而老化成为废旧电池后，已不能满足用户换电的需求，系统平台应具备报警功能，将其移出换电站，但其仍有利用价值，应将其送至梯次储能站，参与梯次储能站储能循环.

3）电池故障报警.

当换电站或者梯次储能站内能量单元发生故障时，系统平台应记录其故障发生地点、故障信息，并将其送至维修中心进行维修.

4）报废处理.

当维修中心检测到由换电站或者梯次储能站送来的能量单元已完全损坏或不具备修复价值时，应在物联网中完成注销操作，并对其进行报废处理，减少对环境的污染.

4 结语

笔者提供了一种全新的电动汽车电池管理策略，利用RFID管理技术，不仅可以极大地提高电池信息的采集速度与更换电池作业效率，实现了电动汽车电池信息全程可追溯，而且还可以有效减少电池对环境的污染，通过回收再利用节约资源.该技术在电动汽车电池的SOC预测，换电站、梯次储能站与电网之间的功率流动控制等方面都有良好的应用前景.

［1］杨洪明，熊脶成，刘保平.插入式混合电动汽车充放电行为的概率分析［J］.电力科学与技术学报，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］周逢权，连湛伟，王晓雷，等.电动汽车充电站运营模式探析［J］.电力系统保护与控制，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在物流仓储中的运用［D］.上海：上海交通大学，2007.

［4］莫飘，高会生，王博颖，等.RFID技术在充电站电池箱管理中的应用［J］.电力系统通信，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］宁焕生，张瑜，刘芳丽，等.中国物联网信息服务系统研究［J］.电子学报，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］郭创新，高振兴，张金江，等.基于基于物联网技术的输变电设备状态监测与检修资产管理［J］.电力科学与技术学报，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，邓靖璇，顾慧，等.基于RFID技术的电池追踪与回收系统设计与实践［J］.实验技术与管理，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，韩晓东，田光宇.电动汽车动力电池SOC预测技术研究［J］.电源技术，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，Florida，USA，2009.

［12］贺兴，艾芊.电动汽车能量管理系统的研究与开发［J］.低压电器，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.