电动汽车远程监控系统

龚 文，张 辉，熊 志

(中山大学工学院智能交通研究中心，广东 广州 510006)

0 引言

随着电动汽车节能减排优势愈发明显，其近年来得到了广泛的应用[1]，为考核电动汽车在实际道路工况运行时车辆性能及电动机、动力电池组等特性，并为其整车控制系统的完善及后续开发提供科学依据[2]，对电动汽车的监控越来越有必要。

国内在电动汽车远程监控系统的研究上有了一定成果，但大多是对电动汽车的电池，包括电压、电流、温度等进行数值的记录，如武汉理工大学信息工程学院开发的电动汽车远程监控系统可以对电动汽车的电池信息进行远程监控[3];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的诊断[4]，都只是对电动汽车动力电池组进行了初步的分析，本文在这些研究的基础上加入了对电动汽车能耗及节能减排特性的分析评价，并介绍了其实现的关键技术。

1 远程监控系统设计

1.1 架构设计

由于车载监控终端已安装在纯电动汽车上[5]，无法采用传统有线通信方式，故采用无线传输作为远程实时监控系统的通信方式。从本远程监控系统的设备成本和资费成本等综合考虑，采用GPRS通信方式[6]。

GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)的通信方式是指监控系统以GPRS网络作为通信系统来实现监控中心与现场监控设备之间的数据和命令的传输[7]。

远程监控系统的架构图如图1所示。监控对象为电动汽车的位置及电池、电机信息等，这些数据通过车载监控终端从车辆的CAN总线上获得[5]。数据通过GPRS网络无线通信方式传送至监控中心应用服务器，电动汽车数据库服务器可分析处理电动汽车状态数据;地图服务器可对电动汽车位置进行分析处理并实现在地图上显示运动的车辆;客户端的网页浏览器通过选择分析模块能触发异步请求到服务器端得到分析结果[8]。

图1 远程监控系统的架构图

1.2 功能设计

远程监控系统功能模块分为4大部分:车辆位置监控模块、电池分析模块、能耗分析模块和节能减排分析模块。针对电动汽车的运行状态数据，即位置、电池、电机等信息，建立相应的数学计算模型，综合运用各种数据统计研究方法，可以对电动汽车的安全性、稳定性、经济性及环保性等性能进行研究评价，其功能框图如图2所示。

图2 系统功能框图

1.2.1 车辆位置监控

通过对电动汽车位置的实时监控，可掌握电动汽车在道路上的行驶状况，预先判断车辆的运行趋势，也可通过地图数据库的匹配分析来减少道路状况对车辆运营造成的影响。

1.2.2 电池分析

通过对电动汽车电池电压和温度的监控，来掌握电动汽车电池和温度的变化情况。该模块主要实现单个电池电压分布特性分析、单个电池温度分布特性分析、具体电池温度电压变化等。

1)单个电池电压分布特性分析。

单个电池电压分布特性分析将所有统计时段内的单个电池电压作为散点，在坐标系中绘出，横坐标为电池号，纵坐标为电池电压，表示一段时间内电动汽车的各节电池的电压值的分布情况。

2)单个电池温度分布特性分析。

单个电池温度分布特性分析与单个电池电压分布特性分析类似，横坐标为电池号，纵坐标为电池温度，表示一段时间内电动汽车的各节电池的温度值的分布情况。

3)具体电池温度电压变化。

具体电池温度电压变化特性是用连续的曲线图来表示时间段内某块具体电池的电压和温度随时间变化的情况，统计图横坐标为时间，纵坐标为电压或温度。

1.2.3 能耗分析

能耗分析可通过分析电动汽车的能耗，每百公里耗电量与时段的关系。将每2个采样点之间的数据计算百公里能耗，形成一个数据点，横坐标采用一天24小时，将所有统计时段的数据构成散点图，用以反映平峰、高峰时段对能耗的影响。

1.2.4 节能减排分析

节能减排模型主要是通过电动汽车排放量与传统车辆排放量的对比得到的。节能减排分析曲线，用横坐标表示行驶里程，纵坐标为CO、NOX、PM、VOC的减排数量，表示随着行驶里程增加，电动汽车各种污染物的减排数量变化情况。减排分析模块主要用于取出每5秒的速度值来对应的速度的污染物排放量的数组，污染物包括CO、VOC、NOX、PM。

以上分析模块的实现模型如图3所示，网页客户端选好分析的开始、结束时间以及要分析的电动汽车，点击分析按钮，触发异步请求到服务器端。服务器从数据库提取数据包，按数据分析模型进行分析，得到分析结果数据，返回给客户端。网页客户端使用dojo.chart2D工具包，生成统计图并展现出来[9]。

图3 数据分析实现模型

2 无线通信协议

为实现车载监测终端与监控中心数据的可靠通讯，选取以数据包为基本单位的通信协议[10]。而由于没有现成的针对电动汽车的GPRS通信协议，为了使不同车载终端之间资料共享、互联互通，实现标准化管理、方便系统的维护与升级，兼顾到省标、部标与实际通信的需要，参考了现有省部级传统车辆的车载设备通信协议:《卫星定位汽车行驶记录仪通用技术规范(广东省地方标准DB44/T 578-2009)》，提出了兼容性的电动汽车数据通信帧格式[11]。

表1 监控中心与车载终端之间通信的数据格式

表2 协议内容帧结构定义

表1为监控中心与车载终端之间通信的数据格式定义。该数据格式对车载终端设备的ID号、密码、校验等进行了定义。参考该标准，对协议内容进行了定义，如表2所示，协议内容分为4部分:状态信息、电池组信息、电机信息、单电池信息，共271字节。车载监控终端将这些信息以500 ms/次发送到监控中心，传输速率约为4.3 kbit/s。鉴于通过GPRS进行文件的上载速率平均为8 kbit/s[9]，为保证信息传输的可靠性，本文选取了基于 TCP/IP传输层协议。TCP/IP协议在传输数据之前，会在2个链接端口之间首先建立链接，这样就保证了信息传输的稳定性，最大限度地保障了传输数据不会丢失[12]。

为保证通信的准确率与数据的完整性，在传送数据之前先判断连接是否断开，如果已经断开则将该数据存储在车载监控终端的SD卡上，等重连后再发送[13]。

图4所示为监控中心接收到并存储在数据库中的部分电动汽车运行状态数据。

图4 监控中心数据库存储的数据

3 远程监控系统实现关键技术

3.1 车辆位置监控技术

图5 车辆监控实现模型

该功能的实现模型如图5所示:电动汽车通过Socket与电动汽车数据接收程序通信，数据接收程序将收到的车辆位置信息(经度、纬度、速度、方向等)写入数据库中。客户端网页浏览器通过Ajax异步请求Web服务器获取数据库中的最新车辆定位信息，结果在列表中显示。客户端网页浏览器根据车辆定位信息中的车辆位置信息，在电子地图上对应点显示车辆图标。每5秒从服务器取一次数据，刷新车辆位置，实现在地图上显示运动的车辆[14-15]。

显示车辆位置的关键代码如下:

3.2 电池能耗分析技术

将获取的总电池电压、电流、温度和单体电池的电压、温度数据置于定义好的坐标系中，并以离散点表示出来。

能耗方面，定义每百公里耗电量=(电池总电压×电池总电流×分析时间/分析时间内的运行里程)×100，将每2个采样点之间的数据计算百公里能耗，形成一个数据点，横坐标采用一天24小时，将所有统计时段的数据构成散点图[16]。

绘制电池与能耗曲线的关键代码如下:

3.3 节能减排分析技术

由于电动汽车的排放量为零[17]，因此只需建立传统车辆的排放模型，计算其排放量即等价于减排量，由此对节能减排分析接口进行了定义。

模块采用标准动态链接库形式，接口函数如下。

接口设置为Interface Setting()，减排量计算接口为:

其返回值为减排量数组，数组如果是空则表示计算失败，输入参数为decimal speed，表示5 s内的平均车速(15≤speed≤80)。减排量数组的格式如表3所示。

表3 减排量数组格式

计算公式为E=EF*speed*5/3600，其中:EF为污染物的排放因子(单位是g/km)，speed为车辆速度(单位是km/h)，E为污染物的排放量(单位:g/s)。

计算节能减排指标的关键代码如下:

4 实验结果与分析

实验所用车辆为在广州市各区运营的广汽研发的电动汽车，车载监控终端安装于车内[5]，将读取的车辆状态数据传送至监控中心，通过网页客户端选择分析模块可得到车辆对应信息的实时监控。

如图6所示，车辆位置监控功能可实现车辆在地图上位置的显示及行驶过程轨迹的回放。

图6 车辆监控

在界面下方的窗口，用列表的形式将所有接入车辆的信息都显示出来。

当点击电池温度和电压特性分析，并给定分析的开始、结束时间以及要分析的车辆，可得到绘制的该车辆所有单体电池温度和电压离散点，如图7所示。

图7 电池温度和电压特性分析

当点击单个电池能耗特性分析，并给定分析的开始、结束时间以及要分析的单体电池号，可得到绘制的该单体电池能耗特性分析图，如图8所示。

图8 电池温度和电压特性分析

当点击电池温度电压变化特性分析，并给定分析的开始、结束时间以及要分析的单体电池号，可得到绘制的该单体电池的温度和电压特性分析图，如图9所示。

图9 电池温度电压变化特性分析

当点击分析减排特性时，并给定分析的开始、结束时间以及要分析的车辆，可得到绘制的该车辆的节能减排分析图，如图10所示。

图10 节能减排特性分析

5 结束语

本文使用Java EE语言、ArcGIS Server地图引擎及Oracle数据库实现了远程监控中心接收、存储、分析回传的电动汽车车辆状态数据的功能，包括车辆位置的监控、车辆数据的分析和节能减排分析。在现有的对电池监控的技术成果上，通过建立相应的数学计算模型，综合运用各种数据统计研究方法，实现了对电动汽车能耗及其节能减排特性的分析。

经过在广州市内数月的运营，本远程监控系统运行稳定，数据记录完整，历史数据的回放及曲线绘制也都直观清晰，在网络良好的情况下可连续得到车辆运行实时数据，而在网络断线重连后，仍能送回断线时的车辆信息，不丢失数据，较好地实现了对电动汽车的实时监控与运行状态的分析。

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