車聯網環境中電動汽車高壓安全監控系統論文

1 監控系統總體方案設計

1. 1 高壓安全監控

電動汽車高壓安全故障主要包括動力電池熱失控故障、電機過熱故障、上電衝擊故障、短路故障、絕緣失效故障、接觸不良或斷路故障、事故引發故障、電池過充過放等類型。針對以上故障，電動汽車高壓安全監控系統主要實現包括電池與電機溫度監控、上電防瞬態衝擊、絕緣電阻檢測、過流保護、高壓回路互鎖檢測、事故斷電、電池充放電保護等功能。在此基礎上，筆者設計的系統還包括實現車內傳感器信息共享，以及電動汽車與周圍車輛、路基設施、數據處理中心、用戶進行通信的車聯網系統。

各子系統工作原理描述如下:1) 動力電池充放電保護。充電時監控系統接收電池管理系統估計的電池荷電狀態( state ofcharge，SOC) 。當SOC 達到上限值時，在經過一段時間涓流充電後斷開繼電器K1。同樣，放電過程中當SOC 達到下限值時，提醒駕駛員停車充電。2) 電池溫度檢測。溫度傳感器T1實時檢測動力電池的溫度，出現異常時通過聲光報警提醒駕駛員。如果溫度達到上限，則斷開繼電器K1停止充電，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。另外，當電動汽車停車斷電時，如果電池溫度高於允許值，則閉合繼電器K6使散熱風扇工作，直至溫度低於允許值。3) 電機溫度檢測。在電動汽車行駛過程中，溫度傳感器T2實時檢測電機溫度。溫度出現異常時進行聲光報警，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。4) 絕緣電阻檢測。檢測電池正負母線對地電阻，當絕緣電阻異常時進行聲光報警，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。5) 預充電保護。當電動汽車點火開關閉合時，預充電繼電器的常開開關K4閉合，而常閉開關K5斷開，電流經預充電阻R1對電機等高壓負載進行預充電。預充電結束時，K4斷開而K5閉合，動力電池直接向高壓負載供電。6) 高壓回路電流檢測。在電動汽車行駛過程中，實時檢測高壓回路的電流。當電流異常時進行聲光報警，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。7) 高壓互鎖檢測。檢測高壓回路是否存在接觸不良和斷開故障，如果存在接觸不良故障，則進行聲光報警; 如果存在斷開故障，則斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。8) 事故檢測。監控系統根據其他控制系統共享的傳感器信號，如安全氣囊、車身穩定控制系統共享的X，Y 和Z 等3 個方向的加速度信號，車身側傾角信號，判斷車輛是否發生正碰、追尾、側碰、跌落和側翻等事故。如果發生交通事故則斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。

1. 2 車聯網系統

車聯網是一種基於人—車—環境協同的網絡系統，其通過先進的信息通信與處理技術，實現人、車、環境的深度融合。在車聯網環境下，利用車輛內部、車輛之間以及路基設施和互聯網等網絡資源，及時將車輛的故障類型、應保持的安全距離發送給其他車輛和數據處理中心，以便其他車輛和交通控制系統作出相應調整。對於特別嚴重的高壓安全故障或事故，可自動申請醫療、消防和警力救援。

在車聯網環境下，將發生高壓安全故障的電動汽車作爲信息系統的一個節點，在網絡中實現故障信息的互聯共享。通信方式包括: 利用車輛內部的LAN/CAN 網絡實現傳感器信號的共享; 通過DSRC/藍牙網絡實現車與車和車與路基設施之間的短程通信; 通過GPRS /3G/4G 網絡實現車與用戶和車與互聯網之間的遠程通信。發生故障時，通信的信息除實時的車輛運行參數、汽車部件工作狀態、汽車位置參數、道路狀況等信息外，還包括車輛故障信息和建議採取的措施。具體來說，車內信號包括車輛內部加速度、側傾角等傳感器信號; 車與車之間的通信信息包括故障信息，以及應保持的安全距離等信息; 車與用戶之間的通信信息包括車輛的實時SOC 和故障報警信息; 車與數據處理中心之間的通信信息包括故障信息、以及需要的救援類型等信息。數據處理中心根據故障類型和嚴重程度，通過控制交通燈實現交通調度，並實施交通管制和組織救援等。全球定位系統( global position system，GPS) 用於檢測車輛位置信息，路基設施通過互聯網中繼站與數據處理中心通信。

2 監控系統的監控流程

2. 1 車輛啓動時的監控流程

電動汽車啓動時的`監控流程，主要包括檢測電池對地絕緣電阻、高壓回路互鎖、電池SOC，以及進行預充電保護等。當絕緣電阻和高壓回路互鎖出現故障，或SOC 低於下限值時，不能啓動車輛，通過聲光報警提醒駕駛員，液晶屏提示故障內容和處理方法。當SOC 處於下限值與上限值之間時，通過液晶屏顯示續駛里程。如果在導航狀態下，則顯示沿路的充電設備分佈情況，便於駕駛員及時充電。如果無故障且變速器處於空擋時，高壓安全監控系統發出預充電指令。在預充電結束時，如果高壓回路的端電壓低於動力電池名義電壓的10%，則判斷高壓負載存在故障，通過聲光報警和液晶屏提示故障類型和處理方法; 如果高壓回路的端電壓在電池名義電壓的10% ～ 90% 之間，則認爲高壓回路上電不正常，延遲一段時間之後進行第2 次預充電;如果第2 次預充電結束時，端電壓仍未高於電池名義電壓的90%，則停止高壓回路的接通，並通過聲光報警和液晶屏提示故障類型和處理方法。反之預充電成功，高壓監控系統接通高壓回路，轉而執行行駛過程中的監控流程。

2. 2 行駛過程中的監控流程

電動汽車的行駛過程是高壓安全故障發生的主要階段，按故障的嚴重程度可分爲一般故障和嚴重故障。發生一般故障時，如果車輛行駛在車流量較少的路面，且速度較慢時，通過聲光報警提醒駕駛員，由液晶屏提示停車檢修; 如車輛行駛在車流量大的市區，除聲光報警外，還通過雙閃燈和車與車之間通信網絡提示周圍車輛避讓，液晶屏提示儘快行駛至安全區域進行檢修; 如果車輛行駛在高速公路上，除聲光報警提醒駕駛員和開啓雙閃燈提示後面車輛保持車距外，通過車與車和車與路基設施之間的通信網絡提醒同向車輛注意避讓，而液晶屏提示駕駛員儘快行駛至安全港或服務區進行檢修。

屏提醒或提示本車和周圍車輛的駕駛員外，還通過車與車、車與路基設施之間通信網絡提示周圍車輛保持安全距離。同時，高壓監控系統開啓車輛輔助駕駛系統，引導駕駛員緩慢制動車輛; 如果車輛行駛在高速公路上，除採取上述措施外，顯示屏提示儘快停至應急車道進行檢修，並提醒駕駛員在車輛後方150 m 處放置三角警示牌。當車輛發生碰撞或側翻而無法行駛時，高壓安全監控系統立即切斷高電壓回路，通過雙閃燈、車與車、車與路基設施之間的通信網絡提示後面車輛注意避讓，並通過車與路基設施、車與互聯網之間的通信網絡發送車輛事故類型和位置信息給數據處理中心，乘員和數據處理中心可根據需要申請醫療、消防和警力救援。與此同時，顯示屏提示乘員儘快離開車輛，在安全區域等待救援。

2. 3 停車斷電時的監控流程

在高壓安全監控系統接到停車斷電指令後，首先斷開高壓回路上的2 個繼電器K2和K3，並檢查是否真正斷開，否則提示手動斷開; 然後檢測電池箱內溫度是否低於允許值，否則通過繼電器K6開啓電池箱內的散熱風扇; 最後檢測高壓回路的剩餘電量是否超過國家標準允許的20 J，否則進行電量泄放。如果是故障停車，停車後仍保持原故障報警和提示，如開啓雙閃燈等。需要說明的是，如果電動汽車停車斷電後進行充電，則實時檢測電池的溫度和SOC，避免充電時電池溫度過高而發生自燃，同時防止電池過充而影響使用壽命。當發現異常時，通過車與路基設施、車與互聯網之間的通信網絡，將故障信息傳送給數據處理中心和車輛所有者，由數據處理中心決定是否請求消防救援。

3 結論

在車聯網環境下，開展了電動汽車高壓安全監控系統研究，得到如下結論:

1) 將電動汽車高壓安全監控系統融入車聯網，不僅能實現傳感器信號的共享，還能實現故障信息的互聯共享。2) 通過DSRC /藍牙通信手段，實現故障信息在車與車、車與路基設施之間共享; 通過GPRS /3G/4G通信手段，實現故障信息在車與用戶、車與互聯網之間共享。3) 車聯網環境中的電動汽車高壓安全監控系統，不僅能提示周圍車輛避讓，還能根據需要自動申請交通救援。4) 提出的電動汽車高壓安全監控系統僅處於方案設計階段，仍需通過實車試驗檢驗系統的有效性。