ETC系統(tǒng)中OBU電源子系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

劉曉曦，巴繼東（.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074；.武漢長江通信智聯(lián)技術(shù)有限公司 湖北 武漢 43000）

ETC系統(tǒng)中OBU電源子系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

劉曉曦1，巴繼東2
（1.武漢郵電科學(xué)研究院 湖北 武漢 430074；2.武漢長江通信智聯(lián)技術(shù)有限公司 湖北 武漢 430010）

OBU-On Board Unit，即車載單元。在ETC系統(tǒng)中，OBU與路側(cè)單元RSU相互通訊，實現(xiàn)在不停車的情況下進(jìn)行車輛身份識別，電子扣費，實現(xiàn)不停車、免取卡，建立無人值守車輛通道。文章闡述了一套OBU的系統(tǒng)架構(gòu)，并針對市場需求，基于設(shè)計出高穩(wěn)定性、高性價比OBU的目的，通過對OBU電源系統(tǒng)的詳細(xì)研究、對OBU功耗的具體分析，結(jié)合模擬實際使用環(huán)境的測試，總結(jié)出其核心參數(shù)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提出了一套完整、詳細(xì)的OBU電源系統(tǒng)方案及實現(xiàn)。

電子不停車收費系統(tǒng)；車載單元；路側(cè)單元；電源系統(tǒng)

電子不停車收費系統(tǒng)ETC（Electronic Toll Collection），作為世界上最先進(jìn)的智能收費系統(tǒng)，給人們的生活帶來極大的方便［1］。隨著ETC的應(yīng)用越來越普及、應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，其車載單元OBU（On Board Unit）的需求量隨著車輛數(shù)量的增加而快速增長，故性能穩(wěn)定、性價比高的OBU的研發(fā)與產(chǎn)品化成了各大ETC設(shè)備研發(fā)單位急需解決的問題。在OBU的使用中，一旦貼到用戶的車輛上開始使用，便要保證在很長一段時間內(nèi)無需維護(hù)而正常運行，故在OBU的設(shè)計中，電源系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)很大程度上影響和決定了OBU的穩(wěn)定性和性價比。因此高性能的電源系統(tǒng)便成了OBU設(shè)計的主要難點之一。結(jié)合OBU的國家標(biāo)準(zhǔn)和市場需求，文中簡述了OBU的一種系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)，并對電源系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的研究、分析和測試，提出一套完整的、可靠的OBU電源系統(tǒng)解決方案。

1　OBU的系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)

OBU是一種具有微波通信功能和信息存儲功能的移動識別設(shè)備，是構(gòu)建ETC系統(tǒng)的重要組成部分。OBU主要完成車輛數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)的存儲和讀寫，并通過跟RSU進(jìn)行信息的交互。其功能由一個單片機(jī)系統(tǒng)來實現(xiàn)，采用“ESAM卡存儲模塊+微波通信模塊”的組合結(jié)構(gòu)，從功能的設(shè)計上劃分為MCU模塊、防拆開關(guān)模塊、電源控制模塊、ESAM卡模塊、交易指示功能模塊和射頻模塊［2］。各模塊實現(xiàn)的功能如下：

MCU模塊：完成協(xié)議處理、數(shù)據(jù)儲存、中斷響應(yīng)、電路控制、電源管理、對外通訊等功能；

防拆開關(guān)模塊：放拆模塊實現(xiàn)把OBU拆除信號，通過MCU的I/O產(chǎn)生外部中斷，進(jìn)行相應(yīng)處理；

電源控制模塊：電源控制電路通過CPU控制各模塊的上電與斷電，以實現(xiàn)低功耗的目的；

ESAM卡模塊：單板通過ESAM卡模塊實現(xiàn)交易信息的安全處理；

交易指示功能模塊：通過紅綠燈和蜂鳴器實現(xiàn)交易情況、電量情況等的指示功能；

射頻模塊：通過5.8 GHz射頻芯片實現(xiàn)與RSU的通信。

其具體系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

2　OBU電源系統(tǒng)的研究與分析

下面根據(jù)國標(biāo)和市場需求，設(shè)計一套完整、詳細(xì)的OBU電源系統(tǒng)的架構(gòu)和實現(xiàn)方法。

圖1　OBU系統(tǒng)框架圖

2.1電源系統(tǒng)參數(shù)的選定

根據(jù)國標(biāo) 《電子收費專用短程通信第4部分：設(shè)備應(yīng)用GB/T 20851.4—2007》［3］：“5.1.8可靠性—OBU平均無故障時間應(yīng)大于50 000 h”；“5.1.9平均免維護(hù)時間：OBU平均免維護(hù)時間不小于2年（按每天10次交易計算）”。并且，市場上所有ETC設(shè)備廠商均宣稱OBU的壽命不小于5年。綜合考慮ETC交易過程，假設(shè)車輛進(jìn)入ETC車道后，從被喚醒到進(jìn)行交易所需時間為T1，從交易結(jié)束到進(jìn)入睡眠模式所需時間為T2，完整完成一次交易所需時間為T；OBU電壓為U；OBU的工作電流和靜態(tài)電流分別為I1、I2；用戶每天的交易次數(shù)為N。則：

平均每天的工作功耗：

W1=U×I2×10-3×N（T+T1+T2）；

平均每天的靜態(tài)功耗：

W2=U×I1×10-6×［86 400-N（T+T1+T2）］；

平均每年的功耗：

W=365×（W1+W2）；

業(yè)內(nèi)各ETC廠商均能確保T=0.25 s，按照國標(biāo)規(guī)定喚醒時間≤5 ms，可暫定T1=T2=5 ms，故采用3.6 V 1 200 mAh的電池作為電源電池。為了保障OBU的性能，提高OBU的使用年限，可采用3.6 V 1 200 mAh鋰電池配合太陽能電池板聯(lián)合供電的電源供電方案。

2.2電源系統(tǒng)電路設(shè)計

電源系統(tǒng)電路設(shè)計如圖2所示。經(jīng)過計算和分析，本系統(tǒng)采用3.6 V鋰電池與弱光型太陽能電池聯(lián)合供電，當(dāng)光照充足時，太陽能模塊向CC1電容充電，待其充滿后在無光照時CC1放點可向MCU供電。若太陽能無法正常工作，可由BAT1鋰電池向MCU供電，來保證系統(tǒng)正常工作。

圖2　電源系統(tǒng)電路

2.3電源系統(tǒng)電池的選擇

在ETC系統(tǒng)中目前依然主要采用的是有源RFID工作模式，因此電池的壽命原則上來說就是收費卡的生命。目前的要求往往是5年以上。

ETC項目對于電池的要求：

1）由于收費卡經(jīng)常需要安放在駕駛室的前端甚至是擋風(fēng)玻璃上，因此電池要能夠忍受長期高溫和低溫，尤其是高溫的影響，而且還要克服每天高低溫交錯的影響，這些都對電池來說都是殘酷的考驗。

2）在電池工藝結(jié)構(gòu)方面要能忍受振動甚至潮濕的影響。這方面鋰亞電池更加合適，因為它是激光密封的，比其他電池用橡膠圈密封要可靠得多。

3）電池自漏電低（鋰亞電池的特長），能保證收費卡至少5年以上的壽命。

4）車輛有可能長期沒有跑高速（比如1～2個月以上），收費卡沒有工作，但電池不能出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象（鋰亞電池特有的缺陷）。因為電池出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象會造成電池電壓滯后，整個收費卡不能正常工作，從而讀卡通信失敗。

5）由于安裝條件的限制，電池體積要盡量小。

6）在一些ETC項目中，兩片式的通信卡（國外是單片式）采用的是非接觸卡，非接觸卡的讀取需要消耗比較高的電源功率，電流脈沖一般達(dá)到50～100 mA［4］，一般小型化鋰亞電池?zé)o法承受這樣的功率需求。

為了滿足以上的需求，對比市面上的多種電池，我們最終發(fā)現(xiàn)一款電池較為合適。該電池的設(shè)計壽命長達(dá)20年，并且除了保持長壽命的特點外，還能做到長期存放后，在惡劣環(huán)境下放電而且無電壓滯后、無須激活并同時能大功率放電，甚至持續(xù)大功率放電。還能實現(xiàn)體積小、重量輕和容量大等特性［5］。

故在本系統(tǒng)中采用該鋰電池和復(fù)合電容搭配太陽能電池板［6］進(jìn)行供電。

3　OBU電源系統(tǒng)的實現(xiàn)與測試

根據(jù)OBU的實際使用情況，其靜態(tài)電流≤5 μA，最大工作電流≤100 mA。下面對電源系統(tǒng)進(jìn)行實際的測試：

3.1鋰電池連接36 Ω電阻放電測試

鋰電池，電壓3.6 V，為實現(xiàn)最大工作電流100 mA，我們將其連接36 Ω電阻，測試其放電情況。如圖3、圖4所示。

圖3　鋰電池放電曲線

經(jīng)測試，該鋰電池在室溫下連接36 Ω電阻，大約2小時，電量降至2.6 V以下 （經(jīng)實際測試，OBU在電源電壓為2.2 V以上時能正常交易，為確保其工作的穩(wěn)定性，我們設(shè)定OBU正常工作的臨界電壓為2.6 V）。

計算可得，該鋰電池靜態(tài)工作即電流為5 μA時，可持續(xù)工作4萬多小時，可保證正常工作近5年。

3.2復(fù)合電容連接36 Ω電阻放電測試

復(fù)合電容，電壓3.6 V，為實現(xiàn)最大工作電流100 mA，同樣將其連接36 Ω電阻，測試其放電情況，如圖4所示。

圖4　復(fù)合電容放電曲線

經(jīng)測試，該復(fù)合電容在室溫下連接36 Ω電阻，大約7分鐘，電量降至2.6 V一下 （經(jīng)實際測試，OBU在電源電壓為2.2 V以上時能正常交易，為確保其工作的穩(wěn)定性，我們設(shè)定OBU正常工作的臨界電壓為2.6 V）。

計算可得，該復(fù)合電容靜態(tài)工作即電流為5 μA時，可持續(xù)工作2千3百多小時，近100天。

3.3HLC-1020復(fù)合電容連接36 Ω電阻充放電測試

將TADIRAN復(fù)合電容HLC-1020連接太陽能電池板，測試其在光照環(huán)境下充電及放電情況，如圖5～圖8所示。

在天氣晴朗的環(huán)境下，將TADIRAN復(fù)合電容HLC-1020放電至電壓為2.22 V，放電結(jié)束10分鐘后連接太陽能電池板放置在光照處（為模擬車輛環(huán)境，在太陽能電池板前放置一塊擋風(fēng)玻璃）充電，未連接電阻。經(jīng)過4小時電壓升至3.459 V。放置一段時間后，連接36Ω電阻進(jìn)行放電測試，經(jīng)8分鐘，電壓降至2.698 V。

圖5　HLC-1020充電曲線（第一次）

圖6　HLC-1020第一次充電后放電曲線

圖7　HLC-1020充電曲線（第二次）

圖8　HLC-1020第二次充電后放電曲線

在陰雨環(huán)境下，將TADIRAN復(fù)合電容HLC-1020放電至電壓為2.22 V，放電結(jié)束25分鐘后連接太陽能電池板放置在光照處（為模擬車輛環(huán)境，在太陽能電池板前放置一塊擋風(fēng)玻璃）充電，電容連接55.5 kΩ電阻。經(jīng)過6.5小時電壓升至3.474 V。立即連接36 Ω電阻進(jìn)行放電測試，經(jīng)過7分鐘，電壓降至2.665 V。

以上測試表明，單獨使用3.6 V、1 200 mA鋰電池可保證OBU正常使用5年；由太陽能電池板接受光能充電的復(fù)合電容充電半天可持續(xù)工作7分鐘、休眠狀態(tài)可保證供電3個月。實際測試數(shù)據(jù)均顯示，鋰電池搭配可充電復(fù)合電容可確保至少5年內(nèi)OBU穩(wěn)定運行，不會因電源系統(tǒng)供電不足而影響使用。此套OBU電源系統(tǒng)解決方案為OBU的高穩(wěn)定性運行提供了可靠的保障。

4　結(jié)束語

ETC的應(yīng)用越來越廣泛，作為ETC的重要組成部分，OBU的設(shè)計性能直接影響到整個ETC系統(tǒng)的性能。而OBU的設(shè)計重點之一就是電源系統(tǒng)的設(shè)計。

文中簡述了OBU的一種系統(tǒng)架構(gòu)和實現(xiàn)，并對其最主要的難點之一電源系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究、分析和測試，總結(jié)出電源系統(tǒng)的需求和核心參數(shù)的設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，提出了OBU電源系統(tǒng)的具體架構(gòu)和實現(xiàn)方法，從而形成一套完整、詳細(xì)的OBU電源系統(tǒng)解決方案，為研發(fā)和生產(chǎn)高穩(wěn)定性、高性價比的OBU提供有力的支持和可靠的保障。

［1］國內(nèi)高速公路行業(yè)ETC市場研究及發(fā)展方案報告［R］. 2013:6-9.

［2］許菲，李新友.ETC系統(tǒng)中車載單元的研究與實現(xiàn)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報:交通科學(xué)與工程版，2011，35（5）:1049-1053.

［3］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會.GB/T 20851.1-2007電子收費專用短程通信［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會，2007.

［4］殷聰.5.8 GHz RFID電子標(biāo)簽的硬件設(shè)計［Z］.2011.

［5］關(guān)于長壽電池使用的技術(shù)解析［Z］.2013.

［6］任航，葉琳.太陽能電池的仿真模型設(shè)計和輸出特性研究［J］.電力自動化設(shè)備，2009（10）:112-115.

Realization and research of OBU power system in ETC

LIU Xiao-xi1，BA Ji-dong2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，WuHan 430074，China；2.Wuhan YCIG iLink TechnologyCo.，Ltd，WuHan 430010，China）

OBU-On Board Unit，it is the vehicle unit.In Electronic Toll Collection（ETC）system，OBU and Road Side Unit （RSU）communicate with each other and make identification cars without parking，electronic payment，building unattended vehicle lane become possible.At first of this paper，it expound the system architecture of OBU，than it gives detailed research，analysis and test，summarized core parameters of this system.In the end，it depending on current market，makes a complete，detailed solution of On Board Unit power supply system.

Electronic Toll Collection（ETC）；On Board Unit（OBU）；Road Side Unit（RSU）；power system

TN925

A

1674－6236（2016）11-0163-03

2015-06-01稿件編號：201506013

劉曉曦（1988—），女，湖北武漢人，碩士研究生，硬件工程師。研究方向：通信，物聯(lián)網(wǎng)。