基于4G網(wǎng)絡(luò)的電單車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：電單車是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外短途便捷交通的主要工具。由于電單車多采用鋰離子電池作為其能源部件，而電池多是梯次利用的二級(jí)產(chǎn)品，存在安全系數(shù)低、應(yīng)急防護(hù)手段少、火災(zāi)事故偶爾發(fā)生等問(wèn)題。因此通過(guò)開(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電單車電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即確保電池在使用過(guò)程的安全性，同時(shí)也能有效地引導(dǎo)電池組應(yīng)用，是電單車城市安全治理的有效方式。本方案旨在設(shè)計(jì)一款電單車電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括4G模塊、云端服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制顯示平臺(tái)及可通信電池管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中對(duì)電單車電池單體電壓、充放電電流和電池SOC、壽命等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和狀態(tài)顯示，并對(duì)電池故障及相關(guān)問(wèn)題采取相應(yīng)的安全防護(hù)控制，從而保障電單車在充電過(guò)程的使用安全及實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：電單車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；4G模塊；云端服務(wù)器

中圖分類號(hào)：TP315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

電單車作為城市中主要的便捷交通工具［1］，其短途、低速、便攜的特點(diǎn)使其成為推動(dòng)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要工具之一。由于缺乏有效的電單車安全合格驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，為降低電單車制作成本，其能源系統(tǒng)多采用二次利用的鋰離子電池作為原料，電池管理［2］也進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化；一些商家采用廢舊電池作為電單車能源補(bǔ)給設(shè)備，由此造成當(dāng)前電單車安全系數(shù)低、應(yīng)急防護(hù)手段少等問(wèn)題，嚴(yán)重影響城市便捷交通的發(fā)展和對(duì)環(huán)境友好型交通工具的發(fā)展。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于4G網(wǎng)絡(luò)的電單車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由可通信電池管理系統(tǒng)、4G模塊、云端服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制顯示平臺(tái)組成（如圖1所示）。

其中，可通信鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）可實(shí)現(xiàn)對(duì)電單車電池單體電壓、充放電電流、系統(tǒng)溫度進(jìn)行采集［3］，并對(duì)電池剩余電量及壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)［45］，同時(shí)具備通信接口可將信息對(duì)外輸出［6］?？紤]電單車成本低廉化，4G模塊設(shè)置于電池充電柜當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程將電池信息以無(wú)線的方式傳輸給云端服務(wù)器，并通過(guò)遠(yuǎn)程控制顯示平臺(tái)將電池信息進(jìn)行顯示。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，一方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)電單車電池系統(tǒng)性能的預(yù)測(cè)；另一方面，也可對(duì)電池充電過(guò)程的失效行為進(jìn)行精準(zhǔn)防控，保障電池使用安全。

本文介紹基于4G網(wǎng)絡(luò)的電單車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的各組成的軟硬件設(shè)計(jì)方案及控制邏輯，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

2電單車電池管理系統(tǒng)

考慮電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文以15個(gè)20Ah的方形磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構(gòu)成電單車動(dòng)力電池系統(tǒng)，該電池系統(tǒng)所配備的管理系統(tǒng)（如圖2所示）采用STM32芯片，可同時(shí)采集15個(gè)電池單體電壓；具備3個(gè)基于熱敏電阻的溫度信息采集通道及一個(gè)基于霍爾傳感的電流信息采集通道，其中兩個(gè)溫度傳感器放置于電池系統(tǒng)當(dāng)中，另一個(gè)溫度傳感器布置于電單車充電器當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程電池組和充電器溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通信方面兼容CAN通信、RS485/232等多種通信模式，鑒于充電過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的靜態(tài)場(chǎng)景及低成本考慮，本文選擇RS485通信模式［9］。

本電池管理系統(tǒng)采用高精度ADC器件實(shí)現(xiàn)單體電池電壓采集，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電池剩余電量（SOC）以及壽命（SOH）等信息進(jìn)行估算［8］。其中，電池電壓Ucell采集方法如式（1）所示。

Ucell=（Datah×256+Datal）×φ1000-Δλ（Datah×256+Datal）×φ1000+Δλ（1）

其中：Datah為ADC器件傳輸給處理器的數(shù)據(jù)高8位；Datal為ADC器件傳輸給處理器的數(shù)據(jù)低8位；φ為增益因子，用于實(shí)現(xiàn)將ADC器件輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為微伏特（μV）為單位的電壓值；Δλ為ADC器件數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的偏移量。

電池剩余電量SOC評(píng)估算法如式（2）所示［6］。

ΔUCR（t0）=∑di=0（∑yj=0（∑xg=0lijgTg）Ij）Uiop（t0）ΔUi（t-t0）=ΔUCR（t0）t-t0UEMF（t）=UOP（t）-ΔUi（t-t0）SOC（t）=H（UEMF（t））（2）

其中，ΔUCR（t0）為電池從充放電結(jié)束時(shí)刻t0到恢復(fù)至平衡電動(dòng)勢(shì)時(shí)的電勢(shì)差，可采用關(guān)于充放電結(jié)束前電流I、系統(tǒng)溫度T，以及充放電結(jié)束前端電壓Uop等組成的多項(xiàng)式進(jìn)行擬合。其中l(wèi)ijg為多項(xiàng)式系數(shù)，d、y、x為階數(shù)。為方便計(jì)算，d=y=x=3；ΔUi（t-t0）為電池從本次充放電結(jié)束時(shí)刻t0到下一次充放電開(kāi)始時(shí)間t下端電壓變化值，采用指數(shù)函數(shù)表達(dá)，為端電壓變化底數(shù)，t-t0為指數(shù)；UEMF（t）為電池在時(shí)刻t的平衡電動(dòng)勢(shì)；SOC則可以根據(jù)UEMF（t）查表獲得。

電池壽命SOH可由以下算法獲得：

Qd（t）=Q（t）SOC（t）-SOC（t-1）if（Qd（t）>Qc）SOH（t）=100%elesSOH（t）=Qd（t）Qc×100%（3）

其中，Q（t）為某一時(shí)間段下電池充/放電量［7］，通過(guò)統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段下電池SOC的變化值，計(jì)算兩者之間比值可以獲得電池電量預(yù)測(cè)值Qd（t），并將該值與電量標(biāo)稱值Qc進(jìn)行比較，獲得的百分比即為電池剩余壽命SOH（t）。

通信方面，本文利用BMS板上RS485通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)外輸出［8］；考慮電單車的特殊性，采用安全充電柜對(duì)電單車電池開(kāi)展充電補(bǔ)給，并在此過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)電池信息的采集。每個(gè)充電柜可支持8塊電單車電池充電及數(shù)據(jù)采集。充電柜內(nèi)置多轉(zhuǎn)一RS485集線器，將電池?cái)?shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)配置有4G模塊［10］，可將電池?cái)?shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3云端服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制顯示平臺(tái)

本方案的云端服務(wù)器采用I76500U作為CPU，具備8GB內(nèi)存、2T存儲(chǔ)空間（如圖3所示）。

搭建的遠(yuǎn)程控制顯示平臺(tái)具備數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程控制功能，可兼容具備RS485通信的觸控屏幕及PC端界面顯示。其中，PC端界面如圖4所示。

該界面具備電池組頁(yè)面可選、數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程可操控等功能。根據(jù)當(dāng)前電單車通用磷酸鐵鋰電池特性，本遠(yuǎn)程控制平臺(tái)將單體電池電壓范圍設(shè)置為［2.5V，3.65V］，具備充電電流可設(shè)置功能，通過(guò)設(shè)置“限制電流Il”，當(dāng)單體電池電壓低于2.5V時(shí)，則以Il/10進(jìn)行涓流充電；當(dāng)單體電池電壓高于3.65V時(shí)，則系統(tǒng)強(qiáng)制停止充電。同時(shí)，系統(tǒng)具備溫度監(jiān)測(cè)功能，正常溫度范圍為［5℃，45℃］，若電池組溫度超過(guò)該范圍時(shí)，則強(qiáng)制停止充電。在頁(yè)面顯示窗口中，還具備充電電流、SOC、SOH等信息的顯示；在每組電池頁(yè)面當(dāng)中，通過(guò)按“信息儲(chǔ)存”鍵，可實(shí)現(xiàn)將系統(tǒng)所采集到的電池信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到云端服務(wù)器當(dāng)中。

通過(guò)云端服務(wù)器及遠(yuǎn)程控制顯示平臺(tái)的搭建，可將電單車電池系統(tǒng)在充電過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)觀測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)電池SOC、SOH及溫度信息，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)電池性能狀態(tài)判斷，保障電池安全。

4實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)本文所提系統(tǒng)進(jìn)行搭建（如圖5所示）。

系統(tǒng)采用8組電池組進(jìn)行循環(huán)充電測(cè)試，利用云端服務(wù)器記錄循環(huán)充電過(guò)程中電池SOH的變化情況，以全新電池、100次循環(huán)、500次循環(huán)、1000次循環(huán)為節(jié)點(diǎn)，并采用電池組測(cè)試設(shè)備（NewareCT400250V20A）對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)下電池組容量及SOH進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果如下表所示。

通過(guò)上表可得，本文所涉及方案與電池測(cè)試儀器的方案相接近，能較精準(zhǔn)地對(duì)電池組性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而保障電池組在充電過(guò)程中的安全性。

5結(jié)論

本文通過(guò)搭建基于4G網(wǎng)絡(luò)的電單車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在充電過(guò)程中將電單車電池信息進(jìn)行對(duì)外輸出的設(shè)計(jì)方案。主要完成的內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：

（1）本文所提的電單車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由可通信電池管理系統(tǒng)、4G模塊、云端服務(wù)器和遠(yuǎn)程控制顯示4HW5isSoNySUqPNOKlWCOg==平臺(tái)組成，可實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中將電池信息進(jìn)行遠(yuǎn)程輸送。

（2）本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電單車電池信息的采集，并通過(guò)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行顯示，提高電池使用過(guò)程的安全性。

（3）本設(shè)計(jì)采用云端服務(wù)器的方式，利用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中對(duì)電池信息的遠(yuǎn)程輸送。根據(jù)電池性能情況反饋給充電系統(tǒng)，從而減少了勞動(dòng)人力，提高了工作效率，提高了充電柜的負(fù)載。

當(dāng)然，電池內(nèi)部壓力、外部釋放氣體的監(jiān)測(cè)是當(dāng)前多數(shù)電池管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)考慮的監(jiān)測(cè)因素。通過(guò)深入研究電池外部表征與內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理之間的關(guān)系，增加電池信息采集傳感器，有利于更全面地掌握電池性能，是當(dāng)前電池企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

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資助項(xiàng)目：廣州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023B03J0002）；校級(jí)博士點(diǎn)建設(shè)單位科研能力提升項(xiàng)目（22GPNUZDJS43）；廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（2023306）

作者簡(jiǎn)介：姚錦祥（2000—），男，漢族，廣東汕頭人，碩士研究生，研究方向：車輛工程。

*通訊作者：許鈾（1983—），男，廣東汕頭人，博士，教授，研究方向：電動(dòng)汽車動(dòng)力電池。