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基于4G网络的电单车远程监控系统

2025-01-07 40 上传者：管理员

摘要：电单车是当前国内外短途便捷交通的主要工具。由于电单车多采用锂离子电池作为其能源部件，而电池多是梯次利用的二级产品，存在安全系数低、应急防护手段少、火灾事故偶尔发生等问题。因此通过开发电池管理系统，实现电单车电池进行实时监控，即确保电池在使用过程的安全性，同时也能有效地引导电池组应用，是电单车城市安全治理的有效方式。本方案旨在设计一款电单车电池远程监控系统，该系统包括4G模块、云端服务器和远程控制显示平台及可通信电池管理系统，可实现在充电过程中对电单车电池单体电压、充放电电流和电池SOC、寿命等信息的实时监测和状态显示，并对电池故障及相关问题采取相应的安全防护控制，从而保障电单车在充电过程的使用安全及实现对电池系统的性能预测。

关键词：
4G模块
云端服务器
交通工具
电单车
电单车远程监控系统
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1、概述

电单车作为城市中主要的便捷交通工具[1],其短途、低速、便携的特点使其成为推动碳中和、碳达峰目标实现的重要工具之一。由于缺乏有效的电单车安全合格验证标准，为降低电单车制作成本，其能源系统多采用二次利用的锂离子电池作为原料，电池管理[2]也进行了相应的简化；一些商家采用废旧电池作为电单车能源补给设备，由此造成当前电单车安全系数低、应急防护手段少等问题，严重影响城市便捷交通的发展和对环境友好型交通工具的发展。

针对上述问题，本文设计了基于4G网络的电单车远程监控系统，该系统由可通信电池管理系统、4G模块、云端服务器和远程控制显示平台组成(如图1所示)。

图1项目方案图

其中，可通信锂电池管理系统(BMS)可实现对电单车电池单体电压、充放电电流、系统温度进行采集[3],并对电池剩余电量及寿命进行预测[4-5],同时具备通信接口可将信息对外输出[6]。考虑电单车成本低廉化，4G模块设置于电池充电柜当中，实现充电过程将电池信息以无线的方式传输给云端服务器，并通过远程控制显示平台将电池信息进行显示。通过远程监控系统，一方面，实现对电单车电池系统性能的预测；另一方面，也可对电池充电过程的失效行为进行精准防控，保障电池使用安全。

本文介绍基于4G网络的电单车远程监控系统的各组成的软硬件设计方案及控制逻辑，并通过实验验证系统的有效性。

2、电单车电池管理系统

考虑电池系统的稳定性，本文以15个20Ah的方形磷酸铁锂电池串联构成电单车动力电池系统，该电池系统所配备的管理系统(如图2所示)采用STM32芯片，可同时采集15个电池单体电压；具备3个基于热敏电阻的温度信息采集通道及一个基于霍尔传感的电流信息采集通道，其中两个温度传感器放置于电池系统当中，另一个温度传感器布置于电单车充电器当中，以实现充电过程电池组和充电器温度的实时监测；通信方面兼容CAN通信、RS485/232等多种通信模式，鉴于充电过程进行数据采集的静态场景及低成本考虑，本文选择RS485通信模式[9]。

图2电池管理布置图

本电池管理系统采用高精度ADC器件实现单体电池电压采集，并在此基础上对电池剩余电量(SOC)以及寿命(SOH)等信息进行估算[8]。其中，电池电压Ucell采集方法如式(1)所示。

其中：Datah为ADC器件传输给处理器的数据高8位；Datal为ADC器件传输给处理器的数据低8位；φ为增益因子，用于实现将ADC器件输出数据转化为微伏特(μV)为单位的电压值；Δλ为ADC器件数据传输过程的偏移量。

电池剩余电量SOC评估算法如式(2)所示[6]。

其中，ΔUCR(t0)为电池从充放电结束时刻t0到恢复至平衡电动势时的电势差，可采用关于充放电结束前电流I、系统温度T,以及充放电结束前端电压Uop等组成的多项式进行拟合。其中lijg为多项式系数，d、y、x为阶数。为方便计算，d=y=x=3;ΔUi(t-t0)为电池从本次充放电结束时刻t0到下一次充放电开始时间t下端电压变化值，采用指数函数表达，∂为端电压变化底数，t-t0为指数；UEMF(t)为电池在时刻t的平衡电动势；SOC则可以根据UEMF(t)查表获得。

电池寿命SOH可由以下算法获得：

其中，Q(t)为某一时间段下电池充/放电量[7],通过统计该时间段下电池SOC的变化值，计算两者之间比值可以获得电池电量预测值Qd(t),并将该值与电量标称值Qc进行比较，获得的百分比即为电池剩余寿命SOH(t)。

通信方面，本文利用BMS板上RS-485通信模块实现数据对外输出[8];考虑电单车的特殊性，采用安全充电柜对电单车电池开展充电补给，并在此过程实现对电池信息的采集。每个充电柜可支持8块电单车电池充电及数据采集。充电柜内置多转一RS485集线器，将电池数据传输给上位机。上位机配置有4G模块[10],可将电池数据传输给远程服务器。

3、云端服务器和远程控制显示平台

本方案的云端服务器采用I7-6500U作为CPU,具备8GB内存、2T存储空间(如图3所示)。

图3服务器

搭建的远程控制显示平台具备数据显示和远程控制功能，可兼容具备RS-485通信的触控屏幕及PC端界面显示。其中，PC端界面如图4所示。

图4服务器及PC端界面

该界面具备电池组页面可选、数据可存储、远程可操控等功能。根据当前电单车通用磷酸铁锂电池特性，本远程控制平台将单体电池电压范围设置为[2.5V,3.65V],具备充电电流可设置功能，通过设置“限制电流Il”,当单体电池电压低于2.5V时，则以Il/10进行涓流充电；当单体电池电压高于3.65V时，则系统强制停止充电。同时，系统具备温度监测功能，正常温度范围为[5℃,45℃],若电池组温度超过该范围时，则强制停止充电。在页面显示窗口中，还具备充电电流、SOC、SOH等信息的显示；在每组电池页面当中，通过按“信息储存”键，可实现将系统所采集到的电池信息实时存储到云端服务器当中。

通过云端服务器及远程控制显示平台的搭建，可将电单车电池系统在充电过程的数据进行采集和实时观测。通过监测电池SOC、SOH及温度信息，从而进行实时电池性能状态判断，保障电池安全。

4、实验研究

为了验证本文方法的有效性，对本文所提系统进行搭建(如图5所示)。

图5基于4G网络电单车远程监控系统

系统采用8组电池组进行循环充电测试，利用云端服务器记录循环充电过程中电池SOH的变化情况，以全新电池、100次循环、500次循环、1000次循环为节点，并采用电池组测试设备(Neware-CT-4002-50V20A)对各个节点下电池组容量及SOH进行对比测试，结果如下表所示。

电池循环容量(Ah)及剩余寿命比较数据表

通过上表可得，本文所涉及方案与电池测试仪器的方案相接近，能较精准地对电池组性能进行预测，进而保障电池组在充电过程中的安全性。

5、结论

本文通过搭建基于4G网络的电单车远程监控系统，实现了在充电过程中将电单车电池信息进行对外输出的设计方案。主要完成的内容有以下几点：

(1)本文所提的电单车远程监控系统由可通信电池管理系统、4G模块、云端服务器和远程控制显示平台组成，可实现在充电过程中将电池信息进行远程输送。

(2)本文设计的电池管理系统可实现电单车电池信息的采集，并通过远端数据服务器进行显示，提高电池使用过程的安全性。

(3)本设计采用云端服务器的方式，利用4G网络实现在充电过程中对电池信息的远程输送。根据电池性能情况反馈给充电系统，从而减少了劳动人力，提高了工作效率，提高了充电柜的负载。