基于物联网的电动汽车电池管理智能解决方案_费维科.pdf

年第期 基于物联网的电动汽车电池管理智能解决方案费维科，刘振华（西安汽车职业大学 电子信息工程学院，西安 ）基金项目：中华职业教育社 与人工智能、工业互联网、智能人才培养体系研究与实践 子课题 智能家居及物联网人才技能培养体系研究与实践（）。摘要：提出了一种基于感知层、网络层和应用层三层架构的物联网电动汽车锂电池组高精度管理智能解决方案。该方案采用 智能物联系统和 电池智慧管理模型，实现对单体电池组电压、电流实时采样和电压均衡控制，同时通过 电池模块、手持终端 模块测量电池组充放电电流，实现对 电池信息采集与处理、电池信息传递与汇总及 电池信息识别与监测。通过搭建 仿真实验平台，模拟测试 串磷酸铁锂电池组运行工况，电池荷电状态估算值误差精度在内，从而验证了本文解决方案的可靠性与电池模型、估测算法的精准性。关键词：；智能物联；电池模型；隔离森林算法中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言万物互联时代，智能电网建设如火如荼，在国家环保政策驱动下，电动汽车行业实现全景式、跨越式发展。目前，新能源产业已成为我国乃至全球性战略性产业，随着石油等传统资源、能源日益枯竭，以电动车为代表的新能源汽车逐渐成为中国汽车企业工业化转型发展的必然趋势。为此，许多专家学者致力于电动汽车电池充放储一体化研究与实践，虽然研究成果颇丰，且对电动汽车动力电池系统保护有着不可替代的作用，但换电站内电池换电人工管理有很多弊端，不仅效率低下，而且容易导致电力资源分配不均，所以电动汽车智能充换电服务尚缺乏详细可行的技术方案和实现手段。然而，在物联网环境下，随着无线通信、智能传感和 射频识别等新兴技术的融合应用，国家电网公司适时启动电动汽车智能服务网络规划，该试点以物联感知层、物联网络层和物联应用层为架构，为电动汽车电池智能化管理提供了可能。基于物联网的电动汽车电池管理智能架构 物联感知层：电池信息采集与处理物联感知层主要负责采集 站内电池模块状态信息，基于物联网唯一 身份标签，通过 阅读器对电池 进行身份识别和数据读取，经过实时在线监测电池敬请登录网站在线投稿（）年第期 身份与站外车辆的匹配关系，由车载终端负责将其上传给用户车辆电池运营管理后台。在身份识别中，智能物联感知系统会实时监测电池周边存储湿度、温度和环境状态等，并准确基于定位传感器对电池所处空间、位置进行定位。电池模块 身份识别流程如图所示。图电池模块 身份识别流程 物联网络层：电池信息传递与汇总为了便于数据远程实时监测和通信传输，本方案构建的电池管理物联网络层系统总节点小于等于 个，通信方式选择能量消耗更低、传输质量更稳定的星形网络通信，传递和汇总物联感知层采集识别的电池身份信息，基于固定式局域网和站级监控系统进行全网络数据信息共享。物联网络层依托 总线实现与 系统、仓储或移动式充电机连接，对站外用户车辆电池组中内置 信息进行匹配，通过光纤网络统一接入省级电动车电池智能管理调控运营中心。物联应用层：电池信息识别与监测物联应用层主要联合 站级监控系统对用户车辆动力电池进行电能输送状态分析和汇报，基于物联感知层、网络层采集的电池组身份识别信息，结合环境监测结果对站内、站外和配送运输等所有情境下的电池进行全过程、无差别化管理。基于物联网的智能管理解决方案通过层架构将各环节、站点、站外、配送车辆终端运输以及站内仓储、转移进出、充电、放电等不同状态的电池进行身份识别、状态信息采集和分析管理，通过省级运营管理平台进行统一调度和智能监测管理，全景式实现对电动车电池流转和运行全过程的时空追踪、状态信息描述与全网络动态盘点利用。基于物联网的电动汽车电池管理智能解决应用方案及算法验证 主控方案实现流程基于物联网的电动汽车电池管理智能解决方案是一个循环执行主控程序的过程，从系统充放电电流采样控制到电池电路电压均衡控制，再到电池剩余电量 容量估算，该主控技术方案依次调用智能物联网系统控制部分、串联电池组部分、上位机信息采集和保护执行模块，基于 电池模型模拟测试磷酸铁锂电池组实施运行工况，获取准确的电池荷电状态，保障电动汽车电池管理的可靠性、安全性与智能化。电池智能管理主控方案实现流程图如图所示。图电池智能管理主控方案实现流程图 改进型扩展算法修正优化在基于物联网的电动汽车电池管理智能解决应用方案实施 过 程 中，技 术 关 键 在 于 实 时 准 确 估 算 电 池 组 ，常用公式如下：（）式中，、分别表示电动汽车电池的剩余、额定容量值。为了提高 值估算校正精度，得到 更 加 精 确 的 值，本文提出一种扩展改进型隔离森林滤波算法，实时估算电动汽车电池组 ，并对 值估算进行温度系数补偿、充电倍率实时修正，以提高 值估算修正精度。具体算法模型及修正优化步骤如下：电池 的估算。当电动汽车电池物联网智能管理系统刚上电时，动力电池组会对电压值进行读取，并处于完全“空载”状态，此时，根据卡尔曼滤波算法估计电 年第期 池 ，可表示为：（）修正 。在卡尔曼滤波算法估计基础上，基于组合模型的隔离森林滤波算法对电动汽车电池组 值进行修正，首先需要通过线性系统转换取代电池非线性系统，由此得到如下所示扩展改进隔离森林滤波算法估测修正电池组 状态值的方程表达式：（，）式中，、为电池组温度系数、充电倍率补偿系数。输出方程为：（，）（）（）式中，、与均可通过处理 估算精度测试与电动汽车电池充放电实验数据获得。隔离森林滤波算法估计及修正。隔离森林滤波算法基于电池 的估算值、修正 值进行电池 估算精度算法估计及修正，初始修正值为 ，根据求得的和电池组温度系数，充电倍率补偿系数及求得的、值进一步估算当前时刻电池 ，记为 ，然后再基于组合模型的扩展隔离森林滤波算法估计及修正上述估测值 ，由此得到改进扩展算法修正后的电池 ，依次循环计算和估算修正，直到电池充放电结束，该算法模型表达式为：（）应用结果测试本文设计的基于物联网的电动汽车电池管理智能解决应用方案包含了 感知层、网络层和 应用层三层架构，集合了电动汽车电池管理组主控制器、电流电压采集模块、电源模块、电池过流过充过放保护模块、均衡控制模块及串口通信模块等。为直观测试电动汽车电池组在基于物联网的智能管理系统调度下的实时工作性能与运行状态，采用 编程语言在 环境下运用 上位机监控软件实时监测，通过 串口与 通信协议与电动汽车电池组物联网智能管理系统进行实时通信，精准获取和观测电池组的工作状态信息，并设置相应的过充、过放及过流保护参数阈值。电动汽车电池 管 理 系 统 仿真测试硬件平台如图所示。图电动汽车电池管理系统 仿真测试硬件平台 基于 的电动汽车电池组均衡控制测试通过 恒定电流充电实验，测试 串锂电池组基于 的均衡控制效能，将单体充电放电保护电压分别设定为 与 ，并将均衡开启电压、均衡开启电流设定为 与，均衡开启压差、充电电压分别为、，过流保护值、充电电流值分别为、。参数设定之后，基于上位机监控软件实时在线监测显示 串锂电池组内单体电压，经过 的充电之后，监控软件显示锂电池组电池电压最小为 ，而锂电池组电池电压最大为 ，电池电压最高值与最低值之间的压差额为，明显高于 均 衡 开 启 电 压，可 以 顺 利 开 启 均 衡 电 路。连 续 经 过 的均衡控制测试之后，该单体电池电压符合测试要求。详细监测数据统计如表所列。表电动汽车电池组均衡电压控制测试结果锂电池组编号单体电池均衡电压锂电池组编号单体电池均衡电压锂电池组编号单体电池均衡电压 数据监测统计显示，电池组平均电压为 ，总电压为 ，而单体电池最低、最高电压分别为 、，即电池组内单体电池电压最大与最小的差值为 ，说明经过物联智能控制后，该电池组单体电压起敬请登录网站在线投稿（）年第期 到了明显的均衡控制效果。电动汽车电池组 估算精度测试基于电池充、放电实验，先求得、和、，可验证基于组合模型的扩展隔离森林滤波算法估计及修正电动汽车电池 估算表值的精度。首先，采用传统的开路电压法或卡尔曼滤波算法对电动汽车电池组各时刻 值进行计算，并将其作为真实的电池 ，然后再基于扩展隔离森林滤波算法进行实验数据仿真，分别获得两种不同算法模型下的电池 随时间变化的估算值动态曲线，如图所示。图恒流间歇性放电试验 滤波估计值对比曲线图上述测试结果表明，应用传统的开路电压法或卡尔曼滤波算法对电动汽车电池组各时刻 值进行估算的误差逐渐趋于增大，最大误差，而基于改进组合模型的扩展隔离森林滤波算法估计及修正电动汽车电池 估算表值精度误差始终保持在之内，完全满足基于物联网的电动汽车电池管理智能解决管理高精度估算要求。结语本文提出的基于物联网的电动汽车锂电池组管理智能解决方案和系统兼备动态检测、安全报警、实时计算 、通信和信息显示等功能，能实时采样、处理、存储电池组运行重要参数，判断锂电池组是否有过充、过放与过流等异常，并及时采取保护措施，通过“均衡控制”确保了电池组内单体电池电压间的一致性。此外，提出一种基于传统卡尔曼滤波改进算法的新型扩展隔离森林滤波修正算法，能精确估算电池组剩余电量。所提管理调度方案以其较高的算法验证检测精度与估算精度，解决了电动汽车锂电池组系工作运行中的可用性、安全性等关键问题，不同工况下的测试结果均证实了该方案的有效性。参考文献王丽君，颜佳，韩涛，等 车联网协作通信移动接入点选择算法 华中科技大学学报，（）：，陈卓，李二海基于物联网的电动汽车电池 系统自动测试研究自动化与仪器仪表，（）：陈天英，侯仰军，栗会峰，等 基于 的电动汽车电池管理系统建立及 精准估计河北电力技术，（）：，杨小兵，耿大伟，孙伟纯电动汽车电池热管理关键技术集成开发 第十七届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集，：田晟，裴锋，李拾成 纯电动汽车上下电及电池管理系统故障控制策略华南理工大学学报，（）：朱春波电动汽车电池管理系统关键核心技术的研究与应用 哈尔滨：哈尔滨工业大学，乔旭彤，耿海洲，董峰集中式电动汽车电池管理系统设计电子测量与仪器学报，（）：朱京蓥，姜帆，王凤弟基于 安全模块的电动汽车电池管理系统电子技术应用，（）：宋德鹏，万晓凤 总线在纯电动汽车整车控制及电池管理系统中的应用 ，：费维科（讲师），主要研究方向为控制工程、物联网工程技术；刘振华（教授），主要研究方向为高等教育、信息工程。通信作者：费维科，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）机器人前往该指定坐标点。参考文献迟楠 可见光通信关键器件与应用北京：人民邮电出版社，：关伟鹏，文尚胜，胡卉馨，等基于双重调制技术的可见光通信系统研究光电子激光，（）：关伟鹏，文尚胜，黄伟明，等基于神经网络的可见光通信接收系统的研究中国激光，（）：通信作者：罗中华，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）