0 引言

在全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展和現(xiàn)代化進(jìn)程的加速下,能量資源愈加匱乏,化石能源的使用問題已經(jīng)成為不得不考慮的問題^[1]。在這樣的情況下,低碳、性價(jià)比、環(huán)保已經(jīng)成為世界能源發(fā)展的重要標(biāo)準(zhǔn)^[2]。目前,世界各國(guó)均開展了以清潔能源替代傳統(tǒng)能源的各項(xiàng)工作,其中以新能源汽車代替燃油汽車成為一項(xiàng)重要的推行工作^[3]。電動(dòng)汽車具有用環(huán)保、清潔高能的特點(diǎn),深受歡迎^[4],但隨著電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展,充電接口的通用性和充電服務(wù)的自助性問題變得尤為突出。

電動(dòng)汽車充電通常需要數(shù)小時(shí),給充電樁帶來巨大的使用負(fù)擔(dān)^[5]。如何讓用戶能夠及時(shí)了解充電站負(fù)荷狀態(tài),充電樁使用情況、充電站位置等信息成為了關(guān)鍵^[6]。目前各國(guó)都展開了電動(dòng)汽車充電導(dǎo)航、電池充電模型、有序充電等課題的研究^[7-9],我國(guó)進(jìn)行了負(fù)荷模型建立和需求響應(yīng)電價(jià)聯(lián)合等業(yè)務(wù)研究,其中,韓海英等就電動(dòng)汽車參與電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻的控制策略展開研究^[10],陳駿、高唯峰基于V2G技術(shù)展開電動(dòng)汽車隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度和雙向充電研究^[11-12],廖強(qiáng)強(qiáng)等就高峰負(fù)荷時(shí)段車網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行智能調(diào)度展開研究^[13]。但這些工作都是針對(duì)單方面內(nèi)容進(jìn)行深入研究,沒有將這些研究成果實(shí)用化,無法實(shí)現(xiàn)用戶自助充電服務(wù)的需求。

因此,本文將針對(duì)充電服務(wù)中存在的問題,對(duì)充電服務(wù)過程中充電業(yè)務(wù)對(duì)總線協(xié)議的兼容性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì),對(duì)用戶充電服務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的功能設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)用戶充電過程的自助化。隨著本文研究的不斷深入,充電服務(wù)必將走向智能化、通用化、自助化的過程,使充電的各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)可視、可控,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車作為特殊的移動(dòng)負(fù)荷接入電網(wǎng)的智能調(diào)度,推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)工作。

 1 自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依托系統(tǒng)中移動(dòng)端APP與充電樁產(chǎn)生的信息資源,按照運(yùn)營(yíng)單位的管理要求和客戶的服務(wù)需求,構(gòu)建延伸至充電樁內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)將提供資源共享、靈活互動(dòng)、管控有力的電動(dòng)汽車充電服務(wù)與管理手段。

1.1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用分層進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行,分層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求,整體完善服務(wù)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性。系統(tǒng)邏輯上分為3個(gè)層次,分別面向不同的功能主體,主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)Fig.1 System logic framework

1）感知層：上行方向以系統(tǒng)的前端設(shè)備作為媒介采集電動(dòng)汽車充電接口類型數(shù)據(jù)、電池?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)、充電所需時(shí)間、充電樁運(yùn)行狀態(tài)等服務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并采集用戶的充電服務(wù)請(qǐng)求,包括充電預(yù)約及充電模式等請(qǐng)求指令。下行方向接收系統(tǒng)的充電服務(wù)控制指令、充電服務(wù)指標(biāo)反饋等信息。

2）網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)化、通用接口協(xié)議傳輸、應(yīng)用層控制指令下傳等,實(shí)現(xiàn)其他充電應(yīng)用系統(tǒng)在現(xiàn)有通信總線上的兼容性及不同型號(hào)電動(dòng)車服務(wù)請(qǐng)求的通用性。

3）應(yīng)用層：應(yīng)用層面向系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用及功能,包括工況分析、交易管理、系統(tǒng)管控、監(jiān)控管理等功能,以多元化的功能映射實(shí)現(xiàn)服務(wù)的自助化。

1.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)由三大部分組成：自助充電云服務(wù)器、智能充電樁系統(tǒng)和自助充電服務(wù)手機(jī)客戶端APP,各子系統(tǒng)分別面向不同業(yè)務(wù)層及對(duì)象,協(xié)同完成自助充電業(yè)務(wù)。系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 自助充電云服務(wù)器

自助充電云服務(wù)器從物理組成上分為主站W(wǎng)eb服務(wù)器、主站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及采控前置服務(wù)器。主站W(wǎng)eb服務(wù)器與系統(tǒng)管理側(cè)相連,提供管理員對(duì)于充電業(yè)務(wù)的管控;主站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負(fù)責(zé)處理充電樁的負(fù)荷信息、用戶電量信息、電網(wǎng)負(fù)荷指令及地圖調(diào)用信息等;采控前置服務(wù)器通過無線傳輸與自助充電服務(wù)APP及智能充電樁連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并傳輸充電業(yè)務(wù)的控制指令。

圖2 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)Fig.2 System physical structure

1.2.2 智能充電樁系統(tǒng)

智能充電樁系統(tǒng)整合了當(dāng)前市場(chǎng)上的各類充電接口型號(hào),通過對(duì)各類接口的研究,設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)模型及標(biāo)準(zhǔn)接口,以匹配當(dāng)前市場(chǎng)上各類電動(dòng)汽車的型號(hào),讓充電系統(tǒng)真正面向所有電動(dòng)汽車,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“通用”充電服務(wù)的功能和需求。

1.2.3 自助充電服務(wù)手機(jī)客戶端APP

手機(jī)客戶端作為自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)的重要前端,手機(jī)客戶端APP并不與充電樁直接相連,采用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器端進(jìn)行相連,通過系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行指令的處理和管控。

 2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)通用接口協(xié)議設(shè)計(jì)

自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)接口從邏輯上分為外部接口及用戶接口。外部接口指主站服務(wù)器與充電樁硬件之間的通信接口;用戶接口指自助充電手機(jī)客戶端和系統(tǒng)主站服務(wù)器之間的通信接口。系統(tǒng)接口邏輯架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)接口邏輯架構(gòu)Fig.3 The logic framework of system interface

外部接口協(xié)議采用CAN2.0總線協(xié)議,傳輸中采用標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)共線及一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式,滿足服務(wù)器與充電樁之間進(jìn)行主行問答以及在信道支持的情況下充電樁自主上報(bào)方式的通信,保證不同型號(hào)電動(dòng)汽車接入系統(tǒng)時(shí)的兼容性。系統(tǒng)通過外部接口及用戶接口對(duì)投入使用的充電設(shè)施的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)/定時(shí)采集,完成對(duì)數(shù)據(jù)的收集分析,并在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后,反饋到電動(dòng)汽車用戶側(cè)系統(tǒng),使得用戶可以獲得所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)管理的數(shù)字化、自動(dòng)化,方便不同品牌電動(dòng)汽車順利接入系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)自助充電服務(wù)功能設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車自助充電通用服務(wù)系統(tǒng)是針對(duì)充電流程中每一環(huán)節(jié)進(jìn)行的整體設(shè)計(jì),完成各業(yè)務(wù)請(qǐng)求指令的模塊化實(shí)現(xiàn),包括地圖功能模塊、業(yè)務(wù)狀態(tài)模塊、充電支付模塊、充電控制模塊、查詢模塊等功能模塊。各功能模塊在自助充電服務(wù)APP上友好展現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了用戶充電業(yè)務(wù)的通用業(yè)務(wù),包括電站搜索、附近電站、充電地圖、掃碼充電、一鍵導(dǎo)航等業(yè)務(wù)。手機(jī)客戶端界面展示如圖4所示。

圖4 手機(jī)客戶端界面展示Fig.4 App display interface

用戶通過點(diǎn)選手機(jī)客戶端上的各項(xiàng)功能,實(shí)現(xiàn)充電業(yè)務(wù)的自助服務(wù)。除傳統(tǒng)服務(wù)外,客戶端還添加了針對(duì)用戶需求本身的我的愛車和一鍵導(dǎo)航功能,使充電業(yè)務(wù)更加人性化,服務(wù)更加自助化。通過注冊(cè)用戶電動(dòng)車輛信息,可讓系統(tǒng)自動(dòng)篩選可適配的充電終端并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程了解電動(dòng)汽車當(dāng)前電量、行駛里程、時(shí)間及耗電情況。同時(shí)還可以存儲(chǔ)用戶累計(jì)耗電量、碳減排、節(jié)油量、行駛里程等數(shù)據(jù)信息,為用戶充電行為挖掘、智能充電業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

 3 基于模糊規(guī)劃算法的一鍵導(dǎo)航功能設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車充電行為是一個(gè)多環(huán)節(jié)參與的過程,而眾多電動(dòng)汽車充電業(yè)務(wù)請(qǐng)求的指令采用樹形傳輸?shù)姆绞郊械皆贫朔?wù)器主站中,服務(wù)器根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷指令制定實(shí)時(shí)電價(jià),調(diào)度充電站的充電負(fù)荷。同時(shí),充電服務(wù)是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的業(yè)務(wù)過程,而目前電動(dòng)汽車數(shù)量遠(yuǎn)多于充電樁數(shù)量,電動(dòng)汽車在發(fā)出充電業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí),可能存在充電等待時(shí)間,造成充電成本增加。在服務(wù)器制定相關(guān)充電業(yè)務(wù)時(shí)需要綜合時(shí)間成本、路程成本以及充電價(jià)格成本等進(jìn)行量化處理,并應(yīng)用模糊規(guī)劃算法找到規(guī)劃?rùn)?quán)重,為用戶制定成本最優(yōu)充電方案,將方案轉(zhuǎn)化為一鍵導(dǎo)航功能,讓用戶更加方便合理地開展充電業(yè)務(wù)。

3.1 充電業(yè)務(wù)需求量化

1）充電路程成本量化

當(dāng)用戶需要進(jìn)行充電時(shí),手機(jī)客戶端APP可直接調(diào)用地圖廠商的地圖信息,包括從用戶當(dāng)前所在位置到附近可用充電站的距離D_i和充電汽車在路上行駛的時(shí)間T_Di（i為充電站編號(hào)）,系統(tǒng)將直接調(diào)用該距離信息作為建模使用的距離成本量化指標(biāo)D_i。

2）充電時(shí)間成本量化

充電時(shí)間成本T_i包括3部分：充電汽車在路上行駛的時(shí)間T_Di、需要等待前序充電汽車結(jié)束的排隊(duì)時(shí)間T_Wi 以及充電實(shí)用時(shí)間T_Ci。其中,T_Di直接調(diào)用地圖軟件計(jì)算出的預(yù)計(jì)時(shí)間,以減輕系統(tǒng)運(yùn)算量。充電實(shí)用時(shí)間T_Ci如下式所示：

 （2）

式中：T_Ci為選擇第i座充電站充電實(shí)用時(shí)間;T_Wi為第i座充電樁的排隊(duì)等待時(shí)間;P為充電樁單位時(shí)間充電電量,E_N為充電汽車電池所需充電電量,等于充電汽車電池電池總?cè)萘?/span>E_S減充電池剩余電量E_X。

3）充電價(jià)格成本量化

單位時(shí)間充電價(jià)格成本c_i是單位時(shí)間充電電價(jià)c_ci、單位時(shí)間停車費(fèi)c_pi及單位時(shí)間服務(wù)費(fèi)c_si之和,因此充電價(jià)格總成本量化指標(biāo)C_i如公式（3）所示：

 （4）

式中：T_D為電動(dòng)車到達(dá)目的充電站需時(shí)間。上式表示電動(dòng)汽車行駛到充電站時(shí)電量未耗盡,否則放棄選擇該充電站。

3.2.2 業(yè)務(wù)模型求解

一鍵導(dǎo)航功能業(yè)務(wù)目標(biāo)函數(shù)求解的過程是一個(gè)將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)的過程,因此模型將采用模糊規(guī)劃法進(jìn)行目標(biāo)化簡(jiǎn)。

模糊規(guī)劃法不同于理想點(diǎn)規(guī)劃法及線性加權(quán)法,不是單單針對(duì)模型各項(xiàng)指標(biāo)求解最小值或最大值作為模型最終評(píng)價(jià)體系,而是針對(duì)模型中指標(biāo)評(píng)價(jià)保證各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到最優(yōu)化,或者能趨于均衡。通常狀況下,這種趨于均衡的考量過程是