电动汽车动力电池状态远程监测系统设计

李晓辉 ，张向文 ，2，侯少阳

1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004 2.桂林电子科技大学 广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西 桂林 541004

电动汽车动力电池状态远程监测系统设计

李晓辉1，张向文1，2，侯少阳1

1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004 2.桂林电子科技大学 广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西 桂林 541004

为了实时监测电动汽车动力电池状态和故障情况，提高电动汽车运行的安全性，设计并实现了一种基于Android的电动汽车动力电池状态远程监测系统。该系统在车载端实时采集电池状态测量信息和位置信息，并将信息利用GSM/GPRS通信模块定时传送给远程监测中心；远程监测中心对上传的信息进行接收、存储和分析，实现对电动汽车运行状态的实时监测，对电池性能做出分析评价；同时开发了一款手机APP，利用HTTP协议实现与监测中心的Web服务器的通信，实现对电动汽车运行状态的实时监测。通过实验测试，本系统设计合理、运行稳定，具有良好的应用前景。

电动汽车；动力电池；远程监测；通用分组无线服务技术（GPRS）；Android

1 引言

电动汽车是解决能源危机和环境污染问题的有效手段，然而，电池技术的相对落后制约了电动汽车的推广应用。电动汽车的动力电池状态可以通过电池管理系统（BMS）进行测量和管理，但是，目前的BMS大部分没有实现电池状态信息的远程监测[1-4]。在电动汽车运行的过程中，由于动力电池组的工作状态受不同环境因素的影响，电池在持续工作时，会出现如单体温度过高、电流过大、过放电和过充电等情况，对电池造成一定程度的损坏，甚至引起电池毁坏发生爆炸事件。利用电动汽车动力电池的远程监测系统，电动汽车厂商和车主可以实时了解电动汽车动力电池的工作状态和故障情况，对动力电池故障进行及时的处理，从而提高动力电池使用的安全性[5]。另外，远程监控终端可以提供功能完善的数据库，通过数据回放，对数据进行二次分析，为改进BMS和进行电动汽车故障或事故的分析提供科学依据[6-8]。

国内外在电动汽车远程监控系统的研究上都取得了一定的成果。在国外，日本的日产汽车公司为其研制的电动汽车EV-11开发了一款远程手机监控软件，当在IPhone客户端接入无线网络的情况下运行该监控软件，就可以对EV-11电动汽车运行状态数据进行远程监控；美国福特汽车公司开发的一套远程监控系统，通过无线网络实现对动力电池运行状态进行全面监控，读取温度、电压和电流等重要参数，另外，该系统还可以完成电池管理系统的远程升级服务。在国内，上海交通大学机械工程学院开发了应用于新能源汽车示范运营的远程监控原型系统[9]；吉林大学汽车工程学院开发的电动汽车远程监控系统可以对电动汽车电池进行故障诊断[10]。综合国内外的研究现状，国内在实时性、可靠性等核心技术方面与国外还存在一定程度的差距，并且现有的电动汽车远程监控系统大多采用Web形式，只能在监控中心查看电动汽车的运行状况，办公地点固定，不能随时随地查看电动汽车的运行状态信息，有一定的局限性[11]。

本文提出一种基于Android的电动汽车动力电池状态远程监测系统，以STM32为主控制器，利用CAN总线技术、GPS定位技术和GPRS无线技术，传输BMS采集的数据和汽车位置信息到远程服务器端进行数据存储、处理和分析，有助于研究人员对电动汽车动力电池在不同环境下的运行状况进行专业分析。此外，开发了一款Android手机APP，不受时间空间的限制，对电动汽车的运行状态信息和位置信息进行远程监测。这样，用户既可以在PC端，也可以通过Android智能手机，随时随地进行电动汽车动力电池状态的远程监测和跟踪。实现了传统监测系统与Android智能终端的有机结合，提高了对电动汽车动力电池状态监测的灵活性和方便性。

2 监测系统整体方案设计

基于Android的电动汽车动力电池状态远程监测系统如图1所示，由车载终端数据采集系统[12]、远程监测中心系统和Android智能手机监测系统组成。

图1 远程监测系统组成

车载终端数据采集系统以STM32为主控制器，通过自主制定的CAN通信协议采集电池状态信息，然后通过液晶屏进行实时显示。同时，利用GPS定位模块实时获取电动汽车GPS位置信息，并利用GSM/GPRS模块定时上传电池状态信息、汽车位置信息以及其他重要信息的数据帧。这些信息被移动运营商的GPRS网络的收发机所接收，按照数据帧的网络地址[13]，GPRS网络将数据通过网关传送到Internet网络，最终到达相应远程监测中心系统。

远程监测中心系统将接收的数据存储在SQL Serve数据库中，并对数据进行处理和分析，实现对电动汽车动力电池状态和GPS信息的远程实时监测[14]。通过查看电动汽车有关参数的历史数据，了解电动汽车的故障信息，可以对电动汽车动力电池性能进行分析评价，对电动汽车的运行轨迹进行跟踪。另外，在远程监测中心系统搭建了一个由SQL Serve+Java+Apache组成的三层结构的Web服务器[15]，实现了Android智能手机监测系统和Web服务器端的数据交互。Android智能手机可以通过HTTP协议对Web服务器进行访问，获取电动汽车动力电池状态的有关数据，直观地显示在Android智能手机监测系统的UI上，实现Android智能手机的远程实时监测。

3 车载终端数据采集系统设计

车载终端数据采集系统由主控芯片、GSM/GPRS无线通信模块、GPS卫星定位模块、CAN功能模块和显示模块等模块组成，是一种典型的嵌入式设备，硬件原理框图如图2所示。

图2 车载终端硬件原理框图

主控芯片MCU采用STM32系列的微处理器。由于功能较多，为了保证系统实时性和简化软件设计，采用多任务模式，移植了基于实时内核RTOS（uC/OS-Ⅱ）的小型嵌入式系统。

CAN功能模块采用的芯片是TJA1050，该芯片支持CAN V2.0B技术规范，采用11个字节长度标识符的标准帧，其稳定性高，可靠性强。MCU（STM32）的所有型号芯片中都具有bxCAN控制器，bxCAN接口可以自动地接收和发送CAN报文，支持标准标识符和扩展标识符，便于对CAN功能模块的控制。

GSM/GPRS无线通信模块和GPS卫星定位模块采用一款低功耗的SIM908模块，它具有GSM/GPRS无线通信功能和GPS信息采集功能，内部集成TCP/IP协议栈且扩展了TCP/IP-AT指令的三频段模块。MCU通过串口与GSM模块连接，再通过无线传输网络，把解析整理好的电池状态数据及电动汽车的GPS位置数据传输到远程监测中心系统，具有良好的稳定性和可靠性。

显示模块采用ALIENTEK推出的一款高性能7寸电容触摸屏，屏幕分辨率800×480，16位真彩显示，自带LCD控制器，通过FSMC总线接口实现MCU（STM32）和液晶屏的数据通信，具有非常好的操控效果。通过设计友好的人机交互界面，电动汽车的车主可以随时查看电动汽车动力电池的状态信息，当电池状态异常时，可以及时采取相应的措施，防止对电动汽车造成损害。

4 远程监测中心系统设计

远程监测中心系统采用基于TCP/IP的C/S开发模式，数据库采用SQL Server关系型数据库，利用C++编程语言进行远程监测系统软件开发。该系统实现了对车载终端数据采集系统发来数据的接收、存储和分析。远程监测中心系统主要功能有：电动汽车位置实时监测、电动汽车运动轨迹回放、电池状态信息实时监测和历史分析，以及Web服务器的搭建，系统功能框图如图3所示。

图3 远程监测中心系统功能框图

车载终端数据采集系统实时传回电动汽车当前的位置、速度、经度和纬度等GPS测量信息。远程端通过对GPS信息的解析在百度地图上展示出来，实现对电动汽车位置实时跟踪监测，掌握电动汽车在道路上的行驶情况。利用获得的位置信息，可以对电动汽车的历史行驶路线在百度地图上重新予以回放，查看电动汽车的行驶轨迹，便于对电动汽车运行状况进行分析。

远程端通过对电动汽车电池总体电压、总电流、SOC、单体电压和电池故障等信息的监测，直观显示在监测界面，电动汽车厂商和车主可以及时了解电动汽车电池状态参数的变化情况。同时，实现了总体电池电压历史分析、总体电池电流历史分析、单体电池电压历史分析、电池组SOC历史分析和电池故障历史分析。在电池组参数的历史分析中，以时间为横坐标，相应的参数值为纵坐标，绘制某一段时间的参数值变化，可以形成连续变化的历史曲线。通过对电池组参数历史曲线的分析，可以对电动汽车动力电池性能做出分析评价。在电池故障历史分析中，记录电池发生某故障的次数，比如绝缘过低、单体过放、单体过充，总压过低和短路保护等电池故障信息。

系统的Web服务器由SQL Serve+Java+Apache三层结构组成。采用J2EE作为开发平台，同时采用Tomcat做Web应用服务器软件，它是一个超文本传输协议（HTTP）服务器。其工作原理：当客户端发出请求时，Tomcat服务器中的Servlet容器使用Servlet Request对象把客户端的请求信息封装起来，然后调用Java Servlet API中定义的一些Servlet方法，完成Servlet的执行，然后将Servlet执行的要返回给客户端的结果封装到 Servlet Response对象中。最后，Servlet容器把客户端的请求发给用户，完成为客户端的一次服务过程。

5 Android智能手机监测系统设计

Android智能手机监测系统的设计采用Eclipse工具下的Android插件进行开发。程序设计主要基于Java语言对其进行实现，并调用了Android的部分API函数库。Android系统由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，它是一种基于Linux的自由的操作系统，Android SDK给开发者提供了丰富的API[16-17]。

Android智能手机监测系统的主要功能是通过与Web服务器通信，获取电动汽车的状态数据，并且利用功能界面直观地显示出相应的数据，实现Android智能手机的远程监测功能。因此，Android智能手机监测系统主要由通信和显示两大模块组成，此外还包括登录模块和设置模块。其中显示模块分为电动汽车电池参数显示模块和地图显示模块，如图4所示。

图4 Android智能手机监测系统功能模块

5.1 通信模块

通信模块实现与Web服务器的通信。本系统利用JSON格式数据实现与Web服务器端的数据交互[18]。在通信过程中，线程使用HTTP协议中的Http URL Connection方法进行请求/响应，Web服务器收到请求后，将请求数据封装成JSON格式，通过HTTP协议响应到Android智能手机监测系统，返回的结果代码为200时，请求成功，再对接收到的JSON格式的数据进行解析，将数据显示在Android手机UI上。

5.2 显示模块

显示模块负责实时监测电动汽车的状态信息，以方便用户随时进行查看。它分为电动汽车电池参数显示模块和地图显示模块。

电动汽车电池参数显示模块实现对电动汽车电池组总体电压、总体电流、SOC、单体电压和电池故障等信息的显示。利用定时器，每隔5 s向服务器发送一次请求，通过返回的数据更新UI，实现对电动汽车电池的实时监测。电动汽车电池的总体电压、总电流和SOC的历史曲线回放，则通过向服务器发送请求，把某段时间的数据从数据库中提取出来并返回到Android手机端，在用户界面上进行显示，分析它们的变化情况。

地图显示模块用于电动汽车位置实时监测和历史轨迹回放功能中，实现电动汽车位置的实时显示和轨迹描绘。它们都是基于百度地图设计开发的，需要在布局设计中添加Map View用来显示地图。

电动汽车位置实时监测：当用户需要对电动汽车位置进行实时监测时，通过定时器，每隔5 s，向Web服务器发送位置请求，Web服务器将GPS信息回传给Android智能手机监测系统。通过调用百度地图Android SDK中的API插件，用Map View进行地图显示，使用户能够监测到电动汽车的实时位置变化。

电动汽车历史轨迹回放：历史轨迹回放是重现电动汽车某一段时间内的行驶情况，在百度地图上以点、线的形式表现出来。Android智能手机监测系统向Web服务器发送请求，Web服务器返回某段时间内的电动汽车历史轨迹数据，再调用百度地图 Android SDK中的API插件，用Map View进行地图显示，使用户能够查看到电动汽车的历史运行轨迹。

5.3 登录模块

当用户打开应用软件后，进入登录界面，有注册和登录功能。如有账户可直接登录，没有账户可以进行相应的注册。用户进行注册后，将用户信息上传到远程监测中心系统的数据库进行管理，用户登录时，通过访问远程监测中心系统数据库的用户信息，匹配后才能登录成功。

5.4 设置模块

设置模块主要进行系统的常规设置，目前设计了单体信息更新频率、总体信息更新频率、电池故障更新频率、服务器的IP和端口设置功能。在Android中，最简单的持久化数据的办法是使用首选项应用程序接口（Preferences API），设置模块利用首选项（preferences）来实现。

6 实验结果与分析

为了对设计的系统进行验证，利用实验室的ARBIN电动汽车动力电池测试系统平台进行测试。ARBIN是可以编程控制的电池测试仪器，充放电电压范围20～400 V，充放电电流范围±200 A，电流分2个量程±200 A/50 A，电压精度±0.1%FSR，电流精度±0.1%FSR。测试使用的动力电池是中航锂电池SA40AHA，电池成组方式为1并12串，这样整体电池组额定电压38.4 V，额定容量40 Ah，电池组正常工作电压33.6～43.2 V，车载终端数据采集系统如图5所示。

图5 车载终端数据采集系统

采集终端通过CAN总线与实验室设计的BMS模块相连，对数据进行采集，并且通过ARBIN的编程控制，对电池组循环充放电。放电时模拟电动汽车的各种运行工况，测试电池组的电压、电流，温度的变化和故障报警功能，验证该系统的监测能力。整个系统运行时，在车载终端数据采集系统通过7寸LCD显示电池管理系统的主菜单，如图6所示。当点击相应功能，则在车载终端数据采集系统中进行相应信息的监测。

图6 电池管理系统主菜单

在远程监测中心系统，可以同时实现对电池单体电压、总体电压、总体电流、SOC和电池故障信息等参数的监测。在某一时刻点，远程监测中心系统的实时监测界面如图7所示。

图7 监测中心实时监测界面

在Android智能手机监测系统中，同样可以实时监测电池运行的全部参数，与远程监测中心系统同步监测。在某一时刻点，Android智能手机监测系统实时的监测界面如图8所示。

图8 Android手机端实时监测界面

远程监测中心系统和Android智能手机监测系统都可以实现对电动汽车位置的实时定位，它们的定位监测界面如图9所示。

图9 定位监测界面

通过选取某段时间的总体电压，可以得到在这一段时间内的总体电压历史曲线。根据实验测得的数据，分别在ARBIN测试系统、远程监测中心系统和Android智能手机监测系统得出总体电压历史曲线如图10所示。

图10 总体电压历史曲线

通过选取某段时间的总电流，可以得到在这一段时间的总电流历史曲线。根据实验测得的数据，分别在ARBIN测试系统、远程监测中心系统和Android智能手机监测系统得出总电流历史曲线图如图11所示。

通过选取某段时间的SOC，可以得到在这一段时间的SOC历史曲线。根据实验测得的数据，分别在ARBIN测试系统、远程监测中心系统和Android智能手机监测系统得出SOC历史曲线图如图12所示。

图11 总电流历史曲线

图12 SOC历史曲线

7 结束语

本文设计并实现了一种电动汽车动力电池状态远程监测系统，该系统由车载终端数据采集系统、远程监测中心系统和Android智能手机监测系统组成。车载终端数据采集系统实时采集电池状态信息，通过7寸LCD液晶屏进行实时显示，同时利用GPS定位模块实时获取电动汽车GPS位置信息，并定时将这些信息通过GPRS网络和Internet网络传输到远程监测中心系统。远程监测中心系统对信息进行存储、处理和分析，实现对电动汽车动力电池状态和GPS信息的远程实时监测，另外，对电动汽车动力电池的性能进行分析评价和对电动汽车的运行轨迹进行跟踪。同时，Android智能手机监测系统通过与远程监测中心系统的Web服务器进行通信，实现了基于Android智能手机的动力电池状态的实时监测，提高了对电动汽车动力电池状态监测的灵活性和方便性。

通过实验测试，本系统运行稳定，数据记录完整，历史数据的回放及曲绘制也都直观清晰，较好地实现了对电动汽车动力电池状态的实时监测与运行状态的分析，证明了该系统的有效性和实用性。

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LI Xiaohui1,ZHANG Xiangwen1，2,HOU Shaoyang1

1.School of Electronic Engineering andAutomation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi 541004,China 2.Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi 541004,China

Design of remote monitoring system for electric vehicle power battery.Computer Engineering and Applications,2017,53（21）：233-238.

In order to monitor the status and fault condition of the electric vehicle power battery in real-time,and improve the operation security of electric vehicles,a remote monitoring system for BMS based on a new mobile operation system-Android is designed and implemented in this page.The battery state data and the GPS data are collected in the vehicle terminal and sent to the remote monitoring center by GSM/GPRS communication module.The remote monitoring center receives,stores and analyzes the uploaded information,so that achieves real time monitoring of running state of electric vehicle,and analyzes and evaluates the battery performance.Meanwhile,a mobile phone APP is developed,and its communication with the Web server of the remote monitoring center is realized by HTTP protocol,so the running state of electric vehicle and battery information can be monitored with a phone in real time.The system is tested,and its design rationality,reliability and stability are verified,so it has a good application prospects.

electric vehicle;power battery;remote monitoring;General Packet Radio Service（GPRS）;Android

A

TP277；TP37；TP393

10.3778/j.issn.1002-8331.1605-0439

广西科学研究与技术开发课题（No.桂科重1348003-4）；广西自动检测技术与仪器重点实验室基金（No.YQ14111）。

李晓辉（1991—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车电子，E-mail：1032139901@qq.com；张向文（1976—），男，博士，研究员，研究方向为汽车电子控制；侯少阳（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车电子。

2016-05-31

2016-08-18

1002-8331（2017）21-0233-06

CNKI网络优先出版：2016-12-16,http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20161216.1400.020.html