基于物联网的汽车动力电池充电监控系统

程方晓，王 旭

(长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012)

基于物联网的汽车动力电池充电监控系统

程方晓，王 旭

(长春工业大学电气与电子工程学院，长春 130012)

针对汽车动力电池充电时间过长、充电过程中出现的故障以及充电结束后不能及时获取结果等问题，以动力电池的电压、电流及温度为监测参量，设计了一种基于物联网的汽车动力电池充电监控系统。对系统总体进行分析及描述，完成了物联网系统的硬件整体设计和软件平台的搭建与测试。测试结果表明，利用LabVIEW虚拟仪器平台设计的人机交换界面能对动力电池充电过程进行实时远程监控，有效地完成了监测子系统和控制子系统间的充电数据传送，验证了该系统的实时性、准确性，为用户提供了方便。

动力电池;物联网;充电监控系统;虚拟仪器平台

0 引 言

伴随新能源和低碳经济成为发展的主流，具有清洁、环保特点的电动汽车逐步成为能源产业发展的重点［1，2］。然而充电过程所需时间较长，充电过程中出现的故障以及充电结束的结果不能及时获取等问题给用户带来不便，所以如何对电动汽车的充电情况实时、准确地监控管理是亟待解决的问题。随着信息技术的发展，物联网技术逐步成为热潮［3，4］。物联网具有的低功耗、通信简单、无需布线且易于使用等特点，对于解决以上问题具有重要意义［5］。

综上所述，提出一种基于物联网技术的汽车动力电池充电监控系统，并且从硬件和软件两方面进行研究。系统硬件包括监测子系统和实时控制子系统，二者采用无线传输与接收数据。系统软件则对系统整体流程进行设计，并利用LABVIEW虚拟仪器平台进行界面设计。从而实现对电动汽车的充电过程远程实时监控，并且使该系统具有操作简单及易于使用的优点。

1 系统总体设计

使用物联网技术构建电动汽车电池充电监控系统包括：数据采集层、网络通信层和应用层。电动汽车充电监控系统总体架构如图1所示。

图1 电动汽车充电监控系统架构Fig.1 Electric vehicle chargingmonitoring system architecture

数据采集层包含电压传感器、电流传感器和温度传感器，负责收集电动汽车充电过程中的电压、电流及温度信息。网络通信层包括GPRS(General Packet Radio Service)［6］、Zigbee［7］等无线通信技术，负责信息传递。应用层负责对接收的信息进行储存、分析及处理，监控整个电池充电系统，且可以进行界面操控。

2 系统硬件设计

动力电池充电监控系统硬件包括两部分：监测子系统和实时控制子系统。两系统之间采用无线通信传输。

2.1 监测子系统

监测子系统由以下几部分组成：电动汽车电池组、电压传感器、电流传感器、温度传感器、单片机、电池管理模块、报警模块和无线通信模块等，其硬件结构图如图2所示。

在电池组充电过程中，终端的电压传感器、电流传感器和温度传感器分别实时对电压、电流、温度进行检测，将采集的数据及时传到单片机。单片机通过控制电池管理模块对出现的情况采取相应的措施，并通过无线通信模块与实时控制子系统进行数据交换。无线通信模块采用CC2240芯片。

2.2 实时控制子系统

实时控制子系统包括无线通信模块、单片机、LCD(Liquid Crystal Display)显示模块、按键模块和报警模块等，其硬件结构图如图3所示。

图2 监测子系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure ofmonitoring subsystem

图3 实时控制子系统硬件结构图Fig.3 Hardware structure of real-time control subsystem

实时控制子系统中的单片机通过接收的数据对当前充电状况进行分析，若电压、电流及温度均在合理的充电阈值范围内，则允许继续充电;反之，则进行报警提示及自动停充等相应措施。

3 系统软件设计

3.1 充电监控系统

通过GPRS或Zigbee等无线传输方式对充电过程中单体电池的电压、温度和电流进行检测，然后将采集到的数据发送到监控系统。监控系统根据设定的相关阈值对数据进行分析处理并实时监控，对充电过程中出现的故障采取相应的措施，如某单体电池温度过高超出预设阈值，则进行显示并报警，自动断电停充，尽量降低损失。基于物联网的电动汽车充电控制总体程序流程图如图4所示。

图4 充电控制总体程序流程图Fig.4 The overall program flow of charging control

3.2 充电监控系统界面

充电监控系统的界面采用NI公司开发的LabVIEW虚拟仪器平台［8］。LabVIEW系统设计软件具有高效开发的特点，其采用强大的图形化编程语言，编程非常简便，研发周期短，人机交互界面直观友好，同时具有各种常用的总线节点和丰富的软件包及驱动程序，能简捷地实现单片机与单片机之间的串口通信［9，10］。

LabVIEW依据自身强大的数据处理及分析功能对充电过程中采集的电压、电流及温度等数据进行实时处理及分析，并实时显示电压、电流和温度及其他工作状态等信息，其界面如图5所示。通过该界面可以完成以下功能：

1 )远程操控汽车动力电池充电的开始、暂停或结束;

2 )实时查询充电过程中的充电电流、温度及各个单体电池的充电电压值;

3 )实现远程充电过程中参数报警阈值的设定与修改;

4 )显示电池组总体的充电进度。

图5 充电监控系统界面Fig.5 Chargemonitoring system interface

4 实验结果与分析

实验以12个单体电池为一组，通过4组的电动汽车动力电池进行系统调试及实验分析，并验证系统的实时性、准确性。实现对各个单体电池的电压、电流及温度的采集，远程充电开关开启，阈值设定和数据查询等。

以第4组电池组为例，通过远程和现场对各单体电池电压进行1 h的检测，检测结果如表1所示(电压单位：V)。

表1 各单体电池远程和现场的电压值Tab.1 Voltage value of each cell in the remote end and on the scene V

进而可得出结论：基于物联网的汽车动力电池充电监控系统能准确、实时地对所检测的参数进行数据采集，并能通过分析，对充电过程中出现的异常情况采取有效措施。

5 结 语

笔者提出了基于物联网的汽车动力电池充电监控系统，同时对电动汽车监控系统进行了总体设计。给出了系统的硬件构成以及软件流程，并且通过LabVIEW虚拟仪器平台设计了监控界面，对各个单体电池的电压、电流及温度等参数进行数据采集、分析、处理及显示等。测试结果表明，该系统监控能力强，可靠性好，为用户的使用带来便利。此外，基于物联网的汽车动力电池充电监控系统的研究也为动力电池充电的规模化、网络化奠定了一定的基础。

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Vehicle Power Battery Monitoring System Based on Internet of Things

CHENG Fangxiao，WANG Xu

(College of Electrical and Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China)

Aim at the issue of vehicle power battery such as long charging time，the charging process fails and can not timely access to the results after charging，the vehicle power battery monitoring system is designed based on the internet of things with the voltage of power battery，current and temperature as the monitoring parameters.We analyze and describe the overall system and then complete the building and the testing of the hardware design and software platform.Test results show that the human-computer interface using the LabVIEW virtual instrument p latform is able to perform the real-time remote monitoring.Monitoring subsystem and controlling the charging data transmission between the subsystems are effectively accomplished.The system real-time performance and accuracy are verified，providing conveniency for users.

power battery;the internet of things;chargingmonitoring system;LabVIEW

TP391

A

1671-5896(2014)03-0275-05

2014-02-21

吉林省科技发展计划基金资助项目(20120362)

程方晓(1969— )，女，长春人，长春工业大学副教授，博士，主要从事测控技术与智能系统研究，(Tel)86-13039133480(E-mail)daoxinkaiqiong@163.com。

刘俏亮)