车联网环境中电动车动力电池安全监控系统的设计

冯竞祥 马健军

（佛山职业技术学院 汽车工程学院，佛山 528137）

为保证国家能源安全并有效降低碳排放量[1]，新能源汽车已经成为中国“十二五”规划中大力培育和发展的战略性新兴产业之一[2]，并一直持续至今。新能源汽车主要指电动汽车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。

动力电池是电动汽车的储能元件，其安全性是电动汽车发展过程中要考虑和解决的首要问题[3]。锂离子电池因其具有比能量高、自放电率低及寿命长的特点，是目前电动汽车用动力电池的首选。然而，因为锂离子电池具有热失控的特征，所以系统的安全性事故时有发生，阻碍了电动汽车的发展。动力电池作为新能源汽车的重要储能元件，其安全性会直接影响车辆的运营状态，甚至关乎驾驶员和乘坐人员的人身安全。动力电池热失控和过充过放等类型故障均属于电动汽车高压安全故障[4-6]。高能量密度和高电压的锂离子动力电池系统的安全性是新能源汽车发展中需要重点关注的问题，其影响因素主要涉及电池材料特性、能量管理以及热失控管理等方面。通过实时监控动力电池各项参数，利用大数据处理等技术，能在一定程度上监测动力电池的状态，提高对动力电池的管理和干预能力。

针对上述情况，本文开发了一种电动汽车动力电池安全监控系统。车联网（Internet of Vehicle，IoV）是物联网技术在交通系统领域的典型应用。车联网具备先进的信息通信与处理技术特性，因此本文提出基于车联网的电动汽车动力电池安全监控系统研究方案，旨在提高车辆自身的安全性，对保障周围车辆安全、提升智能交通管理水平具有重要价值和现实意义。

1 动力电池安全监控系统的结构组成

电动汽车动力电池安全故障主要包括动力电池热失控故障、电机过热故障、上电冲击故障、短路故障、绝缘失效故障、接触不良或断路故障、事故引发故障以及电池过充过放等[7-9]。动力电池安全监控系统包含动力电池监测、动力电池控制和车联网通信3个模块，具备动力电池参数实时监控、动力电池通断电控制保护以及故障数据共享发布的功能。另外，此系统还包括实现车内传感器信息共享和电动汽车与周围车辆、路基设施、数据处理中心以及用户进行通信。车联网环境下的电动汽车动力电池安全监控系统的结构示意图，如图1所示。

图1 系统结构示意图

2 动力电池安全监控系统设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件部分包括动力电池监测模块、动力电池控制模块和无线通信模块。其中，动力电池监测模块负责采集与分析处理动力电池技术信息，从灵敏度、信号输出稳定性以及抗干扰性等方面综合考虑，保证系统准确可靠地采集动力电池温度、放电电压、工作电流及电池的荷电状态（State of Charge，SOC）等实时信号，并分析处理采集到的信号和设定相应的阈值，以判断是否出现异常状况。

若动力电池参数出现异常，动力电池控制模块将会切断动力电池的输入与输出电路，防止动力电池温度发生异变，保障动力电池的安全。

无线通信模块负责将动力电池异常数据通过车联网实现互联共享，以提醒周边车辆避让，并向车辆数据中心传输故障数据。

2.2 系统软件设计

系统软件部分包括传感器节点软件、协调器中心节点软件和数据通信软件。传感器节点软件负责接收处理采集到的动力电池参数信息，构成如图2所示。若动力电池参数出现异常，将会切断动力电池输入与输出电路，保证动力电池和车用电器的安全，并将采集处理的信号传输至协调器中心节点。协调器融合了ZigBee无线传输短程通信技术和GPRS/4G无线远程通信技术，再由嵌入式处理器以及外围电路控制无线传感网络运行工作，主要负责车联网无线传感网络的建立、维护和启动。数据通信软件负责互联共享故障信息和向数据中心传输动力电池故障相关数据。

图2 无线传感器节点构成框图

3 动力电池安全监控系统工作过程

动力电池安全监控系统各子模块工作过程如下。

3.1 动力电池监测模块

动力电池监测模块由各类传感器和微处理器单片机组成，具备监测和信号分析处理两大功能。通过实时采集电动汽车动力电池温度、放电电压、工作电流以及电池SOC等参数信号，监测动力电池技术状况。同时，运用微处理器单片机分析判断采集的信号，当信号异常超过设定阈值时，会向动力电池控制模块发出控制指令，并启动声光报警提醒驾驶员。

3.2 动力电池控制模块

动力电池控制模块主要包括驱动电路、高压回路继电器以及充电继电器等执行器。若动力电池参数信号出现异常，动力电池控制模块接收到动力电池监测模块发出的控制指令后，会做出相应的电路保护动作，以保障动力电池和车用电器的安全。

3.3 车联网通信模块

车联网通信模块主要包括ZigBee无线传输模块、GPRS/4G无线通信模块、嵌入式处理器以及外围电路等部分，具备短程通信与远程通信功能。当动力电池监测模块监测到动力电池参数信号出现异常时，动力电池故障信息将通过车联网通信模块实现如下互联共享：第一，应用车联网通信模块短程通信功能提醒周边车辆避让，避免造成交通事故；第二，应用车联网通信模块远程通信功能向车辆数据中心传输故障数据。

4 结语

鉴于电动汽车动力电池为因热失控造成的危害，从影响动力电池安全性各项参数出发，通过系统总体结构设计、硬件设计与软件设计等环节，最终实现了在车联网环境中有效监控电动汽车动力电池安全性能。本研究的结论和作用如下：

（1）动力电池安全性问题涉及一系列复杂因素，监控其安全性能需充分研究相关参数；

电动汽车动力电池安全监控系统可实时采集电动汽车动力电池温度、放电电压、工作电流以及电池SOC等参数信号，监控动力电池实时状况；

图3 车联网通信模块工作过程示意图

（3）电动汽车动力电池安全监控系统，可适时切断动力电池输入与输出电路，有效保障动力电池的使用安全，还可通过远程通信功能向车辆数据中心传输故障数据，提升电动汽车的实用性能。