程方曉，王 旭

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012)

基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)

程方曉，王 旭

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，長春 130012)

針對汽車動(dòng)力電池充電時(shí)間過長、充電過程中出現(xiàn)的故障以及充電結(jié)束后不能及時(shí)獲取結(jié)果等問題，以動(dòng)力電池的電壓、電流及溫度為監(jiān)測參量，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)。對系統(tǒng)總體進(jìn)行分析及描述，完成了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)和軟件平臺(tái)的搭建與測試。測試結(jié)果表明，利用LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)的人機(jī)交換界面能對動(dòng)力電池充電過程進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有效地完成了監(jiān)測子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)間的充電數(shù)據(jù)傳送，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，為用戶提供了方便。

動(dòng)力電池;物聯(lián)網(wǎng);充電監(jiān)控系統(tǒng);虛擬儀器平臺(tái)

0 引 言

伴隨新能源和低碳經(jīng)濟(jì)成為發(fā)展的主流，具有清潔、環(huán)保特點(diǎn)的電動(dòng)汽車逐步成為能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)［1，2］。然而充電過程所需時(shí)間較長，充電過程中出現(xiàn)的故障以及充電結(jié)束的結(jié)果不能及時(shí)獲取等問題給用戶帶來不便，所以如何對電動(dòng)汽車的充電情況實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)控管理是亟待解決的問題。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步成為熱潮［3，4］。物聯(lián)網(wǎng)具有的低功耗、通信簡單、無需布線且易于使用等特點(diǎn)，對于解決以上問題具有重要意義［5］。

綜上所述，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的汽車動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)，并且從硬件和軟件兩方面進(jìn)行研究。系統(tǒng)硬件包括監(jiān)測子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)，二者采用無線傳輸與接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件則對系統(tǒng)整體流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。從而實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)汽車的充電過程遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且使該系統(tǒng)具有操作簡單及易于使用的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建電動(dòng)汽車電池充電監(jiān)控系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)通信層和應(yīng)用層。電動(dòng)汽車充電監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車充電監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Electric vehicle chargingmonitoring system architecture

數(shù)據(jù)采集層包含電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器，負(fù)責(zé)收集電動(dòng)汽車充電過程中的電壓、電流及溫度信息。網(wǎng)絡(luò)通信層包括GPRS(General Packet Radio Service)［6］、Zigbee［7］等無線通信技術(shù)，負(fù)責(zé)信息傳遞。應(yīng)用層負(fù)責(zé)對接收的信息進(jìn)行儲(chǔ)存、分析及處理，監(jiān)控整個(gè)電池充電系統(tǒng)，且可以進(jìn)行界面操控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)硬件包括兩部分：監(jiān)測子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)。兩系統(tǒng)之間采用無線通信傳輸。

2.1 監(jiān)測子系統(tǒng)

監(jiān)測子系統(tǒng)由以下幾部分組成：電動(dòng)汽車電池組、電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、單片機(jī)、電池管理模塊、報(bào)警模塊和無線通信模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

在電池組充電過程中，終端的電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器分別實(shí)時(shí)對電壓、電流、溫度進(jìn)行檢測，將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳到單片機(jī)。單片機(jī)通過控制電池管理模塊對出現(xiàn)的情況采取相應(yīng)的措施，并通過無線通信模塊與實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。無線通信模塊采用CC2240芯片。

2.2 實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)

實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)包括無線通信模塊、單片機(jī)、LCD(Liquid Crystal Display)顯示模塊、按鍵模塊和報(bào)警模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 監(jiān)測子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure ofmonitoring subsystem

圖3 實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of real-time control subsystem

實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)中的單片機(jī)通過接收的數(shù)據(jù)對當(dāng)前充電狀況進(jìn)行分析，若電壓、電流及溫度均在合理的充電閾值范圍內(nèi)，則允許繼續(xù)充電;反之，則進(jìn)行報(bào)警提示及自動(dòng)停充等相應(yīng)措施。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 充電監(jiān)控系統(tǒng)

通過GPRS或Zigbee等無線傳輸方式對充電過程中單體電池的電壓、溫度和電流進(jìn)行檢測，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的相關(guān)閾值對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并實(shí)時(shí)監(jiān)控，對充電過程中出現(xiàn)的故障采取相應(yīng)的措施，如某單體電池溫度過高超出預(yù)設(shè)閾值，則進(jìn)行顯示并報(bào)警，自動(dòng)斷電停充，盡量降低損失。基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車充電控制總體程序流程圖如圖4所示。

圖4 充電控制總體程序流程圖Fig.4 The overall program flow of charging control

3.2 充電監(jiān)控系統(tǒng)界面

充電監(jiān)控系統(tǒng)的界面采用NI公司開發(fā)的LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)［8］。LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件具有高效開發(fā)的特點(diǎn)，其采用強(qiáng)大的圖形化編程語言，編程非常簡便，研發(fā)周期短，人機(jī)交互界面直觀友好，同時(shí)具有各種常用的總線節(jié)點(diǎn)和豐富的軟件包及驅(qū)動(dòng)程序，能簡捷地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)之間的串口通信［9，10］。

LabVIEW依據(jù)自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及分析功能對充電過程中采集的電壓、電流及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及分析，并實(shí)時(shí)顯示電壓、電流和溫度及其他工作狀態(tài)等信息，其界面如圖5所示。通過該界面可以完成以下功能：

1 )遠(yuǎn)程操控汽車動(dòng)力電池充電的開始、暫?；蚪Y(jié)束;

2 )實(shí)時(shí)查詢充電過程中的充電電流、溫度及各個(gè)單體電池的充電電壓值;

3 )實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程充電過程中參數(shù)報(bào)警閾值的設(shè)定與修改;

4 )顯示電池組總體的充電進(jìn)度。

圖5 充電監(jiān)控系統(tǒng)界面Fig.5 Chargemonitoring system interface

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)以12個(gè)單體電池為一組，通過4組的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)分析，并驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。實(shí)現(xiàn)對各個(gè)單體電池的電壓、電流及溫度的采集，遠(yuǎn)程充電開關(guān)開啟，閾值設(shè)定和數(shù)據(jù)查詢等。

以第4組電池組為例，通過遠(yuǎn)程和現(xiàn)場對各單體電池電壓進(jìn)行1 h的檢測，檢測結(jié)果如表1所示(電壓單位：V)。

表1 各單體電池遠(yuǎn)程和現(xiàn)場的電壓值Tab.1 Voltage value of each cell in the remote end and on the scene V

進(jìn)而可得出結(jié)論：基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地對所檢測的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能通過分析，對充電過程中出現(xiàn)的異常情況采取有效措施。

5 結(jié) 語

筆者提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)對電動(dòng)汽車監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件流程，并且通過LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)了監(jiān)控界面，對各個(gè)單體電池的電壓、電流及溫度等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、處理及顯示等。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)監(jiān)控能力強(qiáng)，可靠性好，為用戶的使用帶來便利。此外，基于物聯(lián)網(wǎng)的汽車動(dòng)力電池充電監(jiān)控系統(tǒng)的研究也為動(dòng)力電池充電的規(guī)?；?、網(wǎng)絡(luò)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

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Vehicle Power Battery Monitoring System Based on Internet of Things

CHENG Fangxiao，WANG Xu

(College of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China)

Aim at the issue of vehicle power battery such as long charging time，the charging process fails and can not timely access to the results after charging，the vehicle power battery monitoring system is designed based on the internet of things with the voltage of power battery，current and temperature as the monitoring parameters.We analyze and describe the overall system and then complete the building and the testing of the hardware design and software platform.Test results show that the human-computer interface using the LabVIEW virtual instrument p latform is able to perform the real-time remote monitoring.Monitoring subsystem and controlling the charging data transmission between the subsystems are effectively accomplished.The system real-time performance and accuracy are verified，providing conveniency for users.

power battery;the internet of things;chargingmonitoring system;LabVIEW

TP391

A

1671-5896(2014)03-0275-05

2014-02-21

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(20120362)

程方曉(1969— )，女，長春人，長春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事測控技術(shù)與智能系統(tǒng)研究，(Tel)86-13039133480(E-mail)daoxinkaiqiong@163.com。

劉俏亮)