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【摘 要】科技在不断的发展，社会在不断的进步，电动汽车充电导航便于用户合理选择充电站，降低用户自身的时间成本和经济成本，缓解配电网端的负荷压力。本文在电网分时电价的基础上，考虑电动汽车充电路径的选择和车主的驾驶行为密切相关，通过对电动汽车的负荷设备分类建模，根据不同设备类型的重要程度及用户的电动汽车实际工况和地形因素，利用遗传算法分析最佳出行路径，提出了以时间成本与经济成本之和最优为目标，引导用户驾驶行为的充电导航策略。最后，在20km*10km含三个充电站的区域内，通过三种不同充电导航策略仿真结果对比，验证了所提导航策略的可行性和有效性。
【关键词】充电导航;时间成本;经济成本;分时电价;驾驶行为
引言
目前，随着城市的发展，传统能源不断枯竭，汽车尾气产生的环境污染越来越严重，有必要发展节能环保的新能源汽车来逐步取代使用汽油作为燃料的传统汽车。而电动汽车使用可再生的电能，并且环保高效，值得推广。从用户方来说，用户希望实时了解充电桩的位置信息、电价信息、导航信息，后台管理者也需要了解各用户和充电桩的信息，并根据大数据分析结果制定电价策略，引导用户有序充电。如何解决这一问题已经成为了目前的重要研究课题。因此在本项目中，设计了基于互联网+智能充电引导系统，用户可以通过手机实现充电装置状态查询、定位导航、充电预约及智能充电与充电装置锁定等功能。后台通过内置在汽车中已经连接CANBUS总线的车载数据采集系统采集相关数据，并发回给服务器端，服务器端就可从远端实时监控汽车的电力状态。后台还可通过基于Hadoop的智能云服务器对用户充电状态进行大数据分析，然后给出用户合理的行驶建议，并为电动汽车大规模推广奠定智能服务的基础。
1智能充电管理系统组成
本次构成主要包括移动客户端APP、云服务器以及智能充电桩，其中，移动客户端APP是重要的用户参与用电管理的接口，通过APP软件，查询充电桩状态和位置，并予以充电预约和定位导航;云服务器用于电动汽车对数据的挖掘、维护、加工、存贮、搜集以及发布等等，主要由平台软件、外围设备、存储设备、网络设备以及计算机等组成，无论是硬件还是软件，均具有较高的可扩展性与可靠性。在智能充电桩中，内置Wi-Fi通信模块，并通过光纤网、2G、3G、4G网传送信息于云服务器，用户可利用平板电脑、智能手机等终端设备，利用码分多址和无线分组业务，实现云服务器的通信。
2引导电动汽车用户驾驶行为的充电导航策略
2.1充电导航路径规划
电动汽车的充电导航路径规划主要从用户的角度出发，假设用户从出发点S到达目的地O，其考虑的充电方案主要有两种。首先，为了尽快抵达目的地而选择总的行程时间最短的充电方案。其次，不在乎行程时间的长短，只关心本次出行总的行程经济成本的充电方案。因此将目标函数定义为：min{α·T+β·Cactual}其中，α、β仅取0值或1值。α=0，β=1表示总的行程经济成本最低的充电导航方案;α=1，β=0表示总的行程时间最短的充电导航方案。T为电动汽车总的行程时间，Cactual为电动汽车行程经济成本。
2.2车载智能数据系统设计
车载智能系统主要获取用户的车辆定位信息，这时需要GPS模块获得车辆定位信息，还包括速度、方向、经纬度等信息，然后通过异步串行通信方式传给主控制模块。车辆的电池管理系统通过汽车的CANBUS总线把电池信息传送给主控制模块。同时，这些信息通过Modbus协议封装在主控制器存储器中（SD卡）。当主控制器收到服务器获取车辆信息的指令时，主控制器将已经封装成Modbus报文的GPS信息和电池信息通过4G移动网络传送给数据分析中心，也就是新能源汽车的监控平台进行分析处理。监控平台通过上位机软件对数据进行解包、显示、监控、储存、分析、挖掘，后台运营者监控每台汽车的电量信息、位置信息，也为下一步进行合理规划充电桩和指导电动汽车生产厂家进行技术改进提供支持。
2.3电动汽车行程经济成本
以往的电动汽车行程经济成本通常定义为行程花费或仅仅为充电费用的形式。考虑到在忽略电价变化影响的情况下，电动汽车与充电站距离越短就意味着需充电电量越少，行程花费越低，但是该情形下在抵达目的地时最终剩余电量也更少，并不能很好的反映电动汽车用户对总的行程经济成本最低的要求。
2.4智能充电桩
1）MCU单元作为控制核心的MCU，本系统主要选择高性价比、低能耗的CORTEX-MO芯片，利用串行、串口外围设备接口总线以及Wi-Fi通信模块，以I2C总线实现Flash储存单元通信，以485总线实现数据电表通信，利用接触器连接驱动电机，控制充电电能的通断。2）电源转换模块该模块可以将交流电转化为直流电，并设置不同需求的电压等级，为其他电路提供电源供能。3）Wi-Fi通信模块运用Wi-Fi通信模块实现充电装置电能、功率、电流、远程控制信息等数据上报。4）保护单元主要包括漏电保护器、防雷器，避免电压侵入导致设备破坏，还避免因漏电故障导致的人身触电。
2.5车主方充电管理导航系统APP设计
该系统采用三层架构进行设计，分为视图层、业务逻辑层和业务实体层。①视图层，与用户交互的界面，响应用户的请求，调用业务逻辑层的接口进行逻辑处理，根据结果以不同的形式展现给用户。视图层包含查询界面、控制界面、状态显示、支付结算、地图显示。②业务逻辑层，业务逻辑层主要完成对视图层所有功能的业务逻辑支撑，主要包括状态显示功能、查询功能、控制功能、支付功能、地图功能。③业务实体层，包含了各个业务实体，对网关服务器的数据请求、数据解析;对平台服务器的数据请求、数据解析;数据库维护。手机的导航部分采用高德地图API作为平台的地理信息系统的处理支撑平台，基本原理是通过在智能硬件设备上获取定位数据，传给服务端进行处理，最后在手机软件内进行地图、路线规划、POI检索、轨迹追踪等功能展示。采用高德地图API的优势：高德地图能够比较轻松的实现智能搜索，导航准确，并且不仅能检索高德母库数据，还能检索自有位置数据，由于充电桩数据不一定已经收录在高德地图中，因此可以充分利用高德云图，将充电桩数据放置在高德云图中，轻松托管海量位置数据。通过高德地图SDK、定位SDK、街景SDK、云图SDK，帮助车主轻松定位导航到合适的充电桩。手机客户端软件依据用户需求，选用业务逻辑层相应的模块，业务逻辑层负责业务流程的组织，并调用业务实体层的模块，通过网关服务器接口（或平台服务器接口）同网关服务器（或平台服务器）进行信息交换。
结语
1）考虑用户实际行驶工况和地形因素的导航策略更加合理。2）根据用户实际行驶工况进行的驾驶行为引导能有效避免车辆因电量不足而导致的中途抛锚的意外情况发生，同时能够规划出对用户更加有利的充电路径。3）相对于以往的充电导航策略，本文不仅考虑了充电时间和充电花费，同时考虑了电动汽车最终抵达目的地时剩余电量对用户成本的影响，使得路径选择更符合车主利益。然而，本方法并未考虑到实际的交通拥堵、天氣变化等因素给电动汽车车主出行路径带来的影响。在未来的工作中，全面的考虑电动汽车车主实际出行环境，同时提供基于位置服务的交通导航和充电导航以满足不同车主的需求将是进一步研究的主要内容。
参考文献：
[1]罗艳托，汤湘华.全球电动汽车发展现状及未来趋势[J].国际石油经济，2018，v.26（07）：66-72.
[2]管晓宏，关新平，郭戈.信息物理融合系统理论与应用专刊序言[J].自动化学报，2019，45（01）：1-4.
（作者单位：国网镇江供电公司）
【关键词】充电导航;时间成本;经济成本;分时电价;驾驶行为
引言
目前，随着城市的发展，传统能源不断枯竭，汽车尾气产生的环境污染越来越严重，有必要发展节能环保的新能源汽车来逐步取代使用汽油作为燃料的传统汽车。而电动汽车使用可再生的电能，并且环保高效，值得推广。从用户方来说，用户希望实时了解充电桩的位置信息、电价信息、导航信息，后台管理者也需要了解各用户和充电桩的信息，并根据大数据分析结果制定电价策略，引导用户有序充电。如何解决这一问题已经成为了目前的重要研究课题。因此在本项目中，设计了基于互联网+智能充电引导系统，用户可以通过手机实现充电装置状态查询、定位导航、充电预约及智能充电与充电装置锁定等功能。后台通过内置在汽车中已经连接CANBUS总线的车载数据采集系统采集相关数据，并发回给服务器端，服务器端就可从远端实时监控汽车的电力状态。后台还可通过基于Hadoop的智能云服务器对用户充电状态进行大数据分析，然后给出用户合理的行驶建议，并为电动汽车大规模推广奠定智能服务的基础。
1智能充电管理系统组成
本次构成主要包括移动客户端APP、云服务器以及智能充电桩，其中，移动客户端APP是重要的用户参与用电管理的接口，通过APP软件，查询充电桩状态和位置，并予以充电预约和定位导航;云服务器用于电动汽车对数据的挖掘、维护、加工、存贮、搜集以及发布等等，主要由平台软件、外围设备、存储设备、网络设备以及计算机等组成，无论是硬件还是软件，均具有较高的可扩展性与可靠性。在智能充电桩中，内置Wi-Fi通信模块，并通过光纤网、2G、3G、4G网传送信息于云服务器，用户可利用平板电脑、智能手机等终端设备，利用码分多址和无线分组业务，实现云服务器的通信。
2引导电动汽车用户驾驶行为的充电导航策略
2.1充电导航路径规划
电动汽车的充电导航路径规划主要从用户的角度出发，假设用户从出发点S到达目的地O，其考虑的充电方案主要有两种。首先，为了尽快抵达目的地而选择总的行程时间最短的充电方案。其次，不在乎行程时间的长短，只关心本次出行总的行程经济成本的充电方案。因此将目标函数定义为：min{α·T+β·Cactual}其中，α、β仅取0值或1值。α=0，β=1表示总的行程经济成本最低的充电导航方案;α=1，β=0表示总的行程时间最短的充电导航方案。T为电动汽车总的行程时间，Cactual为电动汽车行程经济成本。
2.2车载智能数据系统设计
车载智能系统主要获取用户的车辆定位信息，这时需要GPS模块获得车辆定位信息，还包括速度、方向、经纬度等信息，然后通过异步串行通信方式传给主控制模块。车辆的电池管理系统通过汽车的CANBUS总线把电池信息传送给主控制模块。同时，这些信息通过Modbus协议封装在主控制器存储器中（SD卡）。当主控制器收到服务器获取车辆信息的指令时，主控制器将已经封装成Modbus报文的GPS信息和电池信息通过4G移动网络传送给数据分析中心，也就是新能源汽车的监控平台进行分析处理。监控平台通过上位机软件对数据进行解包、显示、监控、储存、分析、挖掘，后台运营者监控每台汽车的电量信息、位置信息，也为下一步进行合理规划充电桩和指导电动汽车生产厂家进行技术改进提供支持。
2.3电动汽车行程经济成本
以往的电动汽车行程经济成本通常定义为行程花费或仅仅为充电费用的形式。考虑到在忽略电价变化影响的情况下，电动汽车与充电站距离越短就意味着需充电电量越少，行程花费越低，但是该情形下在抵达目的地时最终剩余电量也更少，并不能很好的反映电动汽车用户对总的行程经济成本最低的要求。
2.4智能充电桩
1）MCU单元作为控制核心的MCU，本系统主要选择高性价比、低能耗的CORTEX-MO芯片，利用串行、串口外围设备接口总线以及Wi-Fi通信模块，以I2C总线实现Flash储存单元通信，以485总线实现数据电表通信，利用接触器连接驱动电机，控制充电电能的通断。2）电源转换模块该模块可以将交流电转化为直流电，并设置不同需求的电压等级，为其他电路提供电源供能。3）Wi-Fi通信模块运用Wi-Fi通信模块实现充电装置电能、功率、电流、远程控制信息等数据上报。4）保护单元主要包括漏电保护器、防雷器，避免电压侵入导致设备破坏，还避免因漏电故障导致的人身触电。
2.5车主方充电管理导航系统APP设计
该系统采用三层架构进行设计，分为视图层、业务逻辑层和业务实体层。①视图层，与用户交互的界面，响应用户的请求，调用业务逻辑层的接口进行逻辑处理，根据结果以不同的形式展现给用户。视图层包含查询界面、控制界面、状态显示、支付结算、地图显示。②业务逻辑层，业务逻辑层主要完成对视图层所有功能的业务逻辑支撑，主要包括状态显示功能、查询功能、控制功能、支付功能、地图功能。③业务实体层，包含了各个业务实体，对网关服务器的数据请求、数据解析;对平台服务器的数据请求、数据解析;数据库维护。手机的导航部分采用高德地图API作为平台的地理信息系统的处理支撑平台，基本原理是通过在智能硬件设备上获取定位数据，传给服务端进行处理，最后在手机软件内进行地图、路线规划、POI检索、轨迹追踪等功能展示。采用高德地图API的优势：高德地图能够比较轻松的实现智能搜索，导航准确，并且不仅能检索高德母库数据，还能检索自有位置数据，由于充电桩数据不一定已经收录在高德地图中，因此可以充分利用高德云图，将充电桩数据放置在高德云图中，轻松托管海量位置数据。通过高德地图SDK、定位SDK、街景SDK、云图SDK，帮助车主轻松定位导航到合适的充电桩。手机客户端软件依据用户需求，选用业务逻辑层相应的模块，业务逻辑层负责业务流程的组织，并调用业务实体层的模块，通过网关服务器接口（或平台服务器接口）同网关服务器（或平台服务器）进行信息交换。
结语
1）考虑用户实际行驶工况和地形因素的导航策略更加合理。2）根据用户实际行驶工况进行的驾驶行为引导能有效避免车辆因电量不足而导致的中途抛锚的意外情况发生，同时能够规划出对用户更加有利的充电路径。3）相对于以往的充电导航策略，本文不仅考虑了充电时间和充电花费，同时考虑了电动汽车最终抵达目的地时剩余电量对用户成本的影响，使得路径选择更符合车主利益。然而，本方法并未考虑到实际的交通拥堵、天氣变化等因素给电动汽车车主出行路径带来的影响。在未来的工作中，全面的考虑电动汽车车主实际出行环境，同时提供基于位置服务的交通导航和充电导航以满足不同车主的需求将是进一步研究的主要内容。
参考文献：
[1]罗艳托，汤湘华.全球电动汽车发展现状及未来趋势[J].国际石油经济，2018，v.26（07）：66-72.
[2]管晓宏，关新平，郭戈.信息物理融合系统理论与应用专刊序言[J].自动化学报，2019，45（01）：1-4.
（作者单位：国网镇江供电公司）