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車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)高壓安全故障主要包括動(dòng)力電池熱失控故障、電機過(guò)熱故障、上電沖擊故障、短路故障、絕緣失效故障、接觸不良或斷路故障、事故引發(fā)故障、電池過(guò)充過(guò)放等類(lèi)型。針對以上故障，電動(dòng)汽車(chē)高壓安全監控系統主要實(shí)現包括電池與電機溫度監控、上電防瞬態(tài)沖擊、絕緣電阻檢測、過(guò)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(shí)現車(chē)內傳感器信息共享，以及電動(dòng)汽車(chē)與周?chē)?chē)輛、路基設施、數據處理中心、用戶(hù)進(jìn)行通信的車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統。
各子系統工作原理描述如下:1) 動(dòng)力電池充放電保護。充電時(shí)監控系統接收電池管理系統估計的電池荷電狀態(tài)( state ofcharge，SOC) 。當SOC 達到上限值時(shí)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間涓流充電后斷開(kāi)繼電器K1。同樣，放電過(guò)程中當SOC 達到下限值時(shí)，提醒駕駛員停車(chē)充電。2) 電池溫度檢測。溫度傳感器T1實(shí)時(shí)檢測動(dòng)力電池的溫度，出現異常時(shí)通過(guò)聲光報警提醒駕駛員。如果溫度達到上限，則斷開(kāi)繼電器K1停止充電，或斷開(kāi)繼電器K2和K3，切斷高壓回路。另外，當電動(dòng)汽車(chē)停車(chē)斷電時(shí)，如果電池溫度高于允許值，則閉合繼電器K6使散熱風(fēng)扇工作，直至溫度低于允許值。3) 電機溫度檢測。在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，溫度傳感器T2實(shí)時(shí)檢測電機溫度。溫度出現異常時(shí)進(jìn)行聲光報警，或斷開(kāi)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(xiàn)對地電阻，當絕緣電阻異常時(shí)進(jìn)行聲光報警，或斷開(kāi)繼電器K2和K3，切斷高壓回路。5) 預充電保護。當電動(dòng)汽車(chē)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，預充電繼電器的常開(kāi)開(kāi)關(guān)K4閉合，而常閉開(kāi)關(guān)K5斷開(kāi)，電流經(jīng)預充電阻R1對電機等高壓負載進(jìn)行預充電。預充電結束時(shí)，K4斷開(kāi)而K5閉合，動(dòng)力電池直接向高壓負載供電。6) 高壓回路電流檢測。在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測高壓回路的電流。當電流異常時(shí)進(jìn)行聲光報警，或斷開(kāi)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(kāi)故障，如果存在接觸不良故障，則進(jìn)行聲光報警; 如果存在斷開(kāi)故障，則斷開(kāi)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(chē)身穩定控制系統共享的X，Y 和Z 等3 個(gè)方向的加速度信號，車(chē)身側傾角信號，判斷車(chē)輛是否發(fā)生正碰、追尾、側碰、跌落和側翻等事故。如果發(fā)生交通事故則斷開(kāi)繼電器K2和K3，切斷高壓回路。
1. 2 車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統
車(chē)聯(lián)網(wǎng)是一種基于人—車(chē)—環(huán)境協(xié)同的網(wǎng)絡(luò )系統，其通過(guò)先進(jìn)的信息通信與處理技術(shù)，實(shí)現人、車(chē)、環(huán)境的深度融合。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，利用車(chē)輛內部、車(chē)輛之間以及路基設施和互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )資源，及時(shí)將車(chē)輛的故障類(lèi)型、應保持的安全距離發(fā)送給其他車(chē)輛和數據處理中心，以便其他車(chē)輛和交通控制系統作出相應調整。對于特別嚴重的高壓安全故障或事故，可自動(dòng)申請醫療、消防和警力救援。
在車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，將發(fā)生高壓安全故障的電動(dòng)汽車(chē)作為信息系統的一個(gè)節點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現故障信息的互聯(lián)共享。通信方式包括: 利用車(chē)輛內部的LAN/CAN 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現傳感器信號的共享; 通過(guò)DSRC/藍牙網(wǎng)絡(luò )實(shí)現車(chē)與車(chē)和車(chē)與路基設施之間的短程通信; 通過(guò)GPRS /3G/4G 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現車(chē)與用戶(hù)和車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間的遠程通信。發(fā)生故障時(shí)，通信的信息除實(shí)時(shí)的車(chē)輛運行參數、汽車(chē)部件工作狀態(tài)、汽車(chē)位置參數、道路狀況等信息外，還包括車(chē)輛故障信息和建議采取的措施。具體來(lái)說(shuō)，車(chē)內信號包括車(chē)輛內部加速度、側傾角等傳感器信號; 車(chē)與車(chē)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(chē)與用戶(hù)之間的通信信息包括車(chē)輛的實(shí)時(shí)SOC 和故障報警信息; 車(chē)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(lèi)型等信息。數據處理中心根據故障類(lèi)型和嚴重程度，通過(guò)控制交通燈實(shí)現交通調度，并實(shí)施交通管制和組織救援等。全球定位系統( global position system，GPS) 用于檢測車(chē)輛位置信息，路基設施通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)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(chē)輛啟動(dòng)時(shí)的監控流程
電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)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(jìn)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 低于下限值時(shí)，不能啟動(dòng)車(chē)輛，通過(guò)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 處于下限值與上限值之間時(shí)，通過(guò)液晶屏顯示續駛里程。如果在導航狀態(tài)下，則顯示沿路的充電設備分布情況，便于駕駛員及時(shí)充電。如果無(wú)故障且變速器處于空擋時(shí)，高壓安全監控系統發(fā)出預充電指令。在預充電結束時(shí)，如果高壓回路的端電壓低于動(dòng)力電池名義電壓的10%，則判斷高壓負載存在故障，通過(guò)聲光報警和液晶屏提示故障類(lèi)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，則認為高壓回路上電不正常，延遲一段時(shí)間之后進(jìn)行第2 次預充電;如果第2 次預充電結束時(shí)，端電壓仍未高于電池名義電壓的90%，則停止高壓回路的接通，并通過(guò)聲光報警和液晶屏提示故障類(lèi)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(guò)程中的監控流程。
2. 2 行駛過(guò)程中的監控流程
電動(dòng)汽車(chē)的行駛過(guò)程是高壓安全故障發(fā)生的主要階段，按故障的嚴重程度可分為一般故障和嚴重故障。發(fā)生一般故障時(shí)，如果車(chē)輛行駛在車(chē)流量較少的路面，且速度較慢時(shí)，通過(guò)聲光報警提醒駕駛員，由液晶屏提示停車(chē)檢修; 如車(chē)輛行駛在車(chē)流量大的市區，除聲光報警外，還通過(guò)雙閃燈和車(chē)與車(chē)之間通信網(wǎng)絡(luò )提示周?chē)?chē)輛避讓?zhuān)壕撂崾颈M快行駛至安全區域進(jìn)行檢修; 如果車(chē)輛行駛在高速公路上，除聲光報警提醒駕駛員和開(kāi)啟雙閃燈提示后面車(chē)輛保持車(chē)距外，通過(guò)車(chē)與車(chē)和車(chē)與路基設施之間的通信網(wǎng)絡(luò )提醒同向車(chē)輛注意避讓?zhuān)壕撂崾抉{駛員盡快行駛至安全港或服務(wù)區進(jìn)行檢修。
屏提醒或提示本車(chē)和周?chē)?chē)輛的駕駛員外，還通過(guò)車(chē)與車(chē)、車(chē)與路基設施之間通信網(wǎng)絡(luò )提示周?chē)?chē)輛保持安全距離。同時(shí)，高壓監控系統開(kāi)啟車(chē)輛輔助駕駛系統，引導駕駛員緩慢制動(dòng)車(chē)輛; 如果車(chē)輛行駛在高速公路上，除采取上述措施外，顯示屏提示盡快停至應急車(chē)道進(jìn)行檢修，并提醒駕駛員在車(chē)輛后方150 m 處放置三角警示牌。當車(chē)輛發(fā)生碰撞或側翻而無(wú)法行駛時(shí)，高壓安全監控系統立即切斷高電壓回路，通過(guò)雙閃燈、車(chē)與車(chē)、車(chē)與路基設施之間的通信網(wǎng)絡(luò )提示后面車(chē)輛注意避讓?zhuān)⑼ㄟ^(guò)車(chē)與路基設施、車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送車(chē)輛事故類(lèi)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(shí)，顯示屏提示乘員盡快離開(kāi)車(chē)輛，在安全區域等待救援。
2. 3 停車(chē)斷電時(shí)的監控流程
在高壓安全監控系統接到停車(chē)斷電指令后，首先斷開(kāi)高壓回路上的2 個(gè)繼電器K2和K3，并檢查是否真正斷開(kāi)，否則提示手動(dòng)斷開(kāi); 然后檢測電池箱內溫度是否低于允許值，否則通過(guò)繼電器K6開(kāi)啟電池箱內的散熱風(fēng)扇; 最后檢測高壓回路的剩余電量是否超過(guò)國家標準允許的20 J，否則進(jìn)行電量泄放。如果是故障停車(chē)，停車(chē)后仍保持原故障報警和提示，如開(kāi)啟雙閃燈等。需要說(shuō)明的是，如果電動(dòng)汽車(chē)停車(chē)斷電后進(jìn)行充電，則實(shí)時(shí)檢測電池的溫度和SOC，避免充電時(shí)電池溫度過(guò)高而發(fā)生自燃，同時(shí)防止電池過(guò)充而影響使用壽命。當發(fā)現異常時(shí)，通過(guò)車(chē)與路基設施、車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò )，將故障信息傳送給數據處理中心和車(chē)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(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)高壓安全監控系統研究，得到如下結論:
1) 將電動(dòng)汽車(chē)高壓安全監控系統融入車(chē)聯(lián)網(wǎng)，不僅能實(shí)現傳感器信號的共享，還能實(shí)現故障信息的互聯(lián)共享。2) 通過(guò)DSRC /藍牙通信手段，實(shí)現故障信息在車(chē)與車(chē)、車(chē)與路基設施之間共享; 通過(guò)GPRS /3G/4G通信手段，實(shí)現故障信息在車(chē)與用戶(hù)、車(chē)與互聯(lián)網(wǎng)之間共享。3) 車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的電動(dòng)汽車(chē)高壓安全監控系統，不僅能提示周?chē)?chē)輛避讓?zhuān)�能根據需要自動(dòng)申請交通救援。4) 提出的電動(dòng)汽車(chē)高壓安全監控系統僅處于方案設計階段，仍需通過(guò)實(shí)車(chē)試驗檢驗系統的有效性。
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