新能源汽車在線監(jiān)測智能管理系統(tǒng)分析*

譚華，吳飛，林克，胡敬豪

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

新能源汽車在線監(jiān)測智能管理系統(tǒng)分析*

譚華，吳飛，林克，胡敬豪

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

新能源汽車是當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)變革的重點方向，新能源車輛電池安全監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)信息化發(fā)展成為業(yè)界關(guān)注的焦點。圍繞新能源車電池管理數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，研發(fā)4G通信的車載物聯(lián)終端進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)多參數(shù)傳感數(shù)據(jù)采集、上傳、存儲、智能處理等功能，提供在線監(jiān)測與故障預(yù)警分析的新能源汽車云平臺服務(wù)。

車聯(lián)網(wǎng) BMS電池管理系統(tǒng) 智能車載終端 TSP汽車服務(wù)平臺

1 引言

最近十年特斯拉（Tesla）不斷推出引領(lǐng)潮流的新能源豪華汽車，我國也在政策上加大了對新能源車輛政策的扶持。人們對新能源車的接受程度越來越高，國內(nèi)外新能源電動車市場占有率逐年提升，其中，新能源車輛充電電池安全監(jiān)控問題成為行業(yè)的關(guān)注焦點。新能源汽車在出廠前要求具有聯(lián)網(wǎng)功能，滿足政府監(jiān)管、智能充電、車輛維護、產(chǎn)品優(yōu)化等多方面需求。同時，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和大數(shù)據(jù)云平臺分析，可以對新能源車的設(shè)計、生產(chǎn)、使用、維護全過程進行多參數(shù)采集監(jiān)視和動態(tài)評估，形成智能化的管理和快速迭代研發(fā)，共同促進新能源車的良性發(fā)展。

本文基于廣東省物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用孵化基地在車聯(lián)網(wǎng)方面的多年研發(fā)技術(shù)積累，圍繞新能源車電池管理的實時監(jiān)測需求，研發(fā)4G通信的車載物聯(lián)終端，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)的采集、上傳、存儲、智能處理以及預(yù)警分析功能，逐步完善基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在線監(jiān)測和大數(shù)據(jù)實時預(yù)警分析的新能源車智能云平臺服務(wù)。

2 車聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展模式及新能源車技術(shù)特征分析

2.1 車聯(lián)網(wǎng)平臺模式介紹

目前主流車聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展模式有四類，具體如下所示。

（1）傳統(tǒng)汽車制造商針對自家品牌提供Telematics服務(wù)，主推智能語音導(dǎo)航、車輛智能控制、車輛診斷、緊急救援等服務(wù)。如通用安吉星、豐田G-Book、日產(chǎn)C A RW I N G S、上汽inka Net等。各品牌的Telematics系統(tǒng)相互獨立，不能兼容。

（2）互聯(lián)網(wǎng)公司以車載系統(tǒng)及軟件服務(wù)為切入點，側(cè)重車載系統(tǒng)+車聯(lián)網(wǎng)APP模式，通過和車廠合作，提供面向車主的內(nèi)容服務(wù)，為用戶提供導(dǎo)航、道路信息、遠程診斷、娛樂資訊、經(jīng)銷商活動等服務(wù)，如百度carnet、騰訊路寶盒子+APP等。

（3）第三方車載信息服務(wù)提供商側(cè)重后裝市場服務(wù)，提供面向4S店的OBD（On-Board Diagnostics）、后視鏡、行車記錄儀等終端設(shè)備的運營，將車聯(lián)網(wǎng)各類CP及SP所提供的資源進行整合，提供車友服務(wù)，如車友互聯(lián)的應(yīng)用管理、車友論壇、商業(yè)娛樂、安防導(dǎo)航、車險、O2O等綜合車載應(yīng)用服務(wù)。

（4）運營商依托網(wǎng)絡(luò)和云平臺資源優(yōu)勢，整合車廠、4S店、車主等生態(tài)鏈伙伴，提供端到端的移動通信、內(nèi)容整合、信息服務(wù)的綜合性云服務(wù)，如中國電信的車路路和翼車云平臺，中國移動的車聯(lián)網(wǎng)T平臺，中國聯(lián)通的TSSP平臺等。

2.2 新能源車技術(shù)特征分析

新能源汽車主要由電力驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，通過建立覆蓋生產(chǎn)和運行等各個環(huán)節(jié)的監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)新能源汽車全生命周期內(nèi)運行數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測。通過云平臺將新能源汽車行駛數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、操控數(shù)據(jù)、安全事件數(shù)據(jù)、時間與地理位置數(shù)據(jù)等融合在一起，為開展大數(shù)據(jù)分析提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，服務(wù)于故障分析、故障預(yù)警、事故快速處置、政策補貼審核、充電樁運行安全與配電監(jiān)控等需求。

新能源汽車核心部件動力電池主要存在三個方面的問題：一是電池串聯(lián)使用時部分電池容易過充電和過放電，這將造成這部分電池最先損壞，進而縮短了整組電池的使用壽命；二是其安全性和電池電量估算技術(shù)難度大；三是不同類型的電池特性差別大。電池管理系統(tǒng)（BMS）是電池與用戶之間的紐帶，主要用于監(jiān)控電池狀態(tài)，如監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)和單體電池間的均衡情況，準確估測動力電池組的荷電狀態(tài)等，再通過智能處理來提高電池利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電的情況，延長動力電池的使用壽命。

我國電動汽車電池管理系統(tǒng)供應(yīng)商主要分布在華東、華南地區(qū)。國內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)對比如表1所示：

表1 國內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)對比

BMS電池管理系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)電池電壓、溫度和所使用的環(huán)境來制定電池充放電功率，將信息反饋給整車，保障電池系統(tǒng)的安全運行。其中，最核心的三大功能為電芯監(jiān)控、荷電狀態(tài)估算以及單體電池均衡。

3 新能源車數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 BMS關(guān)鍵參數(shù)

電池的電壓、電流、溫度是電池管理系統(tǒng)主要的測量參數(shù)，結(jié)合合理有效的數(shù)學(xué)算法和策略估算出電池的SOC（State of Charge，荷電狀態(tài)）和SOH（State of Health，壽命狀態(tài)）等參數(shù)，并且對電池組充放電的最大電流和門限電壓進行實時控制，實現(xiàn)有效的高壓電安全管理和故障診斷功能。

3.2 BMS的采集內(nèi)容

（1）基本信息測量：單體電池電壓測量和電壓監(jiān)控、電池包電壓測量、電池溫度、流體溫度檢測、電流測量等。

（2）絕緣電阻檢測、高壓互鎖檢測（HVIL）。

（3）狀態(tài)估算：SOC和SOH估計、均衡、電池功率限制。

（4）輔助系統(tǒng)功能：繼電器控制、熱控制、充電控制。

（5）通信與故障診斷：通信功能、故障診斷和容錯運行。

3.3 DTU智能終端關(guān)鍵技術(shù)

基于汽車環(huán)境惡劣的車規(guī)級4G智能DTU（Data Transfer Unit，數(shù)據(jù)傳送終端）終端研發(fā)，重點是為滿足采集車載多參數(shù)的傳輸。動態(tài)采集車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，及時上傳到平臺進行分析，才能保證安全監(jiān)控、運營管理、電池監(jiān)控分析、報警管理等多項功能，解決新能源汽車能耗管理及充電的隱患問題。DTU終端一方面要適應(yīng)BMS、OBD等車聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的對接標(biāo)準，將各系統(tǒng)運行工況的參數(shù)實時傳輸至車聯(lián)網(wǎng)云平臺；另一方面通過GPS、北斗模塊、三軸陀螺儀芯片感知，實時采集到汽車路徑、停車位置、行駛過程中加減速和轉(zhuǎn)彎的動態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用運營商4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡脚_，提供“云管端”一體化服務(wù)應(yīng)用。

BMS管理功能主要有：充放電管理功能、電池高壓控制功能、電池電量計算功能、電池壽命估算、電池功率估算、絕緣檢測功能、被動均衡 功能、箱體熱管理功能、系統(tǒng)軟件更新功能、數(shù)據(jù)存儲功能等。

3.4 BMS關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

（1）采集模塊

電壓采集精度為±0.1 %，采樣范圍為0 V～5 V，采集周期為100 ms。溫度采集誤差為±1 ℃，采樣范圍為-40 ℃～+100 ℃，采集周期為500 ms。被動均衡電流為200 mA。

（2）絕緣檢測模塊

判斷依據(jù)為≥5 MΩ（40%RH，25 ℃），整體按照GB-T 18384.1-18384.3-2001標(biāo)準，絕緣檢測精度為10 kΩ，總電壓檢測精度為1 V。

（3）預(yù)充電模塊

繼電器驅(qū)動為2A 4路，繼電器驅(qū)動為3A 2路，預(yù)充電阻控制，繼電器吸合壓差控制。

（4）加熱管理方案

加熱系統(tǒng)功率為2 500 W，工作電壓為282 V～395 V，供電方式有電池自供電、外部電源供電。控制方法是當(dāng)電池溫度高于-20 ℃時電池可自加熱至5 ℃；在-20 ℃以下時，需要外部電源供電加熱（充電機），待電池溫度升高到-10 ℃以上時電池可自供電加熱；在電池系統(tǒng)溫度升高到5 ℃時停止加熱。

DTU智能終端對接汽車多參數(shù)采集數(shù)據(jù)源，提供無線傳輸通道和數(shù)據(jù)處理功能，需具有標(biāo)準輸入輸出接口的通用終端。終端制定開放的接口技術(shù)規(guī)范，配合相關(guān)廠家對接適配。所以，選擇合適的4G模塊等是DTU終端研發(fā)的關(guān)鍵點之一。DTU智能終端示意圖如圖1所示：

圖1 DTU智能終端示意圖

3.5 汽車數(shù)據(jù)通信終端DTU技術(shù)參數(shù)

內(nèi)置4G通信模塊，具有數(shù)據(jù)補發(fā)的功能。2路CAN總線接口，支持SAEJ1939、CAN Open、CCP等。內(nèi)置高精度GPS傳感器，4 Hz更新率，定位精度達2.5 m。支持2 G～64 G Sd存儲卡（可定制TF、flash等），可用于長時間存儲。體積小巧便于安裝，滿足汽車應(yīng)用溫度、振動及電源使用環(huán)境。內(nèi)置鋰電池，具備UPS功能，智能電源管理自動切換（汽車正常行駛中，采用汽車電瓶供電，當(dāng)電瓶控制閥門完全關(guān)斷時可以由內(nèi)置鋰電池提供電源繼續(xù)支持DTU進行工作），功耗低且具有休眠功能。支持各種功能要求的定制（適應(yīng)各種硬件功能接口及軟件控制邏輯要求）。

3.6 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

目前車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集方式主要有三種：一是以O(shè)BD終端來采集汽車數(shù)據(jù)，如中國電信廣東公司的車路路OBD系列產(chǎn)品、騰訊的路寶盒子、深圳元禎等都屬于OBD方式；二是智能手機裝載APP方式，比如斑馬智行、億連駕駛助手、愛駕樂、酷啦啦等APP可以收集定位、行駛記錄等數(shù)據(jù)；三是基于車機、后視鏡、行車記錄儀、HUD等智能終端。

OBD也叫在線診斷系統(tǒng)，在傳統(tǒng)石油汽車中用于4S店檢測汽車控制部件、發(fā)動機部件、電氣部件。車載OBD不僅能夠自動檢測，并且可以直接顯示發(fā)動機出現(xiàn)了什么故障。通過OBD接口采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)和汽車控制器內(nèi)部數(shù)據(jù)的交互，實時獲取整車相關(guān)的行駛數(shù)據(jù)，并上傳至云平臺進行大數(shù)據(jù)分析與處理 。

4 新能源車智能云平臺分析

4.1 新能源汽車運行監(jiān)測數(shù)據(jù)云存儲

車載智能終端上傳采集數(shù)據(jù)到平臺，平臺對傳感器數(shù)據(jù)以及其它特征數(shù)據(jù)等海量信息能進行智能處理，將這些數(shù)據(jù)同預(yù)定的失效判據(jù)進行比較，根據(jù)預(yù)定的各種參數(shù)指標(biāo)的極限值/閾值來提供故障報警，滿足數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、車輛異常報警等快速響應(yīng)的要求。同時，監(jiān)控系統(tǒng)平臺支撐幾萬臺直至幾十萬臺車輛實時數(shù)據(jù)的傳輸，需 具有應(yīng)對大并發(fā)和高時效的平臺處理能力。

（1）云平臺數(shù)據(jù)處理的特征有：

◆分層級設(shè)備樹結(jié)構(gòu)，單位→客戶名稱→汽車列表；

◆實時展現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)，并使用餅圖，折線圖，以多指標(biāo)對比展現(xiàn)的方式呈現(xiàn)給用戶；

◆方便而多樣的車輛跟蹤方式，快速定位車輛出現(xiàn)的異常指標(biāo)及其發(fā)生異常的時間、地點；

◆可以實現(xiàn)報警條件的組合設(shè)定，精確定位車輛異常；

◆完善的備份和恢復(fù)策略，為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供完整堅實的保障；

◆自動化監(jiān)控及管理，減少人工投入并提高工作效率；

◆良好的擴展性，可根據(jù)用戶需求進行二次開發(fā)，提供與第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

（2）運行監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺數(shù)據(jù)處理內(nèi)容

◆實時監(jiān)控：檢 測、分析、查看當(dāng)前活躍車輛，確定車輛的實時位置和運行軌跡，展示車輛指標(biāo)和異常分布圖；

◆異常處理：查看并處理車輛的異常報警，包含異常車輛數(shù)、指標(biāo)異常的數(shù)量、異常比例等；

◆車輛動態(tài)：查看實時異常數(shù)據(jù)，包含異常車輛數(shù)、異常占比、異常的綜合信息等；

◆單車跟蹤：對比展示單一車輛在三個月、一個月、一周、一天不同指標(biāo)的運行數(shù)據(jù)；

◆基礎(chǔ)數(shù)據(jù)關(guān)系：綁定車輛監(jiān)控所必須的數(shù)據(jù)關(guān)系，如車架號、車載終端、通訊用戶號碼等的關(guān)系；

◆報警條件：對監(jiān)控指標(biāo)設(shè)定報警條件，滿足條件則自動判定；

◆外部系統(tǒng)接口：針對主機廠與供應(yīng)商提供相應(yīng)的接口，便于進行實時數(shù)據(jù)傳輸和定時數(shù)據(jù)同步。

4.2 數(shù)據(jù)匯聚分析處理與決策預(yù)警

基于各種工況運行狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)以及維修歷史數(shù)據(jù)，對來自不同狀態(tài)監(jiān)測模塊以及其它采集模塊的信息進行融合，按自學(xué)習(xí)智能模式評估被監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)挖掘分析，預(yù)測故障發(fā)生的可能性。利用多傳感器信息融合技術(shù)進行大數(shù)據(jù)處理，提供自動故障診斷、部件故障預(yù)測、主動維修建議、產(chǎn)品優(yōu)化策略等服務(wù)。

（1）故障預(yù)測：通過對車聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)進行處理分析，可智能評估和預(yù)測被監(jiān)測系統(tǒng)下一步的運行可靠性情況。在預(yù)估到被監(jiān)測系統(tǒng)可能發(fā)生故障之前，主動提醒進行維修，有利于提高整車的使用效率、安全性、可靠性。

（2）人機交互：通過車載終端UI顯示、手機APP和微信、電話等方式，實現(xiàn)警告提醒等人機交互，通知預(yù)測故障和相關(guān)維修建議。如BMS 系統(tǒng)實現(xiàn)了對汽車電池電壓、電流、溫度等信息的監(jiān)測，一旦某個參數(shù)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會顯示報警。手機車聯(lián)網(wǎng)APP業(yè)務(wù)示意圖如圖2所示：

圖2 手機車聯(lián)網(wǎng)APP業(yè)務(wù)示意圖

4.3 新能源汽車數(shù)據(jù)開放服務(wù)

整合通信網(wǎng)絡(luò)和云計算能力，構(gòu)建端到端方案，打造面向行業(yè)合作伙伴的開放服務(wù)體系，實現(xiàn)汽車品牌、汽車互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、維修服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈資源匯聚。提供終端、安全、電信IT、第三方服務(wù)能力等資源匯聚；提供系統(tǒng)組合、編排、行業(yè)模板等能力化工具；提供流量卡、流控、計費結(jié)算等TSP汽車服務(wù)商虛擬運營能力。

（1）保險行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同，實現(xiàn)保險產(chǎn)品個性化定制、精確運營服務(wù)

開放車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，支撐UBI（Usage Based Insurance）差異化保險，保險公司可通過車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析，對被保險者的駕駛行為、行車狀態(tài)等風(fēng)險進行評估，這樣保險公司可以有效降低其賠付成本。

（2）互聯(lián)網(wǎng)化能力

采用互聯(lián)網(wǎng)化的能力開放系統(tǒng)架構(gòu)，支撐移動互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)，包括面向個人的基于車聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的LBS搜索和廣告、地圖及導(dǎo)航、移動O2O等應(yīng)用，提供線上線下結(jié)合的商業(yè)娛樂服務(wù)。面向汽車后服務(wù)商家，通過移動信息化向智能手機延伸和展現(xiàn)，進一步結(jié)合會員體系、POI（Point of Interest）運營、支付、 一站式租車等服務(wù)，幫助商家實現(xiàn)移動信息化轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，新能源車走在車聯(lián)網(wǎng)信息 化發(fā)展的前列，本文主要對新能源電池BMS對接、車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、智能云平臺等關(guān)鍵技術(shù)進行了分析與探討。未來，預(yù)計新能源車將繼續(xù)引領(lǐng)汽車行業(yè)的發(fā)展方向，如向V2X/智能交通演進，具備支持智能/無人駕駛能力；如實現(xiàn)ADAS和可穿戴設(shè)備的對接，車與智慧家庭的聯(lián)動，具備支持多種設(shè)備接入能力；如通過與第三方服務(wù)的對接，構(gòu)建各種涉車服務(wù)新場景的服務(wù)能力。隨著新能源車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷突破，新能源汽車市場規(guī)模越來越大，未來在新能源車聯(lián)網(wǎng)方面將有更美好的發(fā)展前景。

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Analysis on Online Monitoring Intelligent Management System for New Energy Vehicles

TAN Hua, WU Fei, LIN Ke, HU Jinghao
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

New energy vehicles are the focus of the current reform of the automotive industry. Both the battery safety monitoring of new energy vehicles and the informatization development of the Internet of Vehicles become the focus of the industry. In the light of the real-time monitoring of battery management data for new energy vehicles,the 4G terminals of the Internet of Vehicles were investigated to achieve the acquisition, upload, storage and intelligent processing of the multi-sensor data for the Internet of Vehicles, and provide the cloud platform service of new energy vehicles with the online monitoring and default analysis.

Internet of Vehicles battery management system intelligent vehicle terminal TSP automotive service platform

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.006

F224-39

A

1006-1010(2017)20-0033-06

譚華,吳飛,林克,等. 新能源汽車在線監(jiān)測智能管理系統(tǒng)分析[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 33-38.

2016年度廣東省科技發(fā)展專項資金項目（2016B 010108009）

2017-09-07

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

譚華：碩士畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院行業(yè)應(yīng)用研發(fā)中心，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)與集成。

吳飛：碩士畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院行業(yè)應(yīng)用研發(fā)中心，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用平臺研發(fā)與終端研發(fā)。

林克：碩士畢業(yè)于中山大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院行業(yè)應(yīng)用研發(fā)中心，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用新產(chǎn)品研發(fā)、NB-IoT產(chǎn)品研發(fā)。

胡敬豪：碩士研究生就讀于華南理工大學(xué)車輛工程專業(yè)，主要研究方向為電動方程式賽車性能開發(fā)與調(diào)校。