基于北斗+5G 的动力电池通讯技术设计

陈德灯，韦相福，方 正，王天生，毛献昌

（广西交通职业技术学院，广西 南宁 530000）

0 引言

目前，新能源汽车发展飞速，尤其是新能源电动汽车的市场保有量加速增多，不管是纯电动还是混合动力电动汽车都是如此。电动汽车是一个以电能为主导的产品，电能在使用时就有极大的安全隐患，因此国内对新能源电动汽车安全问题越来越重视。新能源电动汽车的安全问题归根结底属于动力电池的安全性能。导致这个问题的产生主要是现阶段动力电池的制造工艺、工作环境、控制策略等因素影响下不能确保动力电池都有良好的性能，致使在运行时每一个动力电池包或者是单体电池实时的工作状态会出现很大的偏差。比如，在极端工况运行时会产生电池包某个单体电池温度过高、过放电、电流过大和电池鼓包等现象。这些情况的产生会严重影响动力电池的性能和寿命，甚至产生冒烟、起火、爆炸等安全事故。

基于这种现象，国内外针对性地作了很多相关的研究。Y Ye，J Liu[1]提出了一种基于耦合通信链的电池功率监测系统，用于水下作业设备的监控。该系统有利于远程操作和在线监测，大大扩展了电池检测技术的数量和范围。巫超凡、李绍铭[2]设计一种基于5G通信技术的动力电池实时监测系统，该系统能够实现系统对动力电池充放电运行状态下的实时监测、处理、警报功能，提高动力电池安全性及运行效益。梁贵毅，李树青[3-4]针对磷酸铁锂电池广泛应用，主要论述磷酸铁锂电池的特点，给出在通信基站配置原则和不同场景下配置方案。这些配置方案利于基站通信的建设，也给整个通信行业提供一定的参考依据。李巧玲等[5]就铁锂电池和铅酸蓄电池的特性进行对比分析，以及铁锂电池在通信电源系统运用中需要注意的问题进行了综合剖析。李树青[4]对铁锂电池和铅酸电池的特性进行了对比分析；并以铁锂电池为基础，对在电力通信电源系统中的应用应注意的问题进行了综合的分析。但是，在动力电池通讯的可靠性和通讯的精度方面，还有待提高，特别是，国家现阶段提出的北斗导航系统推广应用仍在起步阶段，需要加大力度。本研究在动力电池管理系统（BMS，即Battery Management System）原有功能上基于北斗+5G 的定位和通讯技术，设计了一款新型的新能源汽车动力电池通讯技术。

1 通讯系统结构设计方案

北斗+5G 的动力电池通讯系统是由北斗导航系统、5G 通讯系统、BMS、LINUX 控制系统、整车控制器（VCU）、CAN 网络系统、车载网络系统、感知系统（传感器）、车机显示系统和语音交互系统等等系统构成了整个动力电池的通讯技术，如图1 所示为北斗+5G的动力电池通讯系统结构。

图1 北斗+5G 的动力电池通讯系统

作为国内自主研发的北斗导航系统，承担着动力电池的精准定位，实时掌握动力电池包含单体电池的位置，使每个单体电池获得统一精准的时间控制。5G通讯系统在该系统承担着与网络云端的信号联系，通过高速的网络输实时得到动力电池的任务。BMS 是一种用于监测、控制和保护动力电池的系统。BMS 在电动车辆、能源存储系统等应用中起着至关重要的作用。BMS 通过监测电池的电压、电流、温度等参数，实时监测电池的状态和性能，但是不能实时传输给用户；电池均衡控制，通过控制电池均衡模块，将电池之间的电压差异减小，以提高电池的使用效率和寿命；充放电控制，可以监测电池的电流和电压；温度管理，BMS 可以监测电池的温度；故障检测与保护，BMS 可以检测电池组中的故障。LINUX 控制系统是一个遵循POSIX 的多用户、多任务、支持多线程和多CPU 的操作系统，在该系统承担着数据计算、运行处理的作用。CAN 网络系统，由两条双绞线组成，承担着数据的传输作用。车载网络系统，在该系统中承担着与其他系统的一个相互数据交换的作用；感知系统，相当于人的眼睛和皮肤承担着外界信息的传入作用；车机控制系统，作为驾驶员可以直接看到的系统，视觉获取动力电池实时状态。语音交互系统，在该系统中承担着用户与车机之间的交互，可以实现智能化地获取动力电池的某个或某些性能参数，让用户及时做出相应的对策。

2 通讯系统控制逻辑方案

该系统采用的是VMware Workstation V6.0，这是一款虚拟应用型软件，可以适用于大多数操作系统平台，比如WinNT/2000/XP 平台。VMware 是一个“虚拟PC”软件，可以实现在一台电脑上同步运行或者使用两个或更多的Windows、DOS、LINUX 等操作系统。本系统通过模块化的设计逻辑进行设置，将其划分为多个子模块组成的一个总系统。

2.1 系统控制逻辑

控制逻辑采用结构化控制方法，以BMS 为中心，多线路闭环控制。从感知层、控制层、执行层三个层面全面形成控制网络，如图2 所示。

图2 三个层面控制结构

用户从上车启动（上电）车辆开始，动力电池管理系统（BMS）就开始进行状态自检，确认完成后，进入初始化程序，接着到主循环程序，进入循环控制阶段。在控制循环当中最重要的是循环的判断，循环的判断依据就是标准参数。标准参数一般在设计阶段就已经根据动力电池的具体参数设定好，不可变化。对于各个控制模块来说，需要根据模块各自相应的位置和功能决定循环次序和循环时间。

动力电池的电池包内有各类传感器，包括温度传感器、压力传感器等等。这些传感器就是感知层将接受到的信息转化为信号传递给BMS 或其他后台寄存数据库，由BMS 与设定的标准阈值进行对比。当数值在设定的标准阈值范围之内，则系统发出正常信号指示，并显示在车机上给用户了解。当系统判断数据不在预设的标准阈值范围之内，则系统会发出警报信号提醒，并且显示在车机上提醒用户注意故障，避免相关工作人员发生事故。同时BMS 将处理过的信息和北斗导航系统获取的定位信息利用5G 网络通过CAN 总线上传到云平台，车端才能获取大量的信息。该系统的重要流程如图3 所示。

图3 系统重要流程示意图

2.2 参数显示页面

该系统用于人机交互及显示平台采用一个跨平台C++图形用户界面应用程序进行设计。这个平台主要显示的数据类型为动力电池实时常规数据显示模块、重要数据监测模块、安全警报模块，平台显示界面如图4 所示。

图4 平台显示界面

动力电池实时常规数据显示模块主要将电池包上测量的电压、电流、温度等显示出来。该模块一般情况下不作为优先显示的界面，只有用户或者维修人员操作才能看得见。重要数据监测模块可收集整理数据进行动态化管理和可视化处理，让用户能够掌握电池实时状态。同时该管理模块还具有数据的保留、删除、备份、上传、共享等功能。警报模块则是通过对数据数值与内置的安全阈值进行比较，分析电池状态是否存在安全隐患，同时该显示界面还可将动力电池位实时定位进行显示。

3 测试仿真结果与分析

模拟新能源汽车动力电池组进行监测，避免了在实车过程中难以采集信号。如图5 所示为北斗+5G 的动力电池通讯系统。本次测试仿真过程采用的是锂离子电池，由标准8 节单体电池串联而成的锂离子电池组成的电池组进行相关测试仿真，电池电压为3.7 V，容量为40 Ah。

图5 北斗+5G 的动力电池通讯系统的示意图

为了对设计的系统进行测试验证，采用的动力电池测试平台是BTS 。BTS 系统是一个可以自行编写程序进行控制的动力电池性能测试设备，具体的设备参数如表1 所示。

表1 设备参数

为验证 北斗+5G 的动力电池通讯系统的可靠性和准确性，反复测量仿真的动力电池并将数据同步上传至云端，得到相关数据如表2 所示。

表2 电池电压电流测量值

4 结语

新能源汽车动力电池状态的变化关系到整车的性能及行车安全，能够实时掌握动力电池的状态变化对于用户和维修人员都是非常有利。本文基于北斗+5G 的通讯和定位手段设计了一款动力电池通讯技术，用户和维修人员都能有效利用平台监测到的数据做出有效措施。