电动自行车共享换电系统的设计

王飞

（1.蓝卓数字科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.弗林德斯大学，澳大利亚 南澳大利亚州 阿德莱德）

0 引言

目前，我国电动车市场保有量达到 3.4 亿台[1]。随着电动自行车的普及，以及“互联网 +”和共享经济的快速崛起，共享换电已成为绿色出行的重要方式之一[2]。电动自行车市场的发展前景广阔，但也面临一些挑战。首先，传统电动自行车的电池由于寿命周期有限，需要不定期进行更换。其次，充电过程存在一定的安全隐患。在传统两轮电动车充电过程中存在某些充电不规范的操作，如过充、过放、短路等，可能会导致电池起火或者爆炸，给用户的安全带来威胁。再次，充电不方便，充电等待时间久。传统的电动自行车需要长时间的充电过程，通常需要几小时甚至一整夜才能充满电。传统电动自行车需要依赖固定的充电设施进行充电，而充电设施的普及程度并不高。电动自行车共享换电系统可以解决目前存在的这些问题。

1 共享换电系统总体架构设计

共享换电系统总体采用三层架构，如图1 所示有设备层、云平台层、应用层。设备层提供了换电柜物联和数据采集管理，可以采集换电柜设备上充电模块、换电模块、控制模块、检测电路模块、5G 模块等物联网数据。设备可以通过 5G 模组和物联网卡实现设备联网，也可以通过 Wifi 模块实现设备联网。设备联网之后，可以通过 MQTT 协议与云上物联网平台进行对接。云平台层的阿里云物联平台的数据服务可以将设备数据流转到阿里云平台，然后云服务器再将相关数据转发给用户终端，为应用层提供基础数据。应用层基于云平台构建不同的业务应用，并构建共享换电系统，提供了高效的应用服务。

图1 系统总体架构

2 系统设计

共享换电系统由换电柜、控制系统、换电 APP系统等组成。采用安全的换电柜充电，对锂电池进行管理和监控，可以确保电池的寿命和安全性。用户可以根据需要，通过 APP 和小程序扫码租用电池或归还电池。

2.1 换电柜设计

《电动自行车安全技术规范》标准于 2018 年5 月正式发布。该标准提出了电动自行车充换电设施，包括电动自行车换电柜[3]。换电柜作为电池的充换电设备，具备安全可靠、环保节能的优点，可让用户快速更换电池。如图2 所示，每个换电柜上设置有 10 个电池仓。每个电池仓配置有电池状态指示灯：黄色灯表示充电状态；红色灯表示故障状态；绿色灯表示该仓电池充满并可以换电。每个电池仓内部配置充电插头、温度传感器、烟雾传感器、控制电路板。每个换电柜还配置主控板，与从控板以 RS-485 通讯协议现场总线进行通讯。换电柜通过 5G 通讯模块与阿里云物联网平台按照MQTT 通信协议进行通讯。用户通过换电 APP 扫描换电的二维码，按照响应指令进行换电操作，更换电池。换电柜通过智能化管理，为用户充换电带来了便捷。

图2 换电柜

2.2 控制系统设计

换电柜控制系统是一个集成了多个模块的复杂系统，用于实现电池更换和管理的自动化。该控制系统如图3 所示，主要组成部分包括以下几个模块：

图3 控制系统

（1）中央控制单元（MCU）。这是整个换电柜控制系统的核心，负责处理和协调各个模块的工作。

（2）储存模块。存储器是换电柜监控系统的数据存储部分，能够存储电池的状态和充电过程等数据，以便进行历史记录和分析。

（3）电池控制模块。这个接口负责控制电池通道的选择，根据需求将电池从相应的通道取出或放入。

（4）仓门控制模块。这个接口用于控制电池仓门的开启和关闭。当需要更换电池时，该接口会收到中央控制单元的指令，解锁相应的电池仓门。在电池更换完成后，接口会自动锁定仓门，确保电池的安全性。

（5）OTA（Over The Air）。OTA 通过移动通信的空中接口对移动设备进行远程管理和维护。在空中接口上，OTA 固件可以实现软件程序远程更新、配置、升级和修复等功能。

（6）5G 通讯模块。5G 是指第五代移动电话行动通信标准，具有更高的数据传输速率、更低的延迟、更大的网络容量和更低的能耗。

（7）电源控制模块。电源控制模块主要有充电管理和放电控制及保护功能。充电管理可实现控制系统对电池组的智能充电管理。放电控制可以监测电池组的电压和电流，并根据负载的情况和电池电量的状态，合理地分配放电电流，以确保电池能够稳定工作并延长其使用寿命。保护功能能够在电池组发生过流、过压、欠压等异常情况时，及时切断电源或采取其他保护措施，以避免电池组受到损害或产生安全问题。

（8）温度传感器。温度传感器可以用来监测电柜仓内的温度变化，以便预防电池故障，保障电池安全。

（9）烟雾传感器。烟雾传感器的主要功能是监测换电柜内部是否有火灾或烟雾。当传感器检测到烟雾时，它会立即触发警报或触发灭火系统等安全措施，以防止火灾的发生或扩大。

（10）电池通讯 RS-485 接口。RS-485 接口用于与每个电池进行通信，获取电池的实时容量、充电电压、放电电压、充电电流、放电电流、温度等，并且能够实现电柜内数据的传输和共享。

2.3 换电 APP 系统

换电 APP 是一种移动端应用软件，也是共享换电系统中重要的模块之一，用于管理和查询换电柜的使用情况，以及进行电池更换等操作。换电APP 系统主要包括用户登录和注册、换电柜地图、电池信息、电池详情、换电扫描、押金服务、换电套餐、我的订单、故障保修等功能（参见图4）。用户可以下载该 APP，完成注册、登录，以及支付押金和套餐后，扫描换电柜上的二维码即可在线租赁和更换锂电池。

图4 换电 APP 系统

3 共享换电系统的应用和展望

共享换电系统是一种基于大数据、物联网技术、5G 管理技术的智能换电系统，旨在为用户提供更方便、快捷的换电服务。未来，共享电动自行车换电系统将有以下几个方面的应用和展望：

在应用方面，换电模式可以让用户将没有电的锂电池和充满电的锂电池进行更换，使整个换电过程简单便捷。具体来说，当电动自行车的电池电量不足时，可以通过 APP 地图迅速查询到可以换电的换电柜。用户支付押金和购买租用套餐后，只需使用移动 APP 扫一扫，将电动自行车原有的电池组拆下来，更换成满电的锂电池。整个换电过程只需要 15 s[4]。

在技术方面，随着锂电池管理技术的不断发展，共享电动自行车换电系统的充电系统、安全监控系统等的技术水平也在不断提高。电池的充电速度、使用寿命和安全性将得到进一步提升，同时系统的智能化程度也将更高，为用户提供更加智能化的服务。

就普及程度来说，随着电动自行车的普及和城市化进程的加快，共享电动自行车换电系统的普及程度也将不断提高。未来，它将成为城市出行领域的重要一环，为用户提供更加便捷、环保的出行方式[5-6]。

4 结束语

共享换电系统是一种基于大数据、5G、物联网技术的智能充电系统，通过更换电池来给电动自行车提供电力。共享换电系统相比于传统的电动车充电系统具有便捷、安全、智能化的特点[7]，可以大幅缩短电动车的充电时间和使用效率，解决了铅酸蓄电池续航能力差、生命周期短、充电不方便等问题。该共享换电系统采用智能扫码换电、智能监控，有效解决了公共交通绿色环保问题，同时促进了我国公共交通的转型升级，形成了良好的示范效应。未来，随着技术的不断发展，换电系统的功能和性能也将不断优化和完善，为电动自行车用户提供更多的支持和保障。