基于邊緣計算的電動汽車能量管理系統(tǒng)設計

程和斌 程和俠

摘要：論文提出了一種基于邊緣計算的電動汽車能量管理系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對電池運行全過程的監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)通過引入控制器局域網（CAN） 總線和物聯(lián)網連接，實現(xiàn)設備自動化實時控制和數(shù)據(jù)采集。新的荷電狀態(tài)（SOC） 估計方法和先進的數(shù)據(jù)處理技術應用于處理電池不一致性。此外，該系統(tǒng)還整合了提供精確故障診斷和修復建議的在線故障診斷專家系統(tǒng)。通過這些改進，電池管理系統(tǒng)能夠確保電池組的安全性和延長使用壽命，為電動汽車的可靠性和性能提供了重要支持。該系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)為電動汽車領域的能量管理提供了新的解決方案，并促進了電動汽車的可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：控制器局域網（CAN）總線；邊緣計算；浮點數(shù)據(jù)采集；SOC（State Of Charge）

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0107-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著汽車數(shù)量的日益增長，能源供求關系緊張、環(huán)境污染加重，乙醇燃料生產加劇世界范圍內糧荒。隨著傳統(tǒng)化石燃料的日漸枯竭，尋找新能源或可替代能源成為汽車工業(yè)發(fā)展的當務之急。為應對能源緊缺狀況，發(fā)達國家如日本、美國、歐洲等國家和地區(qū)開始大力發(fā)展由可充電電池作為動力或輔助動力的HEV、PHEV和BEV[1]。限制電動汽車的關鍵技術是電池管理系統(tǒng)，有效的能量管理系統(tǒng)成為實現(xiàn)更高性能和續(xù)航能力的關鍵要素。邊緣計算作為一種新興的計算模式，為電動汽車能量管理帶來了新的可能性。基于邊緣計算的電動汽車能量管理系統(tǒng)利用車輛上的傳感器和邊緣設備的計算能力，在車輛內部進行數(shù)據(jù)處理和決策，以優(yōu)化能量利用和續(xù)航能力。本文將探討設計一個基于邊緣計算的電動汽車能量管理系統(tǒng)的關鍵步驟和優(yōu)勢，以期提供一個智能、高效和可靠的能量管理解決方案。

論文完成混合動力汽車動力電池充放電控制、SOC估計等算法，主要從電量管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電芯均衡、強電保護以及整車集成和標定等方面進行了研究，增強循環(huán)中電池組的安全性及循環(huán)壽命[2]。

1 電動汽車能量管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

電動汽車能量管理系統(tǒng)是電動汽車的關鍵技術領域，旨在優(yōu)化電動汽車的能量利用、續(xù)航能力和性能[3]。研究人員不斷改進和開發(fā)動態(tài)能量管理算法，以實時監(jiān)測和調整電池充放電、電機功率輸出等參數(shù)，以優(yōu)化能量利用和續(xù)航能力。這些算法基于實時車輛和環(huán)境數(shù)據(jù)，通過最大化能量利用和減少能量浪費來提高電動汽車的性能。

邊緣計算技術的應用使得能量管理系統(tǒng)能夠更好地處理實時數(shù)據(jù)和決策，而無須依賴傳統(tǒng)的云計算架構。邊緣計算提供更低延遲和更高的數(shù)據(jù)處理能力，使能量管理系統(tǒng)能夠更迅速地做出響應和優(yōu)化決策。

V2G技術允許電動汽車與電網進行雙向能量交流，使得能量管理系統(tǒng)能夠更靈活地管理電池充放電和能量供應。V2G技術的發(fā)展為電動汽車能量管理系統(tǒng)提供了更大的優(yōu)化潛力，并為能源管理和電力市場提供了新的機會。

人工智能和機器學習技術也被廣泛應用于電動汽車能量管理系統(tǒng)，以分析大量數(shù)據(jù)、預測行駛模式、優(yōu)化充放電策略等。這些技術可以提高能量管理系統(tǒng)的智能化水平，實現(xiàn)更精確和個性化的能量管理。

電動汽車能量管理系統(tǒng)正不斷發(fā)展和創(chuàng)新，利用先進的算法、邊緣計算、V2G技術以及人工智能等技術手段，以提高電動汽車的能量利用效率、續(xù)航能力[4]。

2 總體設計

電動汽車能量管理系統(tǒng)是一個多任務、實時性要求很高的控制系統(tǒng)[5]。電動汽車能量管理系統(tǒng)可以通過將計算和決策的一部分移動到車輛的邊緣設備上來提高效率和響應速度。這樣的系統(tǒng)可以利用車輛上的傳感器和計算資源來優(yōu)化電動汽車的能量利用和續(xù)航能力。

電動汽車能量管理系統(tǒng)結構如圖1所示。

主要功能模塊包括：

傳感器數(shù)據(jù)采集濾波：在電動汽車中安裝各種傳感器，如電池狀態(tài)、電機效率、車速、路況等傳感器。這些傳感器將收集關鍵的車輛數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到邊緣設備進行處理[6]。

邊緣計算設備：在車輛中添加邊緣計算設備，如嵌入式計算機或邊緣服務器。這些設備應具備足夠的計算能力來處理傳感器數(shù)據(jù)并執(zhí)行能量管理算法。

能量管理算法：開發(fā)能夠優(yōu)化電動汽車能量利用和續(xù)航能力的算法。這些算法可以基于實時的傳感器數(shù)據(jù)來進行決策，例如優(yōu)化電機功率輸出、最佳的能量回收策略、充電和放電控制等。

邊緣決策和控制：將能量管理算法部署到邊緣設備上，并使其能夠根據(jù)實時的傳感器數(shù)據(jù)做出即時的決策。例如，根據(jù)當前的電池狀態(tài)和車速，調整電機的功率輸出以達到最佳的能量效率和續(xù)航能力。

SOC計算：SOC（State of Charge） 是指電池當前的電荷狀態(tài)，表示電池已經充電的能量與總能量之間的比例。

SPI通信：SPI（Serial Peripheral Interface） 是一種同步串行通信協(xié)議，用于在微控制器和外部設備之間傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸和云集成：邊緣設備可以將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，以便進行更深入的數(shù)據(jù)分析和綜合決策。云平臺可以提供更大的計算能力和存儲資源，從而進一步優(yōu)化能量管理系統(tǒng)的性能。

更新和優(yōu)化：通過定期更新和優(yōu)化邊緣設備上的能量管理算法，不斷提高系統(tǒng)的效率和性能。這可以基于云平臺上的分析結果和實時的車輛數(shù)據(jù)來完成。

診斷專家系統(tǒng)：提供實時的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控、報警系統(tǒng)，以支持車輛運營和維護的決策。

通過這樣的基于邊緣計算的電動汽車能量管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)更智能、高效和可靠的能量管理，從而提高電動汽車的續(xù)航能力和用戶體驗。

3 電池管理單元

電池管理單元（Battery Management Unit，簡稱BMU） 是電動汽車能量管理系統(tǒng)中的關鍵組成部分，負責監(jiān)測、控制和保護電池組的運行[7]。BMU硬件構成如圖2所示。

BMU需要實時監(jiān)測電池組的各項參數(shù)，如電壓、電流、溫度等。這可以通過傳感器獲取，并通過模擬或數(shù)字轉換進行測量和采集。BMU使用合適的算法對電池的荷電狀態(tài)（SOC） 進行估計。SOC是電池當前存儲能量與滿電容量之間的比例，是電動汽車能量管理的關鍵指標。BMU監(jiān)測電池組的溫度，并采取措施控制溫度在安全范圍內。這可以通過控制冷卻系統(tǒng)、調節(jié)充放電速率等方式實現(xiàn)。同時，BMU還應實施保護措施，如過壓保護、欠壓保護、過流保護和過溫保護，以確保電池組的安全運行。BMU根據(jù)車輛需求和電池狀態(tài)，控制充電和放電過程。這包括制定充電策略、放電策略和充電速率控制等，以實現(xiàn)最佳的能量管理和續(xù)航能力。設計BMU時，應考慮能耗的優(yōu)化，以減少系統(tǒng)能耗并延長電池壽命。這可以通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法、降低待機功耗、靈活的電源管理等方式實現(xiàn)。

BMU需要與車輛控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，傳輸電池狀態(tài)、故障信息和其他監(jiān)測數(shù)據(jù)。這可以通過CAN總線或其他通信協(xié)議實現(xiàn)。同時，BMU還可以提供電池狀態(tài)的顯示和監(jiān)控接口，供駕駛員或維修人員使用。

BMU還應具備故障診斷能力，能夠檢測和識別電池組的故障，并及時報警。這有助于及時采取措施防止故障擴大，并提供準確的故障信息供維修人員參考。

BMS的主要功能如表1所示。

4 SOC計算方法

SOC是準確計算對電動汽車能量管理系統(tǒng)至關重要的計算方法。新的SOC計算基于卡爾曼濾波（Kalman Filtering） 的方法。卡爾曼濾波是一種用于狀態(tài)估計的優(yōu)化算法，它通過結合電池的物理模型、測量值和噪聲模型，通過迭代更新狀態(tài)估計值，實現(xiàn)對SOC的準確估計。

在SOC計算中，該方法還考慮電池特性和環(huán)境因素。不同類型和化學組成的電池具有不同的特性，包括電壓-荷電狀態(tài)關系、內部電阻、溫度效應等。這些特性需要在SOC計算中考慮，并根據(jù)電池的規(guī)格和制造商提供的數(shù)據(jù)進行校準和修正。

為了提高SOC計算的準確性，可能需要進行系統(tǒng)校準和定期校驗。這可以通過與實際測量值進行比較和校正來實現(xiàn)，以確保SOC估計值與實際電池狀態(tài)一致。

SOC計算是電動汽車能量管理系統(tǒng)中的重要部分，改進的新方法可以實現(xiàn)對電池SOC的準確估計，提高電動汽車的能量管理和續(xù)航性能。

5 SPI通信

SPI通信具有高速、簡單和靈活的特點，常用于與外設進行數(shù)據(jù)交換，如存儲器、傳感器、顯示器等。在使用SPI通信時，需要確保主設備和從設備之間的時鐘頻率、數(shù)據(jù)位順序和通信協(xié)議等參數(shù)的一致性。同時，還需遵循外設廠商提供的相關規(guī)范和通信協(xié)議。

SPI串口通信電路如圖3所示：

SPI使用一對主-從設備的架構，主設備控制通信，從設備響應主設備的指令。

6 診斷專家系統(tǒng)

診斷專家系統(tǒng)用于電動汽車能量管理系統(tǒng)的故障診斷，提供實時的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控、報警系統(tǒng)，以支持車輛運營和維護的決策。

首先建立一個包含各種故障模式和相關知識的知識庫。基于知識庫，確定用于推理和診斷的規(guī)則。這些規(guī)則可以是基于因果關系、邏輯規(guī)則或專家經驗。將診斷專家系統(tǒng)集成到電動汽車能量管理系統(tǒng)中，并確保其與其他系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性。進行適當?shù)呐嘤柡蜏y試，以確保用戶能夠正確使用系統(tǒng)并獲取準確的診斷結果。

7 云平臺集成

使用專門的網關設備將控制器局域網CAN總線和物聯(lián)網連接起來。網關設備在CAN總線側連接CAN控制器，同時在物聯(lián)網側連接到云平臺或局域網。網關設備負責將CAN總線上的數(shù)據(jù)轉換為物聯(lián)網支持的通信協(xié)議，如MQTT或HTTP，并進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

在CAN控制器或電動汽車的嵌入式系統(tǒng)中集成物聯(lián)網連接功能。通過在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)物聯(lián)網協(xié)議棧和CAN總線接口，可以直接將CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網平臺或其他云服務。

將無線傳感器節(jié)點部署在CAN總線上，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的無線傳輸和物聯(lián)網連接。傳感器節(jié)點可以收集CAN總線上的數(shù)據(jù)，并通過無線網絡（如Wi-Fi、藍牙或LoRa） 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網平臺。

系統(tǒng)還提供CAN總線連接云計算平臺的集成功能。通過使用支持CAN總線的物聯(lián)網平臺，可以直接連接CAN總線設備并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程管理。

系統(tǒng)根據(jù)具體應用場景和系統(tǒng)要求選擇合適的方法來實現(xiàn)CAN總線和物聯(lián)網的連接。同時，確保網絡安全和數(shù)據(jù)隱私保護，采取適當?shù)陌踩胧﹣肀ＷoCAN總線和物聯(lián)網通信的安全性。

8 結論

基于邊緣計算的電動汽車能量管理系統(tǒng)利用車輛內部的邊緣設備和傳感器數(shù)據(jù)，通過能量管理算法實現(xiàn)實時決策和控制，優(yōu)化電動汽車的能量利用和續(xù)航能力。這種系統(tǒng)提供智能、高效和可靠的能量管理，提升用戶體驗，同時借助云平臺進行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，為電動汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。

參考文獻：

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[6] 王斌，徐俊，曹秉剛，等.采用模擬退火算法的電動汽車復合電源能量管理系統(tǒng)優(yōu)化[J].西安交通大學學報，2015，49（8）：90-96.

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【通聯(lián)編輯：梁書】