車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中電動(dòng)汽車高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)論文

　　1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　1. 1 高壓安全監(jiān)控

　　電動(dòng)汽車高壓安全故障主要包括動(dòng)力電池?zé)崾Э毓收稀㈦姍C(jī)過熱故障、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、電池過充過放等類型。針對(duì)以上故障，電動(dòng)汽車高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)包括電池與電機(jī)溫度監(jiān)控、上電防瞬態(tài)沖擊、絕緣電阻檢測(cè)、過流保護(hù)、高壓回路互鎖檢測(cè)、事故斷電、電池充放電保護(hù)等功能。在此基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還包括實(shí)現(xiàn)車內(nèi)傳感器信息共享，以及電動(dòng)汽車與周圍車輛、路基設(shè)施、數(shù)據(jù)處理中心、用戶進(jìn)行通信的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

　　各子系統(tǒng)工作原理描述如下:1) 動(dòng)力電池充放電保護(hù)。充電時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)接收電池管理系統(tǒng)估計(jì)的電池荷電狀態(tài)( state ofcharge，SOC) 。當(dāng)SOC 達(dá)到上限值時(shí)，在經(jīng)過一段時(shí)間涓流充電后斷開繼電器K1。同樣，放電過程中當(dāng)SOC 達(dá)到下限值時(shí)，提醒駕駛員停車充電。2) 電池溫度檢測(cè)。溫度傳感器T1實(shí)時(shí)檢測(cè)動(dòng)力電池的溫度，出現(xiàn)異常時(shí)通過聲光報(bào)警提醒駕駛員。如果溫度達(dá)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(dāng)電動(dòng)汽車停車斷電時(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(jī)溫度檢測(cè)。在電動(dòng)汽車行駛過程中，溫度傳感器T2實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)溫度。溫度出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。4) 絕緣電阻檢測(cè)。檢測(cè)電池正負(fù)母線對(duì)地電阻，當(dāng)絕緣電阻異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。5) 預(yù)充電保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)汽車點(diǎn)火開關(guān)閉合時(shí)，預(yù)充電繼電器的常開開關(guān)K4閉合，而常閉開關(guān)K5斷開，電流經(jīng)預(yù)充電阻R1對(duì)電機(jī)等高壓負(fù)載進(jìn)行預(yù)充電。預(yù)充電結(jié)束時(shí)，K4斷開而K5閉合，動(dòng)力電池直接向高壓負(fù)載供電。6) 高壓回路電流檢測(cè)。在電動(dòng)汽車行駛過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)高壓回路的電流。當(dāng)電流異常時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，或斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。7) 高壓互鎖檢測(cè)。檢測(cè)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(jìn)行聲光報(bào)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(cè)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)其他控制系統(tǒng)共享的傳感器信號(hào)，如安全氣囊、車身穩(wěn)定控制系統(tǒng)共享的X，Y 和Z 等3 個(gè)方向的加速度信號(hào)，車身側(cè)傾角信號(hào)，判斷車輛是否發(fā)生正碰、追尾、側(cè)碰、跌落和側(cè)翻等事故。如果發(fā)生交通事故則斷開繼電器K2和K3，切斷高壓回路。

　　1. 2 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

　　車聯(lián)網(wǎng)是一種基于人—車—環(huán)境協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其通過先進(jìn)的信息通信與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人、車、環(huán)境的深度融合。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，利用車輛內(nèi)部、車輛之間以及路基設(shè)施和互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)資源，及時(shí)將車輛的故障類型、應(yīng)保持的安全距離發(fā)送給其他車輛和數(shù)據(jù)處理中心，以便其他車輛和交通控制系統(tǒng)作出相應(yīng)調(diào)整。對(duì)于特別嚴(yán)重的高壓安全故障或事故，可自動(dòng)申請(qǐng)醫(yī)療、消防和警力救援。

　　在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，將發(fā)生高壓安全故障的電動(dòng)汽車作為信息系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)故障信息的互聯(lián)共享。通信方式包括: 利用車輛內(nèi)部的LAN/CAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的共享; 通過DSRC/藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車與車和車與路基設(shè)施之間的短程通信; 通過GPRS /3G/4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車與用戶和車與互聯(lián)網(wǎng)之間的遠(yuǎn)程通信。發(fā)生故障時(shí)，通信的信息除實(shí)時(shí)的車輛運(yùn)行參數(shù)、汽車部件工作狀態(tài)、汽車位置參數(shù)、道路狀況等信息外，還包括車輛故障信息和建議采取的措施。具體來說，車內(nèi)信號(hào)包括車輛內(nèi)部加速度、側(cè)傾角等傳感器信號(hào); 車與車之間的通信信息包括故障信息，以及應(yīng)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(shí)時(shí)SOC 和故障報(bào)警信息; 車與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理中心根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度，通過控制交通燈實(shí)現(xiàn)交通調(diào)度，并實(shí)施交通管制和組織救援等。全球定位系統(tǒng)( global position system，GPS) 用于檢測(cè)車輛位置信息，路基設(shè)施通過互聯(lián)網(wǎng)中繼站與數(shù)據(jù)處理中心通信。

　　2 監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控流程

　　2. 1 車輛啟動(dòng)時(shí)的監(jiān)控流程

　　電動(dòng)汽車啟動(dòng)時(shí)的監(jiān)控流程，主要包括檢測(cè)電池對(duì)地絕緣電阻、高壓回路互鎖、電池SOC，以及進(jìn)行預(yù)充電保護(hù)等。當(dāng)絕緣電阻和高壓回路互鎖出現(xiàn)故障，或SOC 低于下限值時(shí)，不能啟動(dòng)車輛，通過聲光報(bào)警提醒駕駛員，液晶屏提示故障內(nèi)容和處理方法。當(dāng)SOC 處于下限值與上限值之間時(shí)，通過液晶屏顯示續(xù)駛里程。如果在導(dǎo)航狀態(tài)下，則顯示沿路的充電設(shè)備分布情況，便于駕駛員及時(shí)充電。如果無故障且變速器處于空擋時(shí)，高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)充電指令。在預(yù)充電結(jié)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(fù)載存在故障，通過聲光報(bào)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(rèn)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(yù)充電;如果第2 次預(yù)充電結(jié)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，并通過聲光報(bào)警和液晶屏提示故障類型和處理方法。反之預(yù)充電成功，高壓監(jiān)控系統(tǒng)接通高壓回路，轉(zhuǎn)而執(zhí)行行駛過程中的監(jiān)控流程。

　　2. 2 行駛過程中的監(jiān)控流程

　　電動(dòng)汽車的行駛過程是高壓安全故障發(fā)生的主要階段，按故障的嚴(yán)重程度可分為一般故障和嚴(yán)重故障。發(fā)生一般故障時(shí)，如果車輛行駛在車流量較少的路面，且速度較慢時(shí)，通過聲光報(bào)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(qū)，除聲光報(bào)警外，還通過雙閃燈和車與車之間通信網(wǎng)絡(luò)提示周圍車輛避讓，液晶屏提示盡快行駛至安全區(qū)域進(jìn)行檢修; 如果車輛行駛在高速公路上，除聲光報(bào)警提醒駕駛員和開啟雙閃燈提示后面車輛保持車距外，通過車與車和車與路基設(shè)施之間的通信網(wǎng)絡(luò)提醒同向車輛注意避讓，而液晶屏提示駕駛員盡快行駛至安全港或服務(wù)區(qū)進(jìn)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(shè)施之間通信網(wǎng)絡(luò)提示周圍車輛保持安全距離。同時(shí)，高壓監(jiān)控系統(tǒng)開啟車輛輔助駕駛系統(tǒng)，引導(dǎo)駕駛員緩慢制動(dòng)車輛; 如果車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(yīng)急車道進(jìn)行檢修，并提醒駕駛員在車輛后方150 m 處放置三角警示牌。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞或側(cè)翻而無法行駛時(shí)，高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)立即切斷高電壓回路，通過雙閃燈、車與車、車與路基設(shè)施之間的通信網(wǎng)絡(luò)提示后面車輛注意避讓，并通過車與路基設(shè)施、車與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車輛事故類型和位置信息給數(shù)據(jù)處理中心，乘員和數(shù)據(jù)處理中心可根據(jù)需要申請(qǐng)醫(yī)療、消防和警力救援。與此同時(shí)，顯示屏提示乘員盡快離開車輛，在安全區(qū)域等待救援。

　　2. 3 停車斷電時(shí)的監(jiān)控流程

　　在高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)接到停車斷電指令后，首先斷開高壓回路上的2 個(gè)繼電器K2和K3，并檢查是否真正斷開，否則提示手動(dòng)斷開; 然后檢測(cè)電池箱內(nèi)溫度是否低于允許值，否則通過繼電器K6開啟電池箱內(nèi)的散熱風(fēng)扇; 最后檢測(cè)高壓回路的剩余電量是否超過國家標(biāo)準(zhǔn)允許的20 J，否則進(jìn)行電量泄放。如果是故障停車，停車后仍保持原故障報(bào)警和提示，如開啟雙閃燈等。需要說明的是，如果電動(dòng)汽車停車斷電后進(jìn)行充電，則實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的溫度和SOC，避免充電時(shí)電池溫度過高而發(fā)生自燃，同時(shí)防止電池過充而影響使用壽命。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，通過車與路基設(shè)施、車與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，將故障信息傳送給數(shù)據(jù)處理中心和車輛所有者，由數(shù)據(jù)處理中心決定是否請(qǐng)求消防救援。

　　3 結(jié)論

　　在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，開展了電動(dòng)汽車高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)研究，得到如下結(jié)論:

　　1) 將電動(dòng)汽車高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)融入車聯(lián)網(wǎng)，不僅能實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的共享，還能實(shí)現(xiàn)故障信息的互聯(lián)共享。2) 通過DSRC /藍(lán)牙通信手段，實(shí)現(xiàn)故障信息在車與車、車與路基設(shè)施之間共享; 通過GPRS /3G/4G通信手段，實(shí)現(xiàn)故障信息在車與用戶、車與互聯(lián)網(wǎng)之間共享。3) 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的電動(dòng)汽車高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能提示周圍車輛避讓，還能根據(jù)需要自動(dòng)申請(qǐng)交通救援。4) 提出的電動(dòng)汽車高壓安全監(jiān)控系統(tǒng)僅處于方案設(shè)計(jì)階段，仍需通過實(shí)車試驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性。

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