电动汽车动力电池状态远程监测系统设计-CEA-计算机工程与应用

计算机工程与应用，53（21）1引言电动汽车是解决能源危机和环境污染问题的有效手段，然而，电池技术的相对落后制约了电动汽车的推广应用。电动汽车的动力电池状态可以通过电池管理系统（BMS）进行测量和管理，但是，目前的BMS大部分没有实现电池状态信息的远程监测[1-4]。在电动汽车运行的过程中，由于动力电池组的工作状态受不同环境因素的影响，电池在持续工作时，会出现如单体温度过高、电流过大、过放电和过充电等情况，对电池造成一定程度的损坏，甚至引起电池毁坏发生爆炸事件。利用电动汽车动力电池的远程监测系统，电动汽车厂商和车主可以实时了解电动汽车动力电池的工作状态和故障情况，电动汽车动力电池状态远程监测系统设计李晓辉1，张向文1，2，侯少阳1LIXiaohui1,ZHANGXiangwen1，2,HOUShaoyang11.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林5410042.桂林电子科技大学广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西桂林5410041.SchoolofElectronicEngineeringandAutomation,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin,Guangxi541004,China2.GuangxiKeyLaboratoryofAutomaticDetectingTechnologyandInstruments,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin,Guangxi541004,ChinaLIXiaohui,ZHANGXiangwen,HOUShaoyang.Designofremotemonitoringsystemforelectricvehiclepowerbattery.ComputerEngineeringandApplications,2017,53（21）：233-238.Abstract:Inordertomonitorthestatusandfaultconditionoftheelectricvehiclepowerbatteryinreal-time,andimprovetheoperationsecurityofelectricvehicles,aremotemonitoringsystemforBMSbasedonanewmobileoperationsystem-Androidisdesignedandimplementedinthispage.ThebatterystatedataandtheGPSdataarecollectedinthevehicleterminalandsenttotheremotemonitoringcenterbyGSM/GPRScommunicationmodule.Theremotemonitoringcenterreceives,storesandanalyzestheuploadedinformation,sothatachievesrealtimemonitoringofrunningstateofelectricvehicle,andanalyzesandevaluatesthebatteryperformance.Meanwhile,amobilephoneAPPisdeveloped,anditscommunicationwiththeWebserveroftheremotemonitoringcenterisrealizedbyHTTPprotocol,sotherunningstateofelectricvehicleandbatteryinformationcanbemonitoredwithaphoneinrealtime.Thesystemistested,anditsdesignrationality,reliabilityandstabilityareverified,soithasagoodapplicationprospects.Keywords:electricvehicle;powerbattery;remotemonitoring;GeneralPacketRadioService（GPRS）;Android摘要：为了实时监测电动汽车动力电池状态和故障情况，提高电动汽车运行的安全性，设计并实现了一种基于An-droid的电动汽车动力电池状态远程监测系统。该系统在车载端实时采集电池状态测量信息和位置信息，并将信息利用GSM/GPRS通信模块定时传送给远程监测中心；远程监测中心对上传的信息进行接收、存储和分析，实现对电动汽车运行状态的实时监测，对电池性能做出分析评价；同时开发了一款手机APP，利用HTTP协议实现与监测中心的Web服务器的通信，实现对电动汽车运行状态的实时监测。通过实验测试，本系统设计合理、运行稳定，具有良好的应用前景。关键词：电动汽车；动力电池；远程监测；通用分组无线服务技术（GPRS）；Android文献标志码：A中图分类号：TP277；TP37；TP393doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1605-0439基金项目：广西科学研究与技术开发课题（No.桂科重1348003-4）；广西自动检测技术与仪器重点实验室基金（No.YQ14111）。作者简介：李晓辉（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车电子，E-mail：[e-mail]；张向文（1976—），男，博士，研究员，研究方向为汽车电子控制；侯少阳（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车电子。收稿日期：2016-05-31修回日期：2016-08-18文章编号：1002-8331（2017）21-0233-06CNKI网络优先出版：2016-12-16,计算机工程与应用233计算机工程与应用，53（21）对动力电池故障进行及时的处理，从而提高动力电池使用的安全性[5]。另外，远程监控终端可以提供功能完善的数据库，通过数据回放，对数据进行二次分析，为改进BMS和进行电动汽车故障或事故的分析提供科学依据[6-8]。国内外在电动汽车远程监控系统的研究上都取得了一定的成果。在国外，日本的日产汽车公司为其研制的电动汽车EV-11开发了一款远程手机监控软件，当在IPhone客户端接入无线网络的情况下运行该监控软件，就可以对EV-11电动汽车运行状态数据进行远程监控；美国福特汽车公司开发的一套远程监控系统，通过无线网络实现对动力电池运行状态进行全面监控，读取温度、电压和电流等重要参数，另外，该系统还可以完成电池管理系统的远程升级服务。在国内，上海交通大学机械工程学院开发了应用于新能源汽车示范运营的远程监控原型系统[9]；吉林大学汽车工程学院开发的电动汽车远程监控系统可以对电动汽车电池进行故障诊断[10]。综合国内外的研究现状，国内在实时性、可靠性等核心技术方面与国外还存在一定程度的差距，并且现有的电动汽车远程监控系统大多采用Web形式，只能在监控中心查看电动汽车的运行状况，办公地点固定，不能随时随地查看电动汽车的运行状态信息，有一定的局限性[11]。本文提出一种基于Android的电动汽车动力电池状态远程监测系统，以STM32为主控制器，利用CAN总线技术、GPS定位技术和GPRS无线技术，传输BMS采集的数据和汽车位置信息到远程服务器端进行数据存储、处理和分析，有助于研究人员对电动汽车动力电池在不同环境下的运行状况进行专业分析。此外，开发了一款Android手机APP，不受时间空间的限制，对电动汽车的运行状态信息和位置信息进行远程监测。这样，用户既可以在PC端，也可以通过Android智能手机，随时随地进行电动汽车动力电池状态的远程监测和跟踪。实现了传统监测系统与Android智能终端的有机结合，提高了对电动汽车动力电池状态监测的灵活性和方便性。2监测系统整体方案设计基于Android的电动汽车动力电池状态远程监测系统如图1所示，由车载终端数据采集系统[12]、远程监测中心系统和Android智能手机监测系统组成。车载终端数据采集系统以STM32为主控制器，通过自主制定的CAN通信协议采集电池状态信息，然后通过液晶屏进行实时显示。同时，利用GPS定位模块实时获取电动汽车GPS位置信息，并利用GSM/GPRS模块定时上传电池状态信息、汽车位置信息以及其他重要信息的数据帧。这些信息被移动运营商的GPRS网络的收发机所接收，按照数据帧的网络地址[13]，GPRS网络将数据通过网关传送到Internet网络，最终到达相应远程监测中心系统。远程监测中心系统将接收的数据存储在SQLServe数据库中，并对数据进行处理和分析，实现对电动汽车动力电池状态和GPS信息的远程实时监测[14]。通过查看电动汽车有关参数的历史数据，了解电动汽车的故障信息，可以对电动汽车动力电池性能进行分析评价，对电动汽车的运行轨迹进行跟踪。另外，在远程监测中心系统搭建了一个由SQLServe+Java+Apache组成的三层结构的Web服务器[15]，实现了Android智能手机监测系统和Web服务器端的数据交互。Android智能手机可以通过HTTP协议对Web服务器进行访问，获取电动汽车动力电池状态的有关数据，直观地显示在Android智能手机监测系统的UI上，实现Android智能手机的远程实时监测。3车载终端数据采集系统设计车载终端数据采集系统由主控芯片、GSM/GPRS无线通信模块、GPS卫星定位模块、CAN功能模块和显示模块等模块组成，是一种典型的嵌入式设备，硬件原理框图如图2所示。主控芯片MCU采用STM32系列的微处理器。由于功能较多，为了保证系统实时性和简化软件设计，采用多任务模式，移植了基于实时内核RTOS（uC/OS-Ⅱ）的小型嵌入式系统。CAN功能模块采用的芯片是TJA1050，该芯片支持CANV2.0B技术规范，采用11个字节长度标识符的标Android智能手机监测系统车载终端数据采集系统GPRS/WIFIGPS卫星定位远程监测中心系统监测中心Web服务器数据中心服务器防火墙Internet网络GPRS网络图1远程监测系统组成图2车载终端硬件原理框图CAN总线CAN功能模块CAN接口主控芯片（MCU）UART接口GSM/GPRS/GPS功能模块FSMC接口7寸LCD液晶屏234计算机工程与应用，53（21）准帧，其稳定性高，可靠性强。MCU（STM32）的所有型号芯片中都具有bxCAN控制器，bxCAN接口可以自动地接收和发送CAN报文，支持标准标识符和扩展标识符，便于对CAN功能模块的控制。GSM/GPRS无线通信模块和GPS卫星定位模块采用一款低功耗的SIM908模块，它具有GSM/GPRS无线通信功能和GPS信息采集功能，内部集成TCP/IP协议栈且扩展了TCP/IP-AT指令的三频段模块。MCU通过串口与GSM模块连接，再通过无线传输网络，把解析整理好的电池状态数据及电动汽车的GPS位置数据传输到远程监测中心系统，具有良好的稳定性和可靠性。显示模块采用ALIENTEK推出的一款高性能7寸电容触摸屏，屏幕分辨率800×480，16位真彩显示，自带LCD控制器，通过FSMC总线接口实现MCU（STM32）和液晶屏的数据通信，具有非常好的操控效果。通过设计友好的人机交互界面，电动汽车的车主可以随时查看电动汽车动力电池的状态信息，当电池状态异常时，可以及时采取相应的措施，防止对电动汽车造成损害。4远程监测中心系统