摘 要： 隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及電池技術(shù)的迅猛發(fā)展，蓄電池廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，但因外界環(huán)境、參數(shù)設(shè)定、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等因素使得對(duì)其掌控難度大。該文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)，利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活、安全的數(shù)據(jù)傳輸，采集模塊和處理系統(tǒng)之間、處理系統(tǒng)和用戶之間分別采用C/S，B/S架構(gòu)，使用戶能夠?qū)崟r(shí)方便地監(jiān)測(cè)電池的使用情況，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 電池管理系統(tǒng)； GPRS； 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)； 數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類(lèi)號(hào)： TN36?34； TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0149?03

Design of battery management system

GUO Wenjin

（Fujian Raynen Technology Co.， Ltd.， Fuzhou 350008， China）

Abstract： With the rapid development of computer network and battery technology in recent years， the storage batteries are widely used in all walks of life， but it is difficult to control them due to the factors of external environment， parameter setting， long standby time， etc. A battery management system was designed， in which GPRS technology is used to realize flexible and safe data transmission. The C/S architecture is used between collection module and processing system， and B/S architecture is used between processing system and user， which can monitor the service condition of the batteries conveniently and in real time. The system has a high application value.

Keywords： battery management system； GPRS； real?time monitoring； data transmission

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電池相關(guān)產(chǎn)業(yè)的極速發(fā)展，作為其供電的必需物——蓄電池，在各行各業(yè)中被廣泛的使用，因其具有使用時(shí)間久、可供電壓特性穩(wěn)定、且具有可逆性等優(yōu)勢(shì)，使得蓄電池組的應(yīng)用越來(lái)越多。但因其儲(chǔ)能方式為化學(xué)能，且待機(jī)狀態(tài)時(shí)間長(zhǎng)，在使用過(guò)程受外界環(huán)境、各參數(shù)設(shè)定和配置等條件影響，使得掌握蓄電池的工作性能比較困難，容易導(dǎo)致供電故障的發(fā)生。因此，電池使用者急需一個(gè)智能電池監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)蓄電池組性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1?3]。

1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于電池使用的特殊性，其管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)相比，要求布局布線簡(jiǎn)單，可傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，穩(wěn)定性和可操作性要求更高。按照此要求，本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)采用以下技術(shù)：

（1） 借助GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采集器件能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)遠(yuǎn)距離無(wú)丟失的傳輸，不增加傳輸布線，降低成本，提高系統(tǒng)使用的可行性；

（2） 該系統(tǒng)采集模塊和處理系統(tǒng)之間采用C/S（客服端/服務(wù)器）系統(tǒng)架構(gòu)，具有較高穩(wěn)定性和較快的反應(yīng)速率，能夠?qū)Χ鄠€(gè)電池組數(shù)據(jù)同時(shí)管理，并保證采集的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（3） 該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用TCP/IP 協(xié)議和Socket通信技術(shù)，其安全性較高，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和可靠；

（4） 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與用戶之間采用B/S架構(gòu)，用戶可以方便地通過(guò)瀏覽器查詢和分析數(shù)據(jù) [4?5]。本文主要討論數(shù)據(jù)的通信、處理和顯示部分。

1.1 電池管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

電池監(jiān)控管理系統(tǒng)，主要由采集端和數(shù)據(jù)處理端兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集端主要負(fù)責(zé)電池?cái)?shù)據(jù)的采集和傳輸，它將采集到的電池的電壓、電流、剩余電量等數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳送到數(shù)據(jù)處理端，經(jīng)數(shù)據(jù)處理端的GPRS模塊接收后送到服務(wù)器中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)和處理分析，用戶或管理人員可以通過(guò)Web頁(yè)面觀看和查詢數(shù)據(jù)。電池管理系統(tǒng)框圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集端和服務(wù)器之間采用C/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)處理模塊為服務(wù)器，采集模塊為客戶端。數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS技術(shù)，利用GPRS傳輸系統(tǒng)通信網(wǎng)覆蓋面積大、系統(tǒng)響應(yīng)快、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速、多點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議和Socket通信方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全準(zhǔn)確。服務(wù)器采用多線程編程技術(shù)，可以同時(shí)接收多達(dá)2 000個(gè)電池?cái)?shù)據(jù)。

服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server 2005，方便存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理接收到電池?cái)?shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)，完成超標(biāo)報(bào)警，并能以圖表、柱狀、曲線等方式顯示給管理員或系統(tǒng)用戶查看。

1.2 電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

待測(cè)電池分為電池組和電池單體，電池運(yùn)行狀態(tài)主要分為浮充狀態(tài)、充電狀態(tài)和放電狀態(tài)三個(gè)狀態(tài)。根據(jù)電池使用情況，數(shù)據(jù)庫(kù)主要由以下幾個(gè)表組成[6?7]：

（1） 電池組串的不可變信息表。該信息表含有每個(gè)電池單體單元數(shù)、型號(hào)以及位置等信息。這些信息在每個(gè)實(shí)際存在的電池組中都是一一確定的，不可更改。若它們被改變了，就說(shuō)明該電池被替換，則必須更新數(shù)據(jù)表。為此，需要記錄建表時(shí)間。

（2） 電池組串的可變基本信息表。該信息表的數(shù)值主要用于報(bào)警門(mén)限設(shè)定，這些數(shù)值可進(jìn)行改變，表示的是歷史信息，用于電池出現(xiàn)故障或其他特殊情況下進(jìn)行查詢分析。所以當(dāng)這些數(shù)值改變，隨之應(yīng)建立一個(gè)新的信息表。對(duì)于電池組串，其可變基本信息包含：電池電壓上限報(bào)警（一般報(bào)警和緊急報(bào)警兩種門(mén)限）、電池電壓下限報(bào)警、電池內(nèi)阻上限報(bào)警、電池內(nèi)阻下限報(bào)警、電池溫度上限報(bào)警、電池溫度下限報(bào)警等信息。

（3） 電池組串?dāng)?shù)據(jù)信息表。該信息表為電池組串?dāng)?shù)據(jù)表的核心部分。它主要記錄電池組串中各單體電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等若干信息。具體統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表1所示。

具體數(shù)據(jù)表各個(gè)字段的位數(shù)需根據(jù)實(shí)際信息的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

電池監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)采集數(shù)據(jù)的完整性和可靠性要求都比較高，同時(shí)考慮到傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及其準(zhǔn)確性，因此采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和Socket類(lèi)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。其中采集數(shù)據(jù)模塊為客戶端，數(shù)據(jù)處理模塊為服務(wù)器，其通信流程如圖2所示。

圖2 Socket通信流程

Socket套接字只提供到運(yùn)輸層的連接，為了更好地控制傳輸過(guò)程還需要設(shè)計(jì)一個(gè)處于頂層的應(yīng)用層協(xié)議[8]。應(yīng)用層傳輸協(xié)議如圖3所示。

3 Web服務(wù)器端的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收和處理系統(tǒng)與用戶之間采用瀏覽器?服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，在客戶端只需一個(gè)瀏覽器即可訪問(wèn)電池管理系統(tǒng)。通過(guò)選取相關(guān)的設(shè)備ID號(hào)、地區(qū)、總特性或單體特性、放電電流、總體電壓等參數(shù)，保存后并通過(guò)Session頁(yè)面?zhèn)髦?，傳送到后臺(tái)進(jìn)行繪圖，接著服務(wù)器將繪圖曲線顯示在Iframe窗口中，或者通過(guò)表格等形式顯示出來(lái)。該部分的開(kāi)發(fā)是基于ASP.NET平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)。

（1） 使用母版頁(yè)構(gòu)建整體風(fēng)格。對(duì)于Web服務(wù)器，使用母版頁(yè)是保持網(wǎng)站頁(yè)面風(fēng)格一致的一個(gè)非常重要的方法。母版頁(yè)主要由母版頁(yè)和內(nèi)容頁(yè)兩個(gè)文件構(gòu)成。前者為.master文件，它包含整個(gè)網(wǎng)站頁(yè)面的公共元素。后者是.aspx文件，它包含了除母版頁(yè)外其他非公共元素。在瀏覽器中，ASP.NET引擎將這兩種文件內(nèi)容進(jìn)行整合呈現(xiàn)給用戶。

（2） Iframe框架繪圖工具。Iframe框架元素在使用時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的包含另一個(gè)文檔的內(nèi)嵌框架。Iframe框架可作為文本流構(gòu)成的一部分，用于網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)。使用Iframe標(biāo)簽的時(shí)候可以定義一個(gè)任意大的矩形區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中可以用來(lái)瀏覽和顯示另一個(gè)單獨(dú)的文檔。通過(guò)修改Iframe相關(guān)屬性，可以改變Iframe框架的大小、透明度、位置、顯示名稱(chēng)等特性。Iframe可以是一個(gè)獨(dú)立的HTML文檔，也可以是繪圖界面、文本等各種形式。在Iframe用來(lái)顯示繪圖的時(shí)候，只需通過(guò)單獨(dú)的刷新重畫(huà)，而不需要整個(gè)HTML頁(yè)面的刷新。

（3） 頁(yè)面?zhèn)髦?。ASP.NET常用的頁(yè)面之間傳值方式有以下幾種：Application，QueryString，Cookies，Server.Transfer，Session等，在瀏覽器端進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置的時(shí)候，能夠?qū)⒃O(shè)置的值通過(guò).NET平臺(tái)提供的傳值方式進(jìn)行相應(yīng)的值傳遞，經(jīng)后臺(tái)處理后將結(jié)果呈現(xiàn)到前臺(tái)進(jìn)行顯示。本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)主要采用Session進(jìn)行頁(yè)面?zhèn)髦?，它不僅使用起來(lái)簡(jiǎn)單，而且安全性好。目前這種方法被越來(lái)越多的網(wǎng)站設(shè)計(jì)者所采用。

（4） GDI繪圖工具類(lèi)。在ASP.NET網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)中，為了更加形象、直觀地來(lái)描述一些對(duì)象，就會(huì)用到圖形和圖像，在Visual Studio 2010中GDI提供了各種豐富的繪圖等圖像處理功能。GDI不僅支持頁(yè)面中各種字號(hào)大小、字體的修改，而且也為頁(yè)面的文本顯示樣式提供重要的支持。GDI基類(lèi)提供的主要命名空間和描述如表2所示。

圖4是設(shè)計(jì)的電池基本信息查詢頁(yè)面，圖5顯示的是電池總體電壓、單體最大壓差曲線頁(yè)面。

該系統(tǒng)綜合利用.NET與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，圖4電池基本信息表中通過(guò)按鈕選擇進(jìn)行設(shè)定，經(jīng)過(guò)Session頁(yè)面?zhèn)髦?，訪問(wèn)服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)，并且在Web端通過(guò)Gridview控件中將統(tǒng)計(jì)信息顯示。圖5同樣原理，通過(guò)相關(guān)設(shè)置后訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且在Iframe框架控件中將統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行繪圖顯示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文的遠(yuǎn)程電池監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠?qū)Χ鄠€(gè)電池組數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理，數(shù)據(jù)采集和服務(wù)器端采用GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠充分利用現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靈活快速的信息采集，采用TCP/IP通信協(xié)議和Socket套接字可以實(shí)現(xiàn)安全、可靠的數(shù)據(jù)傳遞，監(jiān)控主機(jī)和用戶端采用B/S結(jié)構(gòu)，使用戶通過(guò)瀏覽器在選取相關(guān)的設(shè)備ID號(hào)、地區(qū)后可以方便的查詢和分析電池?cái)?shù)據(jù)。目前電池管理的相關(guān)技術(shù)仍不完善，難以滿足實(shí)際應(yīng)用及大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的需要，尤其在采集數(shù)據(jù)的可靠性、電池組的均衡、SoC的估算精度和安全管理等方面都有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高，這也是本文仍應(yīng)努力的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等.電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車(chē)工程，2006，28（10）：961?964.

[2] 凌虎.蓄電池均衡充電與管理系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[3] 曹金亮，陳修強(qiáng)，張春光，等.鋰電池最新研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2013，37（8）：1460?1463.

[4] 穆謙，宋立冬，田野.蓄電池組的維護(hù)與更換[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2008，21（6）：65?68.

[5] 謝煒，柳彬，耿攀，等.中壓動(dòng)力蓄電池組監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2011，31（12）：15?16.

[6] 劉新玉.基于C/S架構(gòu)的電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.

[7] 朱明峰.蓄電池均衡充電系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].青島：山東科技大學(xué)，2009.

[8] 凌杰，楊秀芝.基于分層防御的用戶管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2013，37（18）：48?50.

[9] 顧灶德.電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2010.