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2019年度教育信息化优秀案例丨哈尔滨工业大学:基于IPv6 的新能源汽车动力电池管理平台
2020-05-26 16:18:00
中国教育网络
编辑:

  中国汽车工业协会的最新统计数据表明:在新能源汽车领域,中国已成为最大的生产和销售市场。

  2016年我国新能源汽车产销突破50万辆,累计推广超过100万辆,占全球的50%;2018年国内市场新能源汽车的销售量同比上涨62%。

  根据国务院《节能与新能源汽车发展规划(2012~2020)》,到2020年,我国纯电动和插电式混合动力汽车产能将达到200万辆,累计销量预计超过500万辆。

  但数字如此庞大的新能源汽车,其核心部件动力电池却依然存在着以下种种问题:

  电池是否处于安全状态未知;

  电池的质量、寿命、健康及故障等状态未知;

  车载电池退役后如何利用或处理未知;

  市场对各厂商电池长期使用后的状态未知等。

  而目前的通用解决方案——车载电池管理系统(Battery Management System,以下简称BMS),即使具备了故障诊断、主动均衡,以及大容量数据存储(记录电池的全部运行数据)和远程数据传输(将数据发送回BMS管理平台)等功能,但由于IPv4的地址限制(安装了SIM卡的BMS分配到的均是内网地址,外部无法访问),导致只有当BMS主动和管理平台通信时,后者才能被动地接收前者发送的数据。

  即管理平台无法主动、实时地监控每一个BMS即每辆新能源汽车车载电池的当前状态,也无法主动与BMS进行数据通信。

  而使用IPv6技术,可以分配给每个出厂的BMS一个唯一的IPv6公网地址,使得管理平台可以主动和其通信,获取电池运行数据并及时诊断车载电池的健康状态,更进一步确保驾驶员的行驶安全。

  因此,本文的主要研究目标是基于IPv6和互联网、大数据等技术,实现管理平台对BMS的远程控制与数据的采集,以便通过数据分析进一步完善BMS的功能及电池管理相关技术;

  同时,该平台基于物联网和互联网,提供开放型数据接口,打造完整的新能源汽车生态系统:即电动汽车、驾驶员、管理机构、充换电基础设施运营商、整车和电池制造商、政府部门等均可灵活接入,共享数据信息、彼此需求互动,使各方相互协调、共同发展。

  如:通过数据挖掘和算法模型判断车载电池组的退役时间,让梯次用户可提前预约使用;

  也可以让车厂和电池厂动态地安排采购、生产和库存管理,从而提高生产效率并节约成本;

  政府部门也可以实时监管新能源汽车的使用情况,从而有效避免类似“骗补”行为带来的道德风险。

  主要研究内容为关键技术的解决方案、App平台的整体功能设计和技术架构设计。

  目前国内对车载电池管理系统BMS相关技术的研究较多,如剩余电量估计(SOC)、健康状态估计(SOH)等;传统燃油汽车“车联网”的相关技术和标准也逐渐成熟。

  但对基于BMS和互联网/移动互联网技术,构建新能源汽车数据中心及管理平台的研究和市场化产品则相对较少,现有的新能源汽车数据管理平台均是基于IPv4构建。

  国外方面,把新能源汽车和IPv6技术联系在一起的研究工作已经开始起步,文献[4]研究了IPv6协议应用于新能源汽车入网(Vehicle-to-Grid,简称V2G)时的安全性和私密性;文献[5] 中分析了基于IPv6构建新能源汽车充电服务的可能性。

  当前国内外对于类似应用的研究普遍处于理论可能性的研究分析阶段,本文的研究更加偏重于新能源汽车关键部件(动力电池及其管理系统BMS)的基础研究,同时还涵盖了大数据相关的技术。

  同时,由于我国已经是最大的新能源汽车市场,该管理平台的研究将普惠我国广大的新能源汽车用户及企业,也便于政府未来的管理,意义重大。

IPv6技术简析

  IPv4 的局限性

  互联网是基于TCP/IP协议族的,而IP即为这个协议族的重要组成部分。IP是网络层协议,其主要任务是根据源主机和目标主机的地址进行数据的传送。当前广泛使用的IP协议是第四版,也就是IPv4。

  该协议已经使用30余年,成功促成了互联网的迅速发展。但是由于其设计初衷是仅供美国军方使用,未曾考虑全球实用性。尤其是新世纪计算机网络和移动互联网的火速发展,IPv4地址资源已经接近枯竭。

  目前可用的IPv4地址已经分配了70%左右,其中,B类地址已经耗尽。

  由于种种原因,IP地址分配极为不均,美国占有IPv4地址总数的64%,亚洲地区仅有8%;同时,由于IPv4地址方案不能很好地支撑地址汇聚,现有的互联网协议IPv4在地址空间、端到端的IP连接、服务质量、网络安全和移动性等方面都暴露出了不足,现有的互联网正面临路由表不断膨胀的压力。

  IPv6概况

  IPv6于上世纪90年代被提出,全称是Internet Protocol version 6,即互联网协议第6版。其定义的地址数目是个,在数目上完全足够支撑全人类的使用。

  IPv6的报文格式如图1(b)所示,相比IPv4,其报头长度较长(IPv6为40字节,IPv4为变长的24字节),但是其结构简单,仅有六个域和两个地址空间,去掉了IPv4中不常用的几个域,放入了可选项和报头扩展,并且其可选项有严格的定义。


图1 IPv4 和IPv6 的报头格式

  如图1所示,在地址长度上,IPv4为32bit,IPv6为128bit,解决了地址匮乏的问题,为万物互联的理念实现奠定了基础。相比IPv4的点分十进制格式,IPv6采用的是冒号分隔的十六进制格式,同时其也有自己的简化规范[7]。

  除此之外,IPv6还有如下几方面的显著优点:

  1.IPv6使用更小的路由表。使得路由器转发数据包的速度更快。

  2.IPv6增加了增强的组播支撑以及对流的控制,对多媒体应用很有利,对服务质量(QoS)控制也很有利。

  3.IPv6加入了对地址自动配置的支撑。这是对DHCP协议的改进和扩展,使得网络(尤其是局域网)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的一个组成部分。用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验,极大地增强了网络的安全性。

  5.IPv6具有更好的扩容能力。新的技术或应用需要时,IPv6允许协议进行扩充。

系统平台整体架构设计


图2 基于IPv6 的新能源汽车动力电池管理平台功能及技术框架

  图2为基于IPv6的新能源汽车动力电池管理平台功能及技术框图,该平台基于物联网和移动互联网,利用云技术和开放的接口,构建电动汽车、司机和管理者、充电设施、运营商、车辆和电池制造商等相关主体可以灵活接入、共享彼此信息、互动彼此需求的公共服务与互动数据平台,使各方相互协调共同发展,提供用户真正需要的服务。

  例如:在售后服务方面,通过移动互联网的实时监控报警以及车载App(特别是BMSApp)的网络升级,可以大大降低厂商的售后运维成本,同时提升用户满意度;

  在研发体系上,随着平台积累越来越多的电池运行数据和车辆运行数据,与传统的实验室模拟不同,这些海量的真实数据对新能源汽车技术的研发、动力锂电池成组技术与生产工艺改进的价值不可估量;

  在库存管理上,基于数据挖掘以及各种判断策略,可以准确估计车载电池的退役时间,方便车厂和电池厂动态地安排采购、生产和库存管理,提升效率,节省成本,避免不必要的浪费;

  同时可为汽车使用者提供更准确的车辆信息,如电池剩余电量的判断、SOC、SOH等参数提示。

  最后,通过本平台可实现动力锂电池的梯次利用与回收管理,同时实现其完整的生命周期追溯管理,具有一定的环保意义。

  根据功能框架中各部分的功能规划,为了向新能源汽车产业链提供全方位的信息化服务,系统必须考虑到海量数据的存储问题,以及车载端硬件的升级。因此,系统采用面向服务(SOA)的四层技术架构,如图3所示。


图3 系统技术架构规划设计

  平台系统分为数据采集(BMS、CAN总线、智能车载终端技术)、数据传输(基于IPv6的Socket通信、物联网、移动互联网技术)、数据存储(NoSQL、Hadoop、分布式负载均衡与高并发处理技术)、以及应用服务(数据分析与挖掘、报表展示技术)四个层次,同时对第三方提供标准Web Service接口。

关键技术

  BMS对IPv6技术的支撑研究

  BMS作为新能源汽车的重要部件之一,可以实现对动力电池的剩余电量估计(SOC)、健康状态估计(SOH)、电池间的彼此均衡以及对电池热管理,对驾驶员进行引导以确保其人身安全。

  但是,由于目前国内外的车载BMS均无法实现复杂算法的导入,以及大量数据的处理,因此,需要建立数据中心即新能源汽车动力电池管理平台(以下简称“管理平台”),将BMS中的电压、电流和温度等数据进行上传。

  管理平台基于BMS所提供的电池实时运行数据和历史数据,分析动力电池在电动汽车使用阶段的性能变化,并将电池结构参数、容量内阻等参数存储在数据中心,全面诊断电池当前状态。

  而使用IPv6技术,可以分配给每个出厂的BMS一个唯一的IPv6公网地址,使得管理平台可以主动、实时地和其通信,获取电池运行数据并及时诊断车载电池的健康状态。因此,需要首先升级目前BMS的大容量数据存储和远程数据传输模块,使其支撑IPv6。

  BMS与管理平台间的数据压缩与解压缩方案研究

  BMS在工作过程中,由于数据采集的频率(1次/秒)非常高,因此每时每刻都在产生大量的数据,这些数据包括:电池的单体电压值、温度值、充放电电流值、SOC值、内阻值等。为了减少数据信息的储存空间、数据远传时的数据传输时间,有必要对这些数据进行有效的压缩。然而,目前所公开的研究成果中,针对电动汽车电池数据特点实施数据压缩的研究较少。

  本文建立的平台基于现有的无损通用压缩算法的基础上,结合动力电池数据特点,提出了一种针对电动汽车电池数据的预压缩处理方法和数据压缩策略。

  在实现数据压缩传输的过程中,提高了数据传输的效率。在本文研究中,采用了电池参数在线估计方法、数据预处理方法与传统的数据压缩算法相结合的方法,提高电池数据压缩率,降低数据冗余度。

  如图4所示,为BMS与数据平台间的数据压缩与解压缩方案,该方法可以根据时间、SOC、电压和温度数据的特点,进行预压缩处理。


图4 BMS 与数据平台间的数据压缩与解压缩方案

  由于电压为和温度数据随着时间有一致走势,在各时刻的点电压数值,可以由其中一个电压值和两个电压之间的差值来表示。

  温度数据有与电压数据相似的特点。SOC数据变化缓慢,并且相邻时刻SOC值的变化量很小的特点。对于电池模型参数估计值、温度数据做如下处理:

  1.对于第一个电池单体之外的其余电池单体数据,只记录与第一个电池单体电池模型参数的差值;

  2.对于第一个电池的模型参数数据,开始时刻设为参数的标志位并且记录,之后时刻只记录与标志位参数的差值。

  通过上述方法可以减小数值的量值范围,进而选用合适的数据类型压缩原始数据。

  随后,采用哈夫曼编码与行程编码相结合的数据压缩方法对预压缩处理后的电压数据、电流数据、时间数据等实施进一步的压缩处理,实现对电池数据的全面、有效压缩。

  数据传输及存储相关问题解决方案


图5 平台大数据处理技术框架

  如图5所示为数据平台的大数据处理技术框架。本文的数据传输基于IPv6,采用Socket方式进行通信,存在海量BMS终端同时向管理平台传输数据时的超高并发问题,针对该问题,本文采用基于AMQP(高级消息队列协议)与负载均衡技术,使用ActiveMQ及Kafka等成熟的Java技术框架。同时,海量数据的管理也具有存储及查询的相关问题。

  本文构建的平台基于Hadoop及其相关技术,实现海量数据的分布式存储(数据仓库Hive、Spark-SQL)及分布式计算(MapReduce)、内存计算(Spark)、流式数据计算(Storm);从而实现快速查询历史数据、数据挖掘、决策分析与报表输出。

结 论

  新能源汽车动力电池及其管理系统BMS存在接入物联网后无法被数据中心暨管理平台主动发现的问题,本文基于IPv6技术,提出了新一代互联网技术的背景下该问题的解决方案。

  利用基于电池建模技术、数据预处理与行程编码、哈夫曼编码相结合的电池数据压缩与解压方法,解决了电池数据存储与远传过程中的数据量大、传输可靠性低的问题。

  同时基于IPv6及AMQP技术,解决百万级别的BMS终端同时和管理平台进行数据通信时产生的超高并发问题。

  最后,基于Hadoop等大数据相关技术,提出了解决海量新能源汽车动力电池全生命周期的数据存储及快速查询问题的方案。

  最终能够实现对传统的新能源汽车车载动力电池管理系统BMS的升级,使其完全支撑IPv6技术;

  同时建立基于IPv6网络环境的新能源汽车动力电池管理平台以及电池的全生命周期数据中心,获取电池组的实时运行数据并及时诊断其健康状态以确保驾驶员的行驶安全,并可通过数据分析进一步完善电池组的主动均衡、参数在线估计以及BMS的远程升级等功能。

  (本文刊载于《中国教育网络》杂志2019年6月刊,编辑:哈尔滨工业大学网络与信息中心 李中振 高超越 金代亮 仲玮 代成琴)

  进入专题>>2019高校信息化创新实践方案展示

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