高能超级电容城市客车快充管理系统设计1

上海交通投资信息科技有限公司

0 引 言

上海作为中国最早开办城市公交的城市之一，多年来一直领先于国内同行业发展步伐。2006年8月，上海11路超级电容城市客车上线并投入运营。超级电容城市客车每次充满电可以运行5 km。所有候车站改造成候车充电站，公交车每次停靠，均可通过车顶的充电设备实现几十秒“快速充电”，然后继续行驶。这样既节省大量燃料费用，清洁环保，又因为是利用车辆载客时停站的“碎片”时间充电，节省了充电的时间，不影响正常载客运营，同时可以保证24小时不间断运营。

1 原有技术问题

经过十余年的运营，当初的超级电容城市客车逐渐暴露出不少问题，如超级电容器件笨重，没有电力监控，一次充电续驶里程短，动力不足时只能占车道等待救援等。如今，车辆站间的充电次数愈加频繁，滞留时间较长，引起乘客的诸多抱怨。

公交11路、26路沿途共设44个候车充电站，维护成本高。没有现场监控系统，需要人工处理所有事件，后期统计数据。系统平台之间数据不共享，需要利用介质传输，尤其是与车辆运营调度系统不互通，车辆的用电数据采集不准确。

2 系统目标

本项目基于国家大力发展新能源的目标与现行政策，从各个方面进行技术升级，综合考虑了车型、供配电设施、充电设备、可行性等因素，基于超级电容技术的提升提出了科学的充电运营管理方案。因地制宜，优化充电设施，合理规划布局[1]；搭建多类监控一体化的站级监控系统，管理超级电容城市客车的智能化充电；搭建大数据云平台，异构多样数据存储、清洗，多平台数据融合，大数据分析、挖掘与处理；发挥大数据的价值，利用大数据技术研究超级电容的衰减特性，推进节能与新能源汽车的推广使用。

3 系统结构设计

针对不同用户的数据权限及对不同类数据的要求，本系统设计为两级：站级监控系统和企业级私有云的大数据平台。站级监控系统完成现场管控，大数据平台分析整理业务数据，完成远程监管。

3.1 站级监控系统

对超级电容城市客车、终点站充电设备、配电房电力负荷、远程计量、车辆就位检测、视频监控，实现综合信息的统一监控、远程操作、集中管理。对于突发异常情况，可分级报警、应急处理。监控充电过程如图1所示。

图1 监控充电过程

站级监控系统由以下相辅相成的六大模块组成：

（1）充电监控模块。监控服务器与各通信管理机之间采用高速光纤网，就地采用CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）通信总线连接。服务器与现场所有充电设备通信，读取实时运行信息，对信息进行定时采样处理，形成历史数据并存储在系统中。根据运行状态计算统计各类设备实时用电量、负荷率、越限率，分析设备在线时间、离线时间和投退次数，利用HTML5动画展示场景。监控模块对电池过温、电路异常、电池过充、数据不刷新等11种情况进行实时诊断和全面防护，通过局放、直流电阻监测和故障录波技术实现对电池安全隐患的侦测。

（2）电力监控模块（简称SCADA）。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制) 模块，对变电所高低压配电回路用电情况进行实时监控与管理，支持标准Modbus（串行通信协议）通信规约[2]。通过电气图的呈现，值班管理人员根据供配电的运行情况进行负荷分析，当线路出现电力负荷容量不足或发生故障时，远程控制合分闸投切到备用线路，实现设备自动降容，采用分流措施实现特殊工况下的充电任务。

（3）车位检测模块。每个充电车位安装一套车辆泊位检测装置，利用RFID（Radio Frequency Identification， 射频识别）技术识别车辆身份，进行身份合法验证。车位自动检测装置通过硬件和软件过滤算法，设置误动作过滤时间，消除现场环境干扰。

（4）安防模块。实现安全防范及实时监控，进行实时的视频侦测、视频监控、信号传输，实现远程调取实时及历史图像，并具有图像复核、视频分析等功能。

（5）事件模块。包含开关事件、SOE（Sequence of Event，事件顺序记录）事件、预警事件、系统事件、操作事件等[3]。每个事件及时醒目地提醒值班人员，可根据报警事件等级设置不同的语音报警，对每个事件分为已处理和未处理，处理事件同时记录处理方式、结果、处理人。并可以通过每个对象元素跟踪它的历史动作情况。

（6）接口通信。与大数据平台通信，与公交运营调度系统对接，实时交互数据；与上海市充换电设施公共数据采集与监测市级平台通信，市级范围内共享充电桩的使用情况。通信采用密钥体系，包括平台密钥、消息密钥、签名密钥、消息密钥初始化向量，保障数据通信的安全性。

3.2 企业级私有云的大数据平台

大数据架构是整合数据资源的重要途径，使得信息化建设从孤立的应用系统，转向数据共享融合的一体化统筹平台。本平台采用Hadoop分布式系统基础架构、Spark实时计算引擎、Hive离线数据仓库、Yarn作业调度和集群资源管理器等，打造一个安全稳定高效的云平台框架（见图2）。运用互联网+技术、智能传感技术、虚拟化技术、大数据技术等，实时采集多样信号，同步进行监控展示，解决了新老充电国标通信标准不统一、数据同步不实时等问题；提供远程故障分析及应急保障能力，利用大数据技术解决大容量的数据吞吐、数据并发；提供复合的查询统计、报表汇总、数据分析、资源共享。

充电管理系统采用两级平台、多种模式，推动技术融合、业务融合、数据融合，打通了信息壁垒，构建上海巴士公交集团的智能充电信息共享体系，提高对风险预测、防范、感知、处理能力。

4 自动充电流程

图2 大数据系统架构图

超级电容城市客车驶入站区，RFID识别车辆身份。安防监控将视频图像推送至车载设备，语音提示司机调整车身位置。司机通过车辆仪表盘上的充电按钮开启充电，授电弓自动落弓，与车顶受电车架进行连接，通过车载CAN总线关闭车辆总电源，启动充电。在充电结束后，授电弓自动断电，并收起弓头，通知驾驶员可以离开。

站级监控系统在充电过程中实时监控，充电全过程无人干预，实现了便捷、高效、智能、全自动充电。

5 系统及设备技术特点

上海市科学技术委员会于2018年7月1日设立《智能化高能超级电容城市客车公交系统集成示范工程应用研究》项目（项目编号：18DZ1201600），研究内容分为智能化快速充电技术、高能量长寿命超级电容系统研究、快速充电超级电容电动城市客车研制，并搭建超级电容公交智能化平台。本文研究的充电管理系统是该课题项目的子课题，开发兼容现有各类型快充电动城市客车的快速充电系统，提高充电系统的利用率。

5.1 云平台架构、大数据技术的应用

企业级私有云的大数据平台，支撑整个充电调度运营需求。系统基于互联网+技术、虚拟化技术、大数据技术框架进行开发，能实现海量数据接入和大并发访问，软件结构清晰明了，支持主流浏览器、web中间件、数据库的开发和运行环境。

通过与公交智能调度系统数据融合，获取下个班次的时间及里程需求，与新能源汽车电池管理系统显示的电池剩余容量及大数据计算出的历史同车同时的耗电情况等，分析下个班次前是否需要补电。

采用优先充电模式，实现智能调度。利用大数据技术，通过聚类和分类算法，合理调整充电时段，提高电网利用的效率，节约用电成本。

利用相关性建立数学统计模型和算法，进行电耗分析，预测车辆百公里能耗。通过综合监控和分析平台的大数据挖掘，使新能源公交车充电更加智能，进一步降低能源消耗，节能减排，提高运营效率。

5.2 利用大数据技术进行电池补电预测分析

大数据平台采用神经网络模型建模，它的基本思路是将模型作为黑箱，不考虑内部机理，专注于其输入输出的关系[4]。本平台采用三层BP 神经网络，通过大量充电数据训练模型。本平台的输入节点对应电流、电池剩余容量、温度、运营里程等数据，输出节点对应完成运营所需充电电量。

选取11路、26路充电样本数据对网络模型进行训练，通过训练来确定网络结构（隐含层及其神经元数目）及各种变量值。利用训练好的神经网络进行计算，完成电流、电池剩余容量、温度、运营里程与所需充电电量的非线性映射。最后根据计算数据来找到与之对应的结果。如果所需充电电量大于电池储能容量最大值的80%，则计划安排车辆白天补电。

5.3 利用大数据技术进行电池健康度分析

大数据平台利用Hive技术离线分析，选取11路、26路充电记录，计算电池充满电时所充电量与充电前后电池剩余容量差值的比率，比率越高，表明电池的健康度越高。计算公式如下：

式中：D为健康度；β为温度校准系数，依环境温度变化波动；Ke为本次充电结束时的充电电量；Ks为本次充电开始时的电量；SOCe为本次充电结束时的电池剩余容量；SOCs为本次充电开始时的电池剩余容量。

经过6个月的使用及数据统计，超级电容前3个月衰减0.83%，后3个月衰减0.26%，衰减性能趋于稳定，符合年衰减≤2%的设计要求。

5.4 采用第三代超级电容实现环保快充

相对动力锂电池，第三代超级电容具有以下特性：尺寸小，重量轻；支持大电流充电，充电速度快[5]；充放电循环寿命长；原材料贵金属含量低；工作温度范围宽，控制简单。

5.5 超级电容城市客车与配套授电弓智能快充的组合应用

应用超级电容的城市客车支持高频次、大电流快速充电。以11路为例，从停车、落弓、充电、升弓完成全过程只需8分钟，可以在发车间隔（12分钟）内完成充电；超级电容城市客车一次可充35 kW·h，只需6次充电，即可完成一天营运要求。

下压式授电弓满功率输出360 kW，充电速度是普通充电枪的2倍，满足超级电容城市客车大功率充电的需求。

超级电容城市客车与配套授电弓的组合，实现了全自动的充电过程，提高了充电效率与运行的流畅性。

6 结 语

针对本项目开发的智能充电管理系统，经过半年多的上线运营，目前技术成熟可靠，为后续866路、930路等公交线路的候车充电站建设打好基础。从2019年10月到2020年4月，11路、26路累计充电达到37 096次，节油量达到124 555 L，减排二氧化碳83 t，节省运营成本352万元。

本系统的建设将满足当前及未来高能超级电容城市客车的充电需求，提高供电质量满足供电安全，使充电及供电设备符合技术标准要求，从而确保高能超级电容城市客车的正常安全运营。本项目建设符合当前纯电动汽车技术的发展方向，整个项目的实施将为美化城市、安全运营、完善设施、方便市民做出新的贡献。