基于北斗+5G 的動力電池通訊技術設計

陳德燈，韋相福，方 正，王天生，毛獻昌

（廣西交通職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

目前，新能源汽車發(fā)展飛速，尤其是新能源電動汽車的市場保有量加速增多，不管是純電動還是混合動力電動汽車都是如此。電動汽車是一個以電能為主導的產品，電能在使用時就有極大的安全隱患，因此國內對新能源電動汽車安全問題越來越重視。新能源電動汽車的安全問題歸根結底屬于動力電池的安全性能。導致這個問題的產生主要是現(xiàn)階段動力電池的制造工藝、工作環(huán)境、控制策略等因素影響下不能確保動力電池都有良好的性能，致使在運行時每一個動力電池包或者是單體電池實時的工作狀態(tài)會出現(xiàn)很大的偏差。比如，在極端工況運行時會產生電池包某個單體電池溫度過高、過放電、電流過大和電池鼓包等現(xiàn)象。這些情況的產生會嚴重影響動力電池的性能和壽命，甚至產生冒煙、起火、爆炸等安全事故。

基于這種現(xiàn)象，國內外針對性地作了很多相關的研究。Y Ye，J Liu[1]提出了一種基于耦合通信鏈的電池功率監(jiān)測系統(tǒng)，用于水下作業(yè)設備的監(jiān)控。該系統(tǒng)有利于遠程操作和在線監(jiān)測，大大擴展了電池檢測技術的數(shù)量和范圍。巫超凡、李紹銘[2]設計一種基于5G通信技術的動力電池實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)系統(tǒng)對動力電池充放電運行狀態(tài)下的實時監(jiān)測、處理、警報功能，提高動力電池安全性及運行效益。梁貴毅，李樹青[3-4]針對磷酸鐵鋰電池廣泛應用，主要論述磷酸鐵鋰電池的特點，給出在通信基站配置原則和不同場景下配置方案。這些配置方案利于基站通信的建設，也給整個通信行業(yè)提供一定的參考依據(jù)。李巧玲等[5]就鐵鋰電池和鉛酸蓄電池的特性進行對比分析，以及鐵鋰電池在通信電源系統(tǒng)運用中需要注意的問題進行了綜合剖析。李樹青[4]對鐵鋰電池和鉛酸電池的特性進行了對比分析；并以鐵鋰電池為基礎，對在電力通信電源系統(tǒng)中的應用應注意的問題進行了綜合的分析。但是，在動力電池通訊的可靠性和通訊的精度方面，還有待提高，特別是，國家現(xiàn)階段提出的北斗導航系統(tǒng)推廣應用仍在起步階段，需要加大力度。本研究在動力電池管理系統(tǒng)（BMS，即Battery Management System）原有功能上基于北斗+5G 的定位和通訊技術，設計了一款新型的新能源汽車動力電池通訊技術。

1 通訊系統(tǒng)結構設計方案

北斗+5G 的動力電池通訊系統(tǒng)是由北斗導航系統(tǒng)、5G 通訊系統(tǒng)、BMS、LINUX 控制系統(tǒng)、整車控制器（VCU）、CAN 網(wǎng)絡系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡系統(tǒng)、感知系統(tǒng)（傳感器）、車機顯示系統(tǒng)和語音交互系統(tǒng)等等系統(tǒng)構成了整個動力電池的通訊技術，如圖1 所示為北斗+5G的動力電池通訊系統(tǒng)結構。

圖1 北斗+5G 的動力電池通訊系統(tǒng)

作為國內自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)，承擔著動力電池的精準定位，實時掌握動力電池包含單體電池的位置，使每個單體電池獲得統(tǒng)一精準的時間控制。5G通訊系統(tǒng)在該系統(tǒng)承擔著與網(wǎng)絡云端的信號聯(lián)系，通過高速的網(wǎng)絡輸實時得到動力電池的任務。BMS 是一種用于監(jiān)測、控制和保護動力電池的系統(tǒng)。BMS 在電動車輛、能源存儲系統(tǒng)等應用中起著至關重要的作用。BMS 通過監(jiān)測電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，實時監(jiān)測電池的狀態(tài)和性能，但是不能實時傳輸給用戶；電池均衡控制，通過控制電池均衡模塊，將電池之間的電壓差異減小，以提高電池的使用效率和壽命；充放電控制，可以監(jiān)測電池的電流和電壓；溫度管理，BMS 可以監(jiān)測電池的溫度；故障檢測與保護，BMS 可以檢測電池組中的故障。LINUX 控制系統(tǒng)是一個遵循POSIX 的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU 的操作系統(tǒng)，在該系統(tǒng)承擔著數(shù)據(jù)計算、運行處理的作用。CAN 網(wǎng)絡系統(tǒng)，由兩條雙絞線組成，承擔著數(shù)據(jù)的傳輸作用。車載網(wǎng)絡系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中承擔著與其他系統(tǒng)的一個相互數(shù)據(jù)交換的作用；感知系統(tǒng)，相當于人的眼睛和皮膚承擔著外界信息的傳入作用；車機控制系統(tǒng)，作為駕駛員可以直接看到的系統(tǒng)，視覺獲取動力電池實時狀態(tài)。語音交互系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中承擔著用戶與車機之間的交互，可以實現(xiàn)智能化地獲取動力電池的某個或某些性能參數(shù)，讓用戶及時做出相應的對策。

2 通訊系統(tǒng)控制邏輯方案

該系統(tǒng)采用的是VMware Workstation V6.0，這是一款虛擬應用型軟件，可以適用于大多數(shù)操作系統(tǒng)平臺，比如WinNT/2000/XP 平臺。VMware 是一個“虛擬PC”軟件，可以實現(xiàn)在一臺電腦上同步運行或者使用兩個或更多的Windows、DOS、LINUX 等操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過模塊化的設計邏輯進行設置，將其劃分為多個子模塊組成的一個總系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)控制邏輯

控制邏輯采用結構化控制方法，以BMS 為中心，多線路閉環(huán)控制。從感知層、控制層、執(zhí)行層三個層面全面形成控制網(wǎng)絡，如圖2 所示。

圖2 三個層面控制結構

用戶從上車啟動（上電）車輛開始，動力電池管理系統(tǒng)（BMS）就開始進行狀態(tài)自檢，確認完成后，進入初始化程序，接著到主循環(huán)程序，進入循環(huán)控制階段。在控制循環(huán)當中最重要的是循環(huán)的判斷，循環(huán)的判斷依據(jù)就是標準參數(shù)。標準參數(shù)一般在設計階段就已經(jīng)根據(jù)動力電池的具體參數(shù)設定好，不可變化。對于各個控制模塊來說，需要根據(jù)模塊各自相應的位置和功能決定循環(huán)次序和循環(huán)時間。

動力電池的電池包內有各類傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器等等。這些傳感器就是感知層將接受到的信息轉化為信號傳遞給BMS 或其他后臺寄存數(shù)據(jù)庫，由BMS 與設定的標準閾值進行對比。當數(shù)值在設定的標準閾值范圍之內，則系統(tǒng)發(fā)出正常信號指示，并顯示在車機上給用戶了解。當系統(tǒng)判斷數(shù)據(jù)不在預設的標準閾值范圍之內，則系統(tǒng)會發(fā)出警報信號提醒，并且顯示在車機上提醒用戶注意故障，避免相關工作人員發(fā)生事故。同時BMS 將處理過的信息和北斗導航系統(tǒng)獲取的定位信息利用5G 網(wǎng)絡通過CAN 總線上傳到云平臺，車端才能獲取大量的信息。該系統(tǒng)的重要流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)重要流程示意圖

2.2 參數(shù)顯示頁面

該系統(tǒng)用于人機交互及顯示平臺采用一個跨平臺C++圖形用戶界面應用程序進行設計。這個平臺主要顯示的數(shù)據(jù)類型為動力電池實時常規(guī)數(shù)據(jù)顯示模塊、重要數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、安全警報模塊，平臺顯示界面如圖4 所示。

圖4 平臺顯示界面

動力電池實時常規(guī)數(shù)據(jù)顯示模塊主要將電池包上測量的電壓、電流、溫度等顯示出來。該模塊一般情況下不作為優(yōu)先顯示的界面，只有用戶或者維修人員操作才能看得見。重要數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊可收集整理數(shù)據(jù)進行動態(tài)化管理和可視化處理，讓用戶能夠掌握電池實時狀態(tài)。同時該管理模塊還具有數(shù)據(jù)的保留、刪除、備份、上傳、共享等功能。警報模塊則是通過對數(shù)據(jù)數(shù)值與內置的安全閾值進行比較，分析電池狀態(tài)是否存在安全隱患，同時該顯示界面還可將動力電池位實時定位進行顯示。

3 測試仿真結果與分析

模擬新能源汽車動力電池組進行監(jiān)測，避免了在實車過程中難以采集信號。如圖5 所示為北斗+5G 的動力電池通訊系統(tǒng)。本次測試仿真過程采用的是鋰離子電池，由標準8 節(jié)單體電池串聯(lián)而成的鋰離子電池組成的電池組進行相關測試仿真，電池電壓為3.7 V，容量為40 Ah。

圖5 北斗+5G 的動力電池通訊系統(tǒng)的示意圖

為了對設計的系統(tǒng)進行測試驗證，采用的動力電池測試平臺是BTS 。BTS 系統(tǒng)是一個可以自行編寫程序進行控制的動力電池性能測試設備，具體的設備參數(shù)如表1 所示。

表1 設備參數(shù)

為驗證 北斗+5G 的動力電池通訊系統(tǒng)的可靠性和準確性，反復測量仿真的動力電池并將數(shù)據(jù)同步上傳至云端，得到相關數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 電池電壓電流測量值

4 結語

新能源汽車動力電池狀態(tài)的變化關系到整車的性能及行車安全，能夠實時掌握動力電池的狀態(tài)變化對于用戶和維修人員都是非常有利。本文基于北斗+5G 的通訊和定位手段設計了一款動力電池通訊技術，用戶和維修人員都能有效利用平臺監(jiān)測到的數(shù)據(jù)做出有效措施。