新能源汽车在线监测智能管理系统分析*

2017-12-01谭华吴飞林克胡敬豪

移动通信 2017年20期

关键词：终端联网新能源

谭华，吴飞，林克，胡敬豪

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东广州 510630）

新能源汽车在线监测智能管理系统分析*

谭华，吴飞，林克，胡敬豪

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东广州 510630）

新能源汽车是当前汽车产业变革的重点方向，新能源车辆电池安全监控、车联网信息化发展成为业界关注的焦点。围绕新能源车电池管理数据的实时监测，研发4G通信的车载物联终端进行联网，实现车联网多参数传感数据采集、上传、存储、智能处理等功能，提供在线监测与故障预警分析的新能源汽车云平台服务。

车联网 BMS电池管理系统智能车载终端 TSP汽车服务平台

1 引言

最近十年特斯拉（Tesla）不断推出引领潮流的新能源豪华汽车，我国也在政策上加大了对新能源车辆政策的扶持。人们对新能源车的接受程度越来越高，国内外新能源电动车市场占有率逐年提升，其中，新能源车辆充电电池安全监控问题成为行业的关注焦点。新能源汽车在出厂前要求具有联网功能，满足政府监管、智能充电、车辆维护、产品优化等多方面需求。同时，通过物联网传感技术和大数据云平台分析，可以对新能源车的设计、生产、使用、维护全过程进行多参数采集监视和动态评估，形成智能化的管理和快速迭代研发，共同促进新能源车的良性发展。

本文基于广东省物联网应用孵化基地在车联网方面的多年研发技术积累，围绕新能源车电池管理的实时监测需求，研发4G通信的车载物联终端，实现传感数据的采集、上传、存储、智能处理以及预警分析功能，逐步完善基于物联网技术的在线监测和大数据实时预警分析的新能源车智能云平台服务。

2 车联网平台发展模式及新能源车技术特征分析

2.1 车联网平台模式介绍

目前主流车联网平台发展模式有四类，具体如下所示。

（1）传统汽车制造商针对自家品牌提供Telematics服务，主推智能语音导航、车辆智能控制、车辆诊断、紧急救援等服务。如通用安吉星、丰田G-Book、日产C A RW I N G S、上汽inka Net等。各品牌的Telematics系统相互独立，不能兼容。

（2）互联网公司以车载系统及软件服务为切入点，侧重车载系统+车联网APP模式，通过和车厂合作，提供面向车主的内容服务，为用户提供导航、道路信息、远程诊断、娱乐资讯、经销商活动等服务，如百度carnet、腾讯路宝盒子+APP等。

（3）第三方车载信息服务提供商侧重后装市场服务，提供面向4S店的OBD（On-Board Diagnostics）、后视镜、行车记录仪等终端设备的运营，将车联网各类CP及SP所提供的资源进行整合，提供车友服务，如车友互联的应用管理、车友论坛、商业娱乐、安防导航、车险、O2O等综合车载应用服务。

（4）运营商依托网络和云平台资源优势，整合车厂、4S店、车主等生态链伙伴，提供端到端的移动通信、内容整合、信息服务的综合性云服务，如中国电信的车路路和翼车云平台，中国移动的车联网T平台，中国联通的TSSP平台等。

2.2 新能源车技术特征分析

新能源汽车主要由电力驱动系统、电源系统和辅助系统组成，通过建立覆盖生产和运行等各个环节的监管系统，实现新能源汽车全生命周期内运行数据的采集和监测。通过云平台将新能源汽车行驶数据、故障数据、操控数据、安全事件数据、时间与地理位置数据等融合在一起，为开展大数据分析提供良好的基础数据支撑，服务于故障分析、故障预警、事故快速处置、政策补贴审核、充电桩运行安全与配电监控等需求。

新能源汽车核心部件动力电池主要存在三个方面的问题：一是电池串联使用时部分电池容易过充电和过放电，这将造成这部分电池最先损坏，进而缩短了整组电池的使用寿命；二是其安全性和电池电量估算技术难度大；三是不同类型的电池特性差别大。电池管理系统（BMS）是电池与用户之间的纽带，主要用于监控电池状态，如监测动力电池组的工作状态和单体电池间的均衡情况，准确估测动力电池组的荷电状态等，再通过智能处理来提高电池利用率，防止电池出现过充电和过放电的情况，延长动力电池的使用寿命。

我国电动汽车电池管理系统供应商主要分布在华东、华南地区。国内外主流BMS供应商的技术参数对比如表1所示：

表1 国内外主流BMS供应商的技术参数对比

BMS电池管理系统设计根据电池电压、温度和所使用的环境来制定电池充放电功率，将信息反馈给整车，保障电池系统的安全运行。其中，最核心的三大功能为电芯监控、荷电状态估算以及单体电池均衡。

3 新能源车数据采集关键技术分析

3.1 BMS关键参数

电池的电压、电流、温度是电池管理系统主要的测量参数，结合合理有效的数学算法和策略估算出电池的SOC（State of Charge，荷电状态）和SOH（State of Health，寿命状态）等参数，并且对电池组充放电的最大电流和门限电压进行实时控制，实现有效的高压电安全管理和故障诊断功能。

3.2 BMS的采集内容

（1）基本信息测量：单体电池电压测量和电压监控、电池包电压测量、电池温度、流体温度检测、电流测量等。

（2）绝缘电阻检测、高压互锁检测（HVIL）。

（3）状态估算：SOC和SOH估计、均衡、电池功率限制。

（4）辅助系统功能：继电器控制、热控制、充电控制。

（5）通信与故障诊断：通信功能、故障诊断和容错运行。

3.3 DTU智能终端关键技术

基于汽车环境恶劣的车规级4G智能DTU（Data Transfer Unit，数据传送终端）终端研发，重点是为满足采集车载多参数的传输。动态采集车联网相关数据，及时上传到平台进行分析，才能保证安全监控、运营管理、电池监控分析、报警管理等多项功能，解决新能源汽车能耗管理及充电的隐患问题。DTU终端一方面要适应BMS、OBD等车联网采集数据的对接标准，将各系统运行工况的参数实时传输至车联网云平台；另一方面通过GPS、北斗模块、三轴陀螺仪芯片感知，实时采集到汽车路径、停车位置、行驶过程中加减速和转弯的动态数据，然后利用运营商4G网络传输到平台，提供“云管端”一体化服务应用。

BMS管理功能主要有：充放电管理功能、电池高压控制功能、电池电量计算功能、电池寿命估算、电池功率估算、绝缘检测功能、被动均衡功能、箱体热管理功能、系统软件更新功能、数据存储功能等。

3.4 BMS关键技术参数

（1）采集模块

电压采集精度为±0.1 %，采样范围为0 V～5 V，采集周期为100 ms。温度采集误差为±1 ℃，采样范围为-40 ℃～+100 ℃，采集周期为500 ms。被动均衡电流为200 mA。

（2）绝缘检测模块

判断依据为≥5 MΩ（40%RH，25 ℃），整体按照GB-T 18384.1-18384.3-2001标准，绝缘检测精度为10 kΩ，总电压检测精度为1 V。

（3）预充电模块

继电器驱动为2A 4路，继电器驱动为3A 2路，预充电阻控制，继电器吸合压差控制。

（4）加热管理方案

加热系统功率为2 500 W，工作电压为282 V～395 V，供电方式有电池自供电、外部电源供电。控制方法是当电池温度高于-20 ℃时电池可自加热至5 ℃；在-20 ℃以下时，需要外部电源供电加热（充电机），待电池温度升高到-10 ℃以上时电池可自供电加热；在电池系统温度升高到5 ℃时停止加热。

DTU智能终端对接汽车多参数采集数据源，提供无线传输通道和数据处理功能，需具有标准输入输出接口的通用终端。终端制定开放的接口技术规范，配合相关厂家对接适配。所以，选择合适的4G模块等是DTU终端研发的关键点之一。DTU智能终端示意图如图1所示：

图1 DTU智能终端示意图

3.5 汽车数据通信终端DTU技术参数

内置4G通信模块，具有数据补发的功能。2路CAN总线接口，支持SAEJ1939、CAN Open、CCP等。内置高精度GPS传感器，4 Hz更新率，定位精度达2.5 m。支持2 G～64 G Sd存储卡（可定制TF、flash等），可用于长时间存储。体积小巧便于安装，满足汽车应用温度、振动及电源使用环境。内置锂电池，具备UPS功能，智能电源管理自动切换（汽车正常行驶中，采用汽车电瓶供电，当电瓶控制阀门完全关断时可以由内置锂电池提供电源继续支持DTU进行工作），功耗低且具有休眠功能。支持各种功能要求的定制（适应各种硬件功能接口及软件控制逻辑要求）。

3.6 车联网数据采集技术

目前车联网数据采集方式主要有三种：一是以OBD终端来采集汽车数据，如中国电信广东公司的车路路OBD系列产品、腾讯的路宝盒子、深圳元祯等都属于OBD方式；二是智能手机装载APP方式，比如斑马智行、亿连驾驶助手、爱驾乐、酷啦啦等APP可以收集定位、行驶记录等数据；三是基于车机、后视镜、行车记录仪、HUD等智能终端。

OBD也叫在线诊断系统，在传统石油汽车中用于4S店检测汽车控制部件、发动机部件、电气部件。车载OBD不仅能够自动检测，并且可以直接显示发动机出现了什么故障。通过OBD接口采集相关数据，实现CAN总线数据和汽车控制器内部数据的交互，实时获取整车相关的行驶数据，并上传至云平台进行大数据分析与处理。

4 新能源车智能云平台分析

4.1 新能源汽车运行监测数据云存储

车载智能终端上传采集数据到平台，平台对传感器数据以及其它特征数据等海量信息能进行智能处理，将这些数据同预定的失效判据进行比较，根据预定的各种参数指标的极限值/阈值来提供故障报警，满足数据查询、数据分析、车辆异常报警等快速响应的要求。同时，监控系统平台支撑几万台直至几十万台车辆实时数据的传输，需具有应对大并发和高时效的平台处理能力。

（1）云平台数据处理的特征有：

◆分层级设备树结构，单位→客户名称→汽车列表；

◆实时展现监控数据，并使用饼图，折线图，以多指标对比展现的方式呈现给用户；

◆方便而多样的车辆跟踪方式，快速定位车辆出现的异常指标及其发生异常的时间、地点；

◆可以实现报警条件的组合设定，精确定位车辆异常；

◆完善的备份和恢复策略，为基础数据提供完整坚实的保障；

◆自动化监控及管理，减少人工投入并提高工作效率；

◆良好的扩展性，可根据用户需求进行二次开发，提供与第三方系统的数据交互。

（2）运行监测数据云平台数据处理内容

◆实时监控：检测、分析、查看当前活跃车辆，确定车辆的实时位置和运行轨迹，展示车辆指标和异常分布图；

◆异常处理：查看并处理车辆的异常报警，包含异常车辆数、指标异常的数量、异常比例等；

◆车辆动态：查看实时异常数据，包含异常车辆数、异常占比、异常的综合信息等；

◆单车跟踪：对比展示单一车辆在三个月、一个月、一周、一天不同指标的运行数据；

◆基础数据关系：绑定车辆监控所必须的数据关系，如车架号、车载终端、通讯用户号码等的关系；

◆报警条件：对监控指标设定报警条件，满足条件则自动判定；

◆外部系统接口：针对主机厂与供应商提供相应的接口，便于进行实时数据传输和定时数据同步。

4.2 数据汇聚分析处理与决策预警

基于各种工况运行状态的历史数据以及维修历史数据，对来自不同状态监测模块以及其它采集模块的信息进行融合，按自学习智能模式评估被监测系统的运行状态，进行数据挖掘分析，预测故障发生的可能性。利用多传感器信息融合技术进行大数据处理，提供自动故障诊断、部件故障预测、主动维修建议、产品优化策略等服务。

（1）故障预测：通过对车联网海量数据进行处理分析，可智能评估和预测被监测系统下一步的运行可靠性情况。在预估到被监测系统可能发生故障之前，主动提醒进行维修，有利于提高整车的使用效率、安全性、可靠性。

（2）人机交互：通过车载终端UI显示、手机APP和微信、电话等方式，实现警告提醒等人机交互，通知预测故障和相关维修建议。如BMS 系统实现了对汽车电池电压、电流、温度等信息的监测，一旦某个参数出现问题，系统会显示报警。手机车联网APP业务示意图如图2所示：

图2 手机车联网APP业务示意图

4.3 新能源汽车数据开放服务

整合通信网络和云计算能力，构建端到端方案，打造面向行业合作伙伴的开放服务体系，实现汽车品牌、汽车互联网应用、维修服务等产业链资源汇聚。提供终端、安全、电信IT、第三方服务能力等资源汇聚；提供系统组合、编排、行业模板等能力化工具；提供流量卡、流控、计费结算等TSP汽车服务商虚拟运营能力。

（1）保险行业数据协同，实现保险产品个性化定制、精确运营服务

开放车联网大数据，支撑UBI（Usage Based Insurance）差异化保险，保险公司可通过车联网大数据分析，对被保险者的驾驶行为、行车状态等风险进行评估，这样保险公司可以有效降低其赔付成本。

（2）互联网化能力

采用互联网化的能力开放系统架构，支撑移动互联网信息服务，包括面向个人的基于车联网大数据的LBS搜索和广告、地图及导航、移动O2O等应用，提供线上线下结合的商业娱乐服务。面向汽车后服务商家，通过移动信息化向智能手机延伸和展现，进一步结合会员体系、POI（Point of Interest）运营、支付、一站式租车等服务，帮助商家实现移动信息化转型。

5 结束语

当前，新能源车走在车联网信息化发展的前列，本文主要对新能源电池BMS对接、车联网数据采集、智能云平台等关键技术进行了分析与探讨。未来，预计新能源车将继续引领汽车行业的发展方向，如向V2X/智能交通演进，具备支持智能/无人驾驶能力；如实现ADAS和可穿戴设备的对接，车与智慧家庭的联动，具备支持多种设备接入能力；如通过与第三方服务的对接，构建各种涉车服务新场景的服务能力。随着新能源车联网技术的不断突破，新能源汽车市场规模越来越大，未来在新能源车联网方面将有更美好的发展前景。

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Analysis on Online Monitoring Intelligent Management System for New Energy Vehicles

TAN Hua, WU Fei, LIN Ke, HU Jinghao
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

New energy vehicles are the focus of the current reform of the automotive industry. Both the battery safety monitoring of new energy vehicles and the informatization development of the Internet of Vehicles become the focus of the industry. In the light of the real-time monitoring of battery management data for new energy vehicles,the 4G terminals of the Internet of Vehicles were investigated to achieve the acquisition, upload, storage and intelligent processing of the multi-sensor data for the Internet of Vehicles, and provide the cloud platform service of new energy vehicles with the online monitoring and default analysis.

Internet of Vehicles battery management system intelligent vehicle terminal TSP automotive service platform

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.006

F224-39

1006-1010(2017)20-0033-06

谭华,吴飞,林克,等. 新能源汽车在线监测智能管理系统分析[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 33-38.

2016年度广东省科技发展专项资金项目（2016B 010108009）

2017-09-07

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn