基于IPv6的新能源汽車動力電池管理平臺

文／李中振 高超越 金代亮 仲瑋代成琴

中國汽車工業(yè)協(xié)會的最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：在新能源汽車領(lǐng)域，中國已成為最大的生產(chǎn)和銷售市場。2016年我國新能源汽車產(chǎn)銷突破50萬輛，累計推廣超過100萬輛，占全球的50%；2018年國內(nèi)市場新能源汽車的銷售量同比上漲62%。根據(jù)國務(wù)院《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃（2012～2020）》，到2020年，我國純電動和插電式混合動力汽車產(chǎn)能將達(dá)到200萬輛，累計銷量預(yù)計超過500萬輛。但數(shù)字如此龐大的新能源汽車，其核心部件動力電池卻依然存在著以下種種問題：電池是否處于安全狀態(tài)未知；電池的質(zhì)量、壽命、健康及故障等狀態(tài)未知；車載電池退役后如何利用或處理未知；市場對各廠商電池長期使用后的狀態(tài)未知等[1,2]。而目前的通用解決方案——車載電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，以下簡稱BMS），即使具備了故障診斷、主動均衡，以及大容量數(shù)據(jù)存儲（記錄電池的全部運行數(shù)據(jù)）和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸（將數(shù)據(jù)發(fā)送回BMS管理平臺）等功能[3]，但由于IPv4的地址限制（安裝了SIM卡的BMS分配到的均是內(nèi)網(wǎng)地址，外部無法訪問），導(dǎo)致只有當(dāng)BMS主動和管理平臺通信時，后者才能被動地接收前者發(fā)送的數(shù)據(jù)。即管理平臺無法主動、實時地監(jiān)控每一個BMS即每輛新能源汽車車載電池的當(dāng)前狀態(tài)，也無法主動與BMS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而使用IPv6技術(shù)，可以分配給每個出廠的BMS一個唯一的IPv6公網(wǎng)地址，使得管理平臺可以主動和其通信，獲取電池運行數(shù)據(jù)并及時診斷車載電池的健康狀態(tài)，更進(jìn)一步確保駕駛員的行駛安全。

因此，本文的主要研究目標(biāo)是基于IPv6和互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)管理平臺對BMS的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)的采集，以便通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步完善BMS的功能及電池管理相關(guān)技術(shù)；同時，該平臺基于物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，提供開放型數(shù)據(jù)接口，打造完整的新能源汽車生態(tài)系統(tǒng)：即電動汽車、駕駛員、管理機構(gòu)、充換電基礎(chǔ)設(shè)施運營商、整車和電池制造商、政府部門等均可靈活接入，共享數(shù)據(jù)信息、彼此需求互動，使各方相互協(xié)調(diào)、共同發(fā)展。如：通過數(shù)據(jù)挖掘和算法模型判斷車載電池組的退役時間，讓梯次用戶可提前預(yù)約使用；也可以讓車廠和電池廠動態(tài)地安排采購、生產(chǎn)和庫存管理，從而提高生產(chǎn)效率并節(jié)約成本；政府部門也可以實時監(jiān)管新能源汽車的使用情況，從而有效避免類似“騙補”行為帶來的道德風(fēng)險。主要研究內(nèi)容為關(guān)鍵技術(shù)的解決方案、軟件平臺的整體功能設(shè)計和技術(shù)架構(gòu)設(shè)計。

目前國內(nèi)對車載電池管理系統(tǒng)BMS相關(guān)技術(shù)的研究較多，如剩余電量估計(SOC)、健康狀態(tài)估計(SOH)等；傳統(tǒng)燃油汽車“車聯(lián)網(wǎng)”的相關(guān)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)也逐漸成熟。但對基于BMS和互聯(lián)網(wǎng)/移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建新能源汽車數(shù)據(jù)中心及管理平臺的研究和市場化產(chǎn)品則相對較少[1,3]，現(xiàn)有的新能源汽車數(shù)據(jù)管理平臺均是基于IPv4構(gòu)建。國外方面，把新能源汽車和IPv6技術(shù)聯(lián)系在一起的研究工作已經(jīng)開始起步，文獻(xiàn)[4]研究了IPv6協(xié)議應(yīng)用于新能源汽車入網(wǎng)（Vehicle-to-Grid，簡稱V2G）時的安全性和私密性；文獻(xiàn)[5]中分析了基于IPv6構(gòu)建新能源汽車充電服務(wù)的可能性。當(dāng)前國內(nèi)外對于類似應(yīng)用的研究普遍處于理論可能性的研究分析階段，本文的研究更加偏重于新能源汽車關(guān)鍵部件（動力電池及其管理系統(tǒng)BMS）的基礎(chǔ)研究，同時還涵蓋了大數(shù)據(jù)相關(guān)的技術(shù)。同時，由于我國已經(jīng)是最大的新能源汽車市場，該管理平臺的研究將普惠我國廣大的新能源汽車用戶及企業(yè)，也便于政府未來的管理，意義重大。

IPv6技術(shù)簡析

IPv4 的局限性

互聯(lián)網(wǎng)是基于TCP/IP協(xié)議族的，而IP即為這個協(xié)議族的重要組成部分。IP是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，其主要任務(wù)是根據(jù)源主機和目標(biāo)主機的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)前廣泛使用的IP協(xié)議是第四版，也就是IPv4。該協(xié)議已經(jīng)使用30余年，成功促成了互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展。但是由于其設(shè)計初衷是僅供美國軍方使用，未曾考慮全球?qū)嵱眯浴Ｓ绕涫切率兰o(jì)計算機網(wǎng)絡(luò)和移動互聯(lián)網(wǎng)的火速發(fā)展，IPv4地址資源已經(jīng)接近枯竭。

目前可用的IPv4地址已經(jīng)分配了70%左右，其中，B類地址已經(jīng)耗盡。由于種種原因，IP地址分配極為不均，美國占有IPv4地址總數(shù)的64%，亞洲地區(qū)僅有8%；同時，由于IPv4地址方案不能很好地支持地址匯聚，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv4在地址空間、端到端的IP連接、服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)安全和移動性等方面都暴露出了不足，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)正面臨路由表不斷膨脹的壓力。

IPv6簡介

IPv6于上世紀(jì)90年代被提出，全稱是Internet Protocol version 6，即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版。其定義的地址數(shù)目是個，在數(shù)目上完全足夠支持全人類的使用[6]。

IPv6的報文格式如圖1(b)所示，相比IPv4，其報頭長度較長（IPv6為40字節(jié)，IPv4為變長的24字節(jié)），但是其結(jié)構(gòu)簡單，僅有六個域和兩個地址空間，去掉了IPv4中不常用的幾個域，放入了可選項和報頭擴展，并且其可選項有嚴(yán)格的定義。

如圖1所示，在地址長度上，IPv4為32bit，IPv6為128bit，解決了地址匱乏的問題，為萬物互聯(lián)的理念實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。相比IPv4的點分十進(jìn)制格式，IPv6采用的是冒號分隔的十六進(jìn)制格式，同時其也有自己的簡化規(guī)范[7]。

除此之外，IPv6還有如下幾方面的顯著優(yōu)點：

1.IPv6使用更小的路由表。使得路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度更快。

圖1 IPv4和IPv6的報頭格式

2.IPv6增加了增強的組播支持以及對流的控制，對多媒體應(yīng)用很有利，對服務(wù)質(zhì)量（QoS）控制也很有利。

3.IPv6加入了對地址自動配置的支持。這是對DHCP協(xié)議的改進(jìn)和擴展，使得網(wǎng)絡(luò)（尤其是局域網(wǎng)）的管理更加方便和快捷。

4.IPv6具有更高的安全性。IP安全（IP Security，IPSec）是IPv6的一個組成部分。用戶可以對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并對IP報文進(jìn)行校驗，極大地增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

5.IPv6具有更好的擴容能力。新的技術(shù)或應(yīng)用需要時，IPv6允許協(xié)議進(jìn)行擴充。

系統(tǒng)平臺整體架構(gòu)設(shè)計

圖2為基于IPv6的新能源汽車動力電池管理平臺功能及技術(shù)框圖，該平臺基于物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)，利用云技術(shù)和開放的接口，構(gòu)建電動汽車、司機和管理者、充電設(shè)施、運營商、車輛和電池制造商等相關(guān)主體可以靈活接入、共享彼此信息、互動彼此需求的公共服務(wù)與互動數(shù)據(jù)平臺，使各方相互協(xié)調(diào)共同發(fā)展，提供用戶真正需要的服務(wù)。

圖2 基于IPv6的新能源汽車動力電池管理平臺功能及技術(shù)框架

例如：在售后服務(wù)方面，通過移動互聯(lián)網(wǎng)的實時監(jiān)控報警以及車載軟件（特別是BMS軟件）的網(wǎng)絡(luò)升級，可以大大降低廠商的售后運維成本，同時提升用戶滿意度；在研發(fā)體系上，隨著平臺積累越來越多的電池運行數(shù)據(jù)和車輛運行數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的實驗室模擬不同，這些海量的真實數(shù)據(jù)對新能源汽車技術(shù)的研發(fā)、動力鋰電池成組技術(shù)與生產(chǎn)工藝改進(jìn)的價值不可估量；在庫存管理上，基于數(shù)據(jù)挖掘以及各種判斷策略，可以準(zhǔn)確估計車載電池的退役時間，方便車廠和電池廠動態(tài)地安排采購、生產(chǎn)和庫存管理，提升效率，節(jié)省成本，避免不必要的浪費；同時可為汽車使用者提供更準(zhǔn)確的車輛信息，如電池剩余電量的判斷、SOC、SOH等參數(shù)提示。

最后，通過本平臺可實現(xiàn)動力鋰電池的梯次利用與回收管理，同時實現(xiàn)其完整的生命周期追溯管理，具有一定的環(huán)保意義。

根據(jù)功能框架中各部分的功能規(guī)劃，為了向新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈提供全方位的信息化服務(wù)，系統(tǒng)必須考慮到海量數(shù)據(jù)的存儲問題，以及車載端硬件的升級。因此，系統(tǒng)采用面向服務(wù)（SOA）的四層技術(shù)架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)規(guī)劃設(shè)計

平臺系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集（BMS、CAN總線、智能車載終端技術(shù)）、數(shù)據(jù)傳輸（基于IPv6的Socket通信、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)）、數(shù) 據(jù) 存 儲（NoSQL、Hadoop、分布式負(fù)載均衡與高并發(fā)處理技術(shù)）、以及應(yīng)用服務(wù)（數(shù)據(jù)分析與挖掘、報表展示技術(shù)）四個層次，同時對第三方提供標(biāo)準(zhǔn)Web Service接口。

圖4 BMS與數(shù)據(jù)平臺間的數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮方案

關(guān)鍵技術(shù)

BMS對IPv6技術(shù)的支持研究

BMS作為新能源汽車的重要部件之一，可以實現(xiàn)對動力電池的剩余電量估計(SOC)、健康狀態(tài)估計(SOH)、電池間的彼此均衡以及對電池?zé)峁芾恚瑢︸{駛員進(jìn)行指導(dǎo)以確保其人身安全。但是，由于目前國內(nèi)外的車載BMS均無法實現(xiàn)復(fù)雜算法的導(dǎo)入，以及大量數(shù)據(jù)的處理，因此，需要建立數(shù)據(jù)中心即新能源汽車動力電池管理平臺（以下簡稱“管理平臺”），將BMS中的電壓、電流和溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。管理平臺基于BMS所提供的電池實時運行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，分析動力電池在電動汽車使用階段的性能變化，并將電池結(jié)構(gòu)參數(shù)、容量內(nèi)阻等參數(shù)存儲在數(shù)據(jù)中心，全面診斷電池當(dāng)前狀態(tài)。而使用IPv6技術(shù)，可以分配給每個出廠的BMS一個唯一的IPv6公網(wǎng)地址，使得管理平臺可以主動、實時地和其通信，獲取電池運行數(shù)據(jù)并及時診斷車載電池的健康狀態(tài)。因此，需要首先升級目前BMS的大容量數(shù)據(jù)存儲和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，使其支持IPv6[8]。

BMS與管理平臺間的數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮方案研究

BMS在工作過程中，由于數(shù)據(jù)采集的頻率（1次/秒）非常高，因此每時每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括：電池的單體電壓值、溫度值、充放電電流值、SOC值、內(nèi)阻值等。為了減少數(shù)據(jù)信息的儲存空間、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳時的數(shù)據(jù)傳輸時間，有必要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的壓縮[9]。然而，目前所公開的研究成果中，針對電動汽車電池數(shù)據(jù)特點實施數(shù)據(jù)壓縮的研究較少。

本文建立的平臺基于現(xiàn)有的無損通用壓縮算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合動力電池數(shù)據(jù)特點，提出了一種針對電動汽車電池數(shù)據(jù)的預(yù)壓縮處理方法和數(shù)據(jù)壓縮策略。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮傳輸?shù)倪^程中，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省Ｔ诒疚难芯恐校捎昧穗姵貐?shù)在線估計方法、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮算法相結(jié)合的方法，提高電池數(shù)據(jù)壓縮率，降低數(shù)據(jù)冗余度。

圖5 平臺大數(shù)據(jù)處理技術(shù)框架

如圖4所示，為BMS與數(shù)據(jù)平臺間的數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮方案，該方法可以根據(jù)時間、SOC、電壓和溫度數(shù)據(jù)的特點，進(jìn)行預(yù)壓縮處理。由于電壓為和溫度數(shù)據(jù)隨著時間有一致走勢，在各時刻的點電壓數(shù)值，可以由其中一個電壓值和兩個電壓之間的差值來表示。溫度數(shù)據(jù)有與電壓數(shù)據(jù)相似的特點。SOC數(shù)據(jù)變化緩慢，并且相鄰時刻SOC值的變化量很小的特點。對于電池模型參數(shù)估計值、溫度數(shù)據(jù)做如下處理：1.對于第一個電池單體之外的其余電池單體數(shù)據(jù)，只記錄與第一個電池單體電池模型參數(shù)的差值；2.對于第一個電池的模型參數(shù)數(shù)據(jù)，開始時刻設(shè)為參數(shù)的標(biāo)志位并且記錄，之后時刻只記錄與標(biāo)志位參數(shù)的差值。通過上述方法可以減小數(shù)值的量值范圍，進(jìn)而選用合適的數(shù)據(jù)類型壓縮原始數(shù)據(jù)。隨后，采用哈夫曼編碼與行程編碼相結(jié)合的數(shù)據(jù)壓縮方法對預(yù)壓縮處理后的電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)等實施進(jìn)一步的壓縮處理，實現(xiàn)對電池數(shù)據(jù)的全面、有效壓縮。

數(shù)據(jù)傳輸及存儲相關(guān)問題解決方案

如圖5所示為數(shù)據(jù)平臺的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)框架。本文的數(shù)據(jù)傳輸基于IPv6，采用Socket方式進(jìn)行通信，存在海量BMS終端同時向管理平臺傳輸數(shù)據(jù)時的超高并發(fā)問題，針對該問題，本文采用基于AMQP（高級消息隊列協(xié)議）與負(fù)載均衡技術(shù)，使用ActiveMQ及Kafka等成熟的Java技術(shù)框架。同時，海量數(shù)據(jù)的管理也具有存儲及查詢的相關(guān)問題。本文構(gòu)建的平臺基于Hadoop及其相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的分布式存儲（數(shù)據(jù)倉庫Hive、Spark-SQL）及分布式計算（MapReduce）、內(nèi)存計算（Spark）、流式數(shù)據(jù)計算（Storm）；從而實現(xiàn)快速查詢歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘、決策分析與報表輸出。

結(jié)論

新能源汽車動力電池及其管理系統(tǒng)BMS存在接入物聯(lián)網(wǎng)后無法被數(shù)據(jù)中心暨管理平臺主動發(fā)現(xiàn)的問題，本文基于IPv6技術(shù)，提出了新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的背景下該問題的解決方案。利用基于電池建模技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理與行程編碼、哈夫曼編碼相結(jié)合的電池數(shù)據(jù)壓縮與解壓方法，解決了電池數(shù)據(jù)存儲與遠(yuǎn)傳過程中的數(shù)據(jù)量大、傳輸可靠性低的問題。同時基于IPv6及AMQP技術(shù)，解決百萬級別的BMS終端同時和管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時產(chǎn)生的超高并發(fā)問題。最后，基于Hadoop等大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)，提出了解決海量新能源汽車動力電池全生命周期的數(shù)據(jù)存儲及快速查詢問題的方案。最終能夠?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)的新能源汽車車載動力電池管理系統(tǒng)BMS的升級，使其完全支持IPv6技術(shù)；同時建立基于IPv6網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的新能源汽車動力電池管理平臺以及電池的全生命周期數(shù)據(jù)中心，獲取電池組的實時運行數(shù)據(jù)并及時診斷其健康狀態(tài)以確保駕駛員的行駛安全，并可通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步完善電池組的主動均衡、參數(shù)在線估計以及BMS的遠(yuǎn)程升級等功能。