電動汽車動力電池狀態遠程監測系統設計

李曉輝 ，張向文 ，2，侯少陽

1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004 2.桂林電子科技大學 廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室，廣西 桂林 541004

電動汽車動力電池狀態遠程監測系統設計

李曉輝1，張向文1，2，侯少陽1

1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004 2.桂林電子科技大學 廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室，廣西 桂林 541004

為了實時監測電動汽車動力電池狀態和故障情況，提高電動汽車運行的安全性，設計并實現了一種基于Android的電動汽車動力電池狀態遠程監測系統。該系統在車載端實時采集電池狀態測量信息和位置信息，并將信息利用GSM/GPRS通信模塊定時傳送給遠程監測中心；遠程監測中心對上傳的信息進行接收、存儲和分析，實現對電動汽車運行狀態的實時監測，對電池性能做出分析評價；同時開發了一款手機APP，利用HTTP協議實現與監測中心的Web服務器的通信，實現對電動汽車運行狀態的實時監測。通過實驗測試，本系統設計合理、運行穩定，具有良好的應用前景。

電動汽車；動力電池；遠程監測；通用分組無線服務技術（GPRS）；Android

1 引言

電動汽車是解決能源危機和環境污染問題的有效手段，然而，電池技術的相對落后制約了電動汽車的推廣應用。電動汽車的動力電池狀態可以通過電池管理系統（BMS）進行測量和管理，但是，目前的BMS大部分沒有實現電池狀態信息的遠程監測[1-4]。在電動汽車運行的過程中，由于動力電池組的工作狀態受不同環境因素的影響，電池在持續工作時，會出現如單體溫度過高、電流過大、過放電和過充電等情況，對電池造成一定程度的損壞，甚至引起電池毀壞發生爆炸事件。利用電動汽車動力電池的遠程監測系統，電動汽車廠商和車主可以實時了解電動汽車動力電池的工作狀態和故障情況，對動力電池故障進行及時的處理，從而提高動力電池使用的安全性[5]。另外，遠程監控終端可以提供功能完善的數據庫，通過數據回放，對數據進行二次分析，為改進BMS和進行電動汽車故障或事故的分析提供科學依據[6-8]。

國內外在電動汽車遠程監控系統的研究上都取得了一定的成果。在國外，日本的日產汽車公司為其研制的電動汽車EV-11開發了一款遠程手機監控軟件，當在IPhone客戶端接入無線網絡的情況下運行該監控軟件，就可以對EV-11電動汽車運行狀態數據進行遠程監控；美國福特汽車公司開發的一套遠程監控系統，通過無線網絡實現對動力電池運行狀態進行全面監控，讀取溫度、電壓和電流等重要參數，另外，該系統還可以完成電池管理系統的遠程升級服務。在國內，上海交通大學機械工程學院開發了應用于新能源汽車示范運營的遠程監控原型系統[9]；吉林大學汽車工程學院開發的電動汽車遠程監控系統可以對電動汽車電池進行故障診斷[10]。綜合國內外的研究現狀，國內在實時性、可靠性等核心技術方面與國外還存在一定程度的差距，并且現有的電動汽車遠程監控系統大多采用Web形式，只能在監控中心查看電動汽車的運行狀況，辦公地點固定，不能隨時隨地查看電動汽車的運行狀態信息，有一定的局限性[11]。

本文提出一種基于Android的電動汽車動力電池狀態遠程監測系統，以STM32為主控制器，利用CAN總線技術、GPS定位技術和GPRS無線技術，傳輸BMS采集的數據和汽車位置信息到遠程服務器端進行數據存儲、處理和分析，有助于研究人員對電動汽車動力電池在不同環境下的運行狀況進行專業分析。此外，開發了一款Android手機APP，不受時間空間的限制，對電動汽車的運行狀態信息和位置信息進行遠程監測。這樣，用戶既可以在PC端，也可以通過Android智能手機，隨時隨地進行電動汽車動力電池狀態的遠程監測和跟蹤。實現了傳統監測系統與Android智能終端的有機結合，提高了對電動汽車動力電池狀態監測的靈活性和方便性。

2 監測系統整體方案設計

基于Android的電動汽車動力電池狀態遠程監測系統如圖1所示，由車載終端數據采集系統[12]、遠程監測中心系統和Android智能手機監測系統組成。

圖1 遠程監測系統組成

車載終端數據采集系統以STM32為主控制器，通過自主制定的CAN通信協議采集電池狀態信息，然后通過液晶屏進行實時顯示。同時，利用GPS定位模塊實時獲取電動汽車GPS位置信息，并利用GSM/GPRS模塊定時上傳電池狀態信息、汽車位置信息以及其他重要信息的數據幀。這些信息被移動運營商的GPRS網絡的收發機所接收，按照數據幀的網絡地址[13]，GPRS網絡將數據通過網關傳送到Internet網絡，最終到達相應遠程監測中心系統。

遠程監測中心系統將接收的數據存儲在SQL Serve數據庫中，并對數據進行處理和分析，實現對電動汽車動力電池狀態和GPS信息的遠程實時監測[14]。通過查看電動汽車有關參數的歷史數據，了解電動汽車的故障信息，可以對電動汽車動力電池性能進行分析評價，對電動汽車的運行軌跡進行跟蹤。另外，在遠程監測中心系統搭建了一個由SQL Serve+Java+Apache組成的三層結構的Web服務器[15]，實現了Android智能手機監測系統和Web服務器端的數據交互。Android智能手機可以通過HTTP協議對Web服務器進行訪問，獲取電動汽車動力電池狀態的有關數據，直觀地顯示在Android智能手機監測系統的UI上，實現Android智能手機的遠程實時監測。

3 車載終端數據采集系統設計

車載終端數據采集系統由主控芯片、GSM/GPRS無線通信模塊、GPS衛星定位模塊、CAN功能模塊和顯示模塊等模塊組成，是一種典型的嵌入式設備，硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 車載終端硬件原理框圖

主控芯片MCU采用STM32系列的微處理器。由于功能較多，為了保證系統實時性和簡化軟件設計，采用多任務模式，移植了基于實時內核RTOS（uC/OS-Ⅱ）的小型嵌入式系統。

CAN功能模塊采用的芯片是TJA1050，該芯片支持CAN V2.0B技術規范，采用11個字節長度標識符的標準幀，其穩定性高，可靠性強。MCU（STM32）的所有型號芯片中都具有bxCAN控制器，bxCAN接口可以自動地接收和發送CAN報文，支持標準標識符和擴展標識符，便于對CAN功能模塊的控制。

GSM/GPRS無線通信模塊和GPS衛星定位模塊采用一款低功耗的SIM908模塊，它具有GSM/GPRS無線通信功能和GPS信息采集功能，內部集成TCP/IP協議棧且擴展了TCP/IP-AT指令的三頻段模塊。MCU通過串口與GSM模塊連接，再通過無線傳輸網絡，把解析整理好的電池狀態數據及電動汽車的GPS位置數據傳輸到遠程監測中心系統，具有良好的穩定性和可靠性。

顯示模塊采用ALIENTEK推出的一款高性能7寸電容觸摸屏，屏幕分辨率800×480，16位真彩顯示，自帶LCD控制器，通過FSMC總線接口實現MCU（STM32）和液晶屏的數據通信，具有非常好的操控效果。通過設計友好的人機交互界面，電動汽車的車主可以隨時查看電動汽車動力電池的狀態信息，當電池狀態異常時，可以及時采取相應的措施，防止對電動汽車造成損害。

4 遠程監測中心系統設計

遠程監測中心系統采用基于TCP/IP的C/S開發模式，數據庫采用SQL Server關系型數據庫，利用C++編程語言進行遠程監測系統軟件開發。該系統實現了對車載終端數據采集系統發來數據的接收、存儲和分析。遠程監測中心系統主要功能有：電動汽車位置實時監測、電動汽車運動軌跡回放、電池狀態信息實時監測和歷史分析，以及Web服務器的搭建，系統功能框圖如圖3所示。

圖3 遠程監測中心系統功能框圖

車載終端數據采集系統實時傳回電動汽車當前的位置、速度、經度和緯度等GPS測量信息。遠程端通過對GPS信息的解析在百度地圖上展示出來，實現對電動汽車位置實時跟蹤監測，掌握電動汽車在道路上的行駛情況。利用獲得的位置信息，可以對電動汽車的歷史行駛路線在百度地圖上重新予以回放，查看電動汽車的行駛軌跡，便于對電動汽車運行狀況進行分析。

遠程端通過對電動汽車電池總體電壓、總電流、SOC、單體電壓和電池故障等信息的監測，直觀顯示在監測界面，電動汽車廠商和車主可以及時了解電動汽車電池狀態參數的變化情況。同時，實現了總體電池電壓歷史分析、總體電池電流歷史分析、單體電池電壓歷史分析、電池組SOC歷史分析和電池故障歷史分析。在電池組參數的歷史分析中，以時間為橫坐標，相應的參數值為縱坐標，繪制某一段時間的參數值變化，可以形成連續變化的歷史曲線。通過對電池組參數歷史曲線的分析，可以對電動汽車動力電池性能做出分析評價。在電池故障歷史分析中，記錄電池發生某故障的次數，比如絕緣過低、單體過放、單體過充，總壓過低和短路保護等電池故障信息。

系統的Web服務器由SQL Serve+Java+Apache三層結構組成。采用J2EE作為開發平臺，同時采用Tomcat做Web應用服務器軟件，它是一個超文本傳輸協議（HTTP）服務器。其工作原理：當客戶端發出請求時，Tomcat服務器中的Servlet容器使用Servlet Request對象把客戶端的請求信息封裝起來，然后調用Java Servlet API中定義的一些Servlet方法，完成Servlet的執行，然后將Servlet執行的要返回給客戶端的結果封裝到 Servlet Response對象中。最后，Servlet容器把客戶端的請求發給用戶，完成為客戶端的一次服務過程。

5 Android智能手機監測系統設計

Android智能手機監測系統的設計采用Eclipse工具下的Android插件進行開發。程序設計主要基于Java語言對其進行實現，并調用了Android的部分API函數庫。Android系統由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件組成，它是一種基于Linux的自由的操作系統，Android SDK給開發者提供了豐富的API[16-17]。

Android智能手機監測系統的主要功能是通過與Web服務器通信，獲取電動汽車的狀態數據，并且利用功能界面直觀地顯示出相應的數據，實現Android智能手機的遠程監測功能。因此，Android智能手機監測系統主要由通信和顯示兩大模塊組成，此外還包括登錄模塊和設置模塊。其中顯示模塊分為電動汽車電池參數顯示模塊和地圖顯示模塊，如圖4所示。

圖4 Android智能手機監測系統功能模塊

5.1 通信模塊

通信模塊實現與Web服務器的通信。本系統利用JSON格式數據實現與Web服務器端的數據交互[18]。在通信過程中，線程使用HTTP協議中的Http URL Connection方法進行請求/響應，Web服務器收到請求后，將請求數據封裝成JSON格式，通過HTTP協議響應到Android智能手機監測系統，返回的結果代碼為200時，請求成功，再對接收到的JSON格式的數據進行解析，將數據顯示在Android手機UI上。

5.2 顯示模塊

顯示模塊負責實時監測電動汽車的狀態信息，以方便用戶隨時進行查看。它分為電動汽車電池參數顯示模塊和地圖顯示模塊。

電動汽車電池參數顯示模塊實現對電動汽車電池組總體電壓、總體電流、SOC、單體電壓和電池故障等信息的顯示。利用定時器，每隔5 s向服務器發送一次請求，通過返回的數據更新UI，實現對電動汽車電池的實時監測。電動汽車電池的總體電壓、總電流和SOC的歷史曲線回放，則通過向服務器發送請求，把某段時間的數據從數據庫中提取出來并返回到Android手機端，在用戶界面上進行顯示，分析它們的變化情況。

地圖顯示模塊用于電動汽車位置實時監測和歷史軌跡回放功能中，實現電動汽車位置的實時顯示和軌跡描繪。它們都是基于百度地圖設計開發的，需要在布局設計中添加Map View用來顯示地圖。

電動汽車位置實時監測：當用戶需要對電動汽車位置進行實時監測時，通過定時器，每隔5 s，向Web服務器發送位置請求，Web服務器將GPS信息回傳給Android智能手機監測系統。通過調用百度地圖Android SDK中的API插件，用Map View進行地圖顯示，使用戶能夠監測到電動汽車的實時位置變化。

電動汽車歷史軌跡回放：歷史軌跡回放是重現電動汽車某一段時間內的行駛情況，在百度地圖上以點、線的形式表現出來。Android智能手機監測系統向Web服務器發送請求，Web服務器返回某段時間內的電動汽車歷史軌跡數據，再調用百度地圖 Android SDK中的API插件，用Map View進行地圖顯示，使用戶能夠查看到電動汽車的歷史運行軌跡。

5.3 登錄模塊

當用戶打開應用軟件后，進入登錄界面，有注冊和登錄功能。如有賬戶可直接登錄，沒有賬戶可以進行相應的注冊。用戶進行注冊后，將用戶信息上傳到遠程監測中心系統的數據庫進行管理，用戶登錄時，通過訪問遠程監測中心系統數據庫的用戶信息，匹配后才能登錄成功。

5.4 設置模塊

設置模塊主要進行系統的常規設置，目前設計了單體信息更新頻率、總體信息更新頻率、電池故障更新頻率、服務器的IP和端口設置功能。在Android中，最簡單的持久化數據的辦法是使用首選項應用程序接口（Preferences API），設置模塊利用首選項（preferences）來實現。

6 實驗結果與分析

為了對設計的系統進行驗證，利用實驗室的ARBIN電動汽車動力電池測試系統平臺進行測試。ARBIN是可以編程控制的電池測試儀器，充放電電壓范圍20～400 V，充放電電流范圍±200 A，電流分2個量程±200 A/50 A，電壓精度±0.1%FSR，電流精度±0.1%FSR。測試使用的動力電池是中航鋰電池SA40AHA，電池成組方式為1并12串，這樣整體電池組額定電壓38.4 V，額定容量40 Ah，電池組正常工作電壓33.6～43.2 V，車載終端數據采集系統如圖5所示。

圖5 車載終端數據采集系統

采集終端通過CAN總線與實驗室設計的BMS模塊相連，對數據進行采集，并且通過ARBIN的編程控制，對電池組循環充放電。放電時模擬電動汽車的各種運行工況，測試電池組的電壓、電流，溫度的變化和故障報警功能，驗證該系統的監測能力。整個系統運行時，在車載終端數據采集系統通過7寸LCD顯示電池管理系統的主菜單，如圖6所示。當點擊相應功能，則在車載終端數據采集系統中進行相應信息的監測。

圖6 電池管理系統主菜單

在遠程監測中心系統，可以同時實現對電池單體電壓、總體電壓、總體電流、SOC和電池故障信息等參數的監測。在某一時刻點，遠程監測中心系統的實時監測界面如圖7所示。

圖7 監測中心實時監測界面

在Android智能手機監測系統中，同樣可以實時監測電池運行的全部參數，與遠程監測中心系統同步監測。在某一時刻點，Android智能手機監測系統實時的監測界面如圖8所示。

圖8 Android手機端實時監測界面

遠程監測中心系統和Android智能手機監測系統都可以實現對電動汽車位置的實時定位，它們的定位監測界面如圖9所示。

圖9 定位監測界面

通過選取某段時間的總體電壓，可以得到在這一段時間內的總體電壓歷史曲線。根據實驗測得的數據，分別在ARBIN測試系統、遠程監測中心系統和Android智能手機監測系統得出總體電壓歷史曲線如圖10所示。

圖10 總體電壓歷史曲線

通過選取某段時間的總電流，可以得到在這一段時間的總電流歷史曲線。根據實驗測得的數據，分別在ARBIN測試系統、遠程監測中心系統和Android智能手機監測系統得出總電流歷史曲線圖如圖11所示。

通過選取某段時間的SOC，可以得到在這一段時間的SOC歷史曲線。根據實驗測得的數據，分別在ARBIN測試系統、遠程監測中心系統和Android智能手機監測系統得出SOC歷史曲線圖如圖12所示。

圖11 總電流歷史曲線

圖12 SOC歷史曲線

7 結束語

本文設計并實現了一種電動汽車動力電池狀態遠程監測系統，該系統由車載終端數據采集系統、遠程監測中心系統和Android智能手機監測系統組成。車載終端數據采集系統實時采集電池狀態信息，通過7寸LCD液晶屏進行實時顯示，同時利用GPS定位模塊實時獲取電動汽車GPS位置信息，并定時將這些信息通過GPRS網絡和Internet網絡傳輸到遠程監測中心系統。遠程監測中心系統對信息進行存儲、處理和分析，實現對電動汽車動力電池狀態和GPS信息的遠程實時監測，另外，對電動汽車動力電池的性能進行分析評價和對電動汽車的運行軌跡進行跟蹤。同時，Android智能手機監測系統通過與遠程監測中心系統的Web服務器進行通信，實現了基于Android智能手機的動力電池狀態的實時監測，提高了對電動汽車動力電池狀態監測的靈活性和方便性。

通過實驗測試，本系統運行穩定，數據記錄完整，歷史數據的回放及曲繪制也都直觀清晰，較好地實現了對電動汽車動力電池狀態的實時監測與運行狀態的分析，證明了該系統的有效性和實用性。

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LI Xiaohui1,ZHANG Xiangwen1，2,HOU Shaoyang1

1.School of Electronic Engineering andAutomation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi 541004,China 2.Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi 541004,China

Design of remote monitoring system for electric vehicle power battery.Computer Engineering and Applications,2017,53（21）：233-238.

In order to monitor the status and fault condition of the electric vehicle power battery in real-time,and improve the operation security of electric vehicles,a remote monitoring system for BMS based on a new mobile operation system-Android is designed and implemented in this page.The battery state data and the GPS data are collected in the vehicle terminal and sent to the remote monitoring center by GSM/GPRS communication module.The remote monitoring center receives,stores and analyzes the uploaded information,so that achieves real time monitoring of running state of electric vehicle,and analyzes and evaluates the battery performance.Meanwhile,a mobile phone APP is developed,and its communication with the Web server of the remote monitoring center is realized by HTTP protocol,so the running state of electric vehicle and battery information can be monitored with a phone in real time.The system is tested,and its design rationality,reliability and stability are verified,so it has a good application prospects.

electric vehicle;power battery;remote monitoring;General Packet Radio Service（GPRS）;Android

A

TP277；TP37；TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1605-0439

廣西科學研究與技術開發課題（No.桂科重1348003-4）；廣西自動檢測技術與儀器重點實驗室基金（No.YQ14111）。

李曉輝（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子，E-mail：1032139901@qq.com；張向文（1976—），男，博士，研究員，研究方向為汽車電子控制；侯少陽（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子。

2016-05-31

2016-08-18

1002-8331（2017）21-0233-06

CNKI網絡優先出版：2016-12-16,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20161216.1400.020.html