電池管理系統的設計

摘 要： 隨著計算機網絡以及電池技術的迅猛發展，蓄電池廣泛應用于各行各業中，但因外界環境、參數設定、待機時間長等因素使得對其掌控難度大。該文設計的電池管理系統，利用GPRS技術實現靈活、安全的數據傳輸，采集模塊和處理系統之間、處理系統和用戶之間分別采用C/S，B/S架構，使用戶能夠實時方便地監測電池的使用情況，具有很高的應用價值。

關鍵詞： 電池管理系統； GPRS； 實時監測； 數據傳輸

中圖分類號： TN36?34； TM912 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0149?03

Design of battery management system

GUO Wenjin

（Fujian Raynen Technology Co.， Ltd.， Fuzhou 350008， China）

Abstract： With the rapid development of computer network and battery technology in recent years， the storage batteries are widely used in all walks of life， but it is difficult to control them due to the factors of external environment， parameter setting， long standby time， etc. A battery management system was designed， in which GPRS technology is used to realize flexible and safe data transmission. The C/S architecture is used between collection module and processing system， and B/S architecture is used between processing system and user， which can monitor the service condition of the batteries conveniently and in real time. The system has a high application value.

Keywords： battery management system； GPRS； real?time monitoring； data transmission

近年來，隨著計算機技術以及電池相關產業的極速發展，作為其供電的必需物——蓄電池，在各行各業中被廣泛的使用，因其具有使用時間久、可供電壓特性穩定、且具有可逆性等優勢，使得蓄電池組的應用越來越多。但因其儲能方式為化學能，且待機狀態時間長，在使用過程受外界環境、各參數設定和配置等條件影響，使得掌握蓄電池的工作性能比較困難，容易導致供電故障的發生。因此，電池使用者急需一個智能電池監控系統，對蓄電池組性能參數進行實時監控[1?3]。

1 電池管理系統結構

由于電池使用的特殊性，其管理系統與傳統中的監控系統相比，要求布局布線簡單，可傳輸的距離遠，穩定性和可操作性要求更高。按照此要求，本文設計的電池管理系統采用以下技術：

（1） 借助GPRS技術進行數據傳輸，使得現場監控采集器件能夠將采集的數據遠距離無丟失的傳輸，不增加傳輸布線，降低成本，提高系統使用的可行性；

（2） 該系統采集模塊和處理系統之間采用C/S（客服端/服務器）系統架構，具有較高穩定性和較快的反應速率，能夠對多個電池組數據同時管理，并保證采集的監控數據實時存儲到數據庫中；

（3） 該系統的數據傳輸協議采用TCP/IP 協議和Socket通信技術，其安全性較高，保證了數據的穩定和可靠；

（4） 數據處理系統與用戶之間采用B/S架構，用戶可以方便地通過瀏覽器查詢和分析數據 [4?5]。本文主要討論數據的通信、處理和顯示部分。

1.1 電池管理系統網絡架構

電池監控管理系統，主要由采集端和數據處理端兩部分構成。數據采集端主要負責電池數據的采集和傳輸，它將采集到的電池的電壓、電流、剩余電量等數據通過GPRS模塊傳送到數據處理端，經數據處理端的GPRS模塊接收后送到服務器中，對數據進行分類存儲和處理分析，用戶或管理人員可以通過Web頁面觀看和查詢數據。電池管理系統框圖如圖1所示。

數據采集端和服務器之間采用C/S網絡架構，數據處理模塊為服務器，采集模塊為客戶端。數據傳輸采用GPRS技術，利用GPRS傳輸系統通信網覆蓋面積大、系統響應快、組網靈活等特點，實現快速、多點、實時監控。網絡通信協議采用TCP/IP協議和Socket通信方式，實現數據的安全準確。服務器采用多線程編程技術，可以同時接收多達2 000個電池數據。

服務器端數據庫為SQL Server 2005，方便存儲采集到的數據。數據處理接收到電池數據后，將數據實時存儲到數據庫中，對數據進行分析處理，剔除無效數據，完成超標報警，并能以圖表、柱狀、曲線等方式顯示給管理員或系統用戶查看。

1.2 電池管理系統數據庫設計

待測電池分為電池組和電池單體，電池運行狀態主要分為浮充狀態、充電狀態和放電狀態三個狀態。根據電池使用情況，數據庫主要由以下幾個表組成[6?7]：

（1） 電池組串的不可變信息表。該信息表含有每個電池單體單元數、型號以及位置等信息。這些信息在每個實際存在的電池組中都是一一確定的，不可更改。若它們被改變了，就說明該電池被替換，則必須更新數據表。為此，需要記錄建表時間。

（2） 電池組串的可變基本信息表。該信息表的數值主要用于報警門限設定，這些數值可進行改變，表示的是歷史信息，用于電池出現故障或其他特殊情況下進行查詢分析。所以當這些數值改變，隨之應建立一個新的信息表。對于電池組串，其可變基本信息包含：電池電壓上限報警（一般報警和緊急報警兩種門限）、電池電壓下限報警、電池內阻上限報警、電池內阻下限報警、電池溫度上限報警、電池溫度下限報警等信息。

（3） 電池組串數據信息表。該信息表為電池組串數據表的核心部分。它主要記錄電池組串中各單體電池的電壓、內阻、溫度等若干信息。具體統計參數如表1所示。

具體數據表各個字段的位數需根據實際信息的大小進行設計。

2 Socket網絡通信技術

電池監控管理系統對采集數據的完整性和可靠性要求都比較高，同時考慮到傳輸的實時性及其準確性，因此采用TCP/IP網絡傳輸協議和Socket類進行網絡編程。其中采集數據模塊為客戶端，數據處理模塊為服務器，其通信流程如圖2所示。

圖2 Socket通信流程

Socket套接字只提供到運輸層的連接，為了更好地控制傳輸過程還需要設計一個處于頂層的應用層協議[8]。應用層傳輸協議如圖3所示。

3 Web服務器端的設計

數據接收和處理系統與用戶之間采用瀏覽器?服務器（Browser/Server，B/S）架構，在客戶端只需一個瀏覽器即可訪問電池管理系統。通過選取相關的設備ID號、地區、總特性或單體特性、放電電流、總體電壓等參數，保存后并通過Session頁面傳值，傳送到后臺進行繪圖，接著服務器將繪圖曲線顯示在Iframe窗口中，或者通過表格等形式顯示出來。該部分的開發是基于ASP.NET平臺的相關技術。

（1） 使用母版頁構建整體風格。對于Web服務器，使用母版頁是保持網站頁面風格一致的一個非常重要的方法。母版頁主要由母版頁和內容頁兩個文件構成。前者為.master文件，它包含整個網站頁面的公共元素。后者是.aspx文件，它包含了除母版頁外其他非公共元素。在瀏覽器中，ASP.NET引擎將這兩種文件內容進行整合呈現給用戶。

（2） Iframe框架繪圖工具。Iframe框架元素在使用時會創建一個新的包含另一個文檔的內嵌框架。Iframe框架可作為文本流構成的一部分，用于網頁設計。使用Iframe標簽的時候可以定義一個任意大的矩形區域，在這個區域中可以用來瀏覽和顯示另一個單獨的文檔。通過修改Iframe相關屬性，可以改變Iframe框架的大小、透明度、位置、顯示名稱等特性。Iframe可以是一個獨立的HTML文檔，也可以是繪圖界面、文本等各種形式。在Iframe用來顯示繪圖的時候，只需通過單獨的刷新重畫，而不需要整個HTML頁面的刷新。

（3） 頁面傳值。ASP.NET常用的頁面之間傳值方式有以下幾種：Application，QueryString，Cookies，Server.Transfer，Session等，在瀏覽器端進行相應的參數設置的時候，能夠將設置的值通過.NET平臺提供的傳值方式進行相應的值傳遞，經后臺處理后將結果呈現到前臺進行顯示。本文設計的電池管理系統主要采用Session進行頁面傳值，它不僅使用起來簡單，而且安全性好。目前這種方法被越來越多的網站設計者所采用。

（4） GDI繪圖工具類。在ASP.NET網頁設計中，為了更加形象、直觀地來描述一些對象，就會用到圖形和圖像，在Visual Studio 2010中GDI提供了各種豐富的繪圖等圖像處理功能。GDI不僅支持頁面中各種字號大小、字體的修改，而且也為頁面的文本顯示樣式提供重要的支持。GDI基類提供的主要命名空間和描述如表2所示。

圖4是設計的電池基本信息查詢頁面，圖5顯示的是電池總體電壓、單體最大壓差曲線頁面。

該系統綜合利用.NET與SQL Server數據庫平臺進行設計分析，圖4電池基本信息表中通過按鈕選擇進行設定，經過Session頁面傳值，訪問服務器端數據庫，并且在Web端通過Gridview控件中將統計信息顯示。圖5同樣原理，通過相關設置后訪問數據庫，并且在Iframe框架控件中將統計信息進行繪圖顯示。

4 結 語

本文的遠程電池監控管理系統能夠對多個電池組數據進行監控管理，數據采集和服務器端采用GPRS無線傳輸技術，能夠充分利用現有移動通信網絡實現靈活快速的信息采集，采用TCP/IP通信協議和Socket套接字可以實現安全、可靠的數據傳遞，監控主機和用戶端采用B/S結構，使用戶通過瀏覽器在選取相關的設備ID號、地區后可以方便的查詢和分析電池數據。目前電池管理的相關技術仍不完善，難以滿足實際應用及大規模產業化的需要，尤其在采集數據的可靠性、電池組的均衡、SoC的估算精度和安全管理等方面都有待進一步改進和提高，這也是本文仍應努力的方向。

參考文獻

[1] 廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等.電池管理系統國內外現狀及其未來發展趨勢[J].汽車工程，2006，28（10）：961?964.

[2] 凌虎.蓄電池均衡充電與管理系統研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[3] 曹金亮，陳修強，張春光，等.鋰電池最新研究進展[J].電源技術，2013，37（8）：1460?1463.

[4] 穆謙，宋立冬，田野.蓄電池組的維護與更換[J].電信工程技術與標準化，2008，21（6）：65?68.

[5] 謝煒，柳彬，耿攀，等.中壓動力蓄電池組監測管理系統的設計[J].船電技術，2011，31（12）：15?16.

[6] 劉新玉.基于C/S架構的電池監控系統設計[D].杭州：杭州電子科技大學，2012.

[7] 朱明峰.蓄電池均衡充電系統研究與設計[D].青島：山東科技大學，2009.

[8] 凌杰，楊秀芝.基于分層防御的用戶管理系統設計[J].電視技術，2013，37（18）：48?50.

[9] 顧灶德.電動汽車鋰電池管理系統[D].鎮江：江蘇大學，2010.