车联网环境中电动汽车高压安全监控系统论文
1 监控系统总体方案设计
1. 1 高压安全监控
电动汽车高压安全故障主要包括动力电池热失控故障、电机过热故障、上电冲击故障、短路故障、绝缘失效故障、接触不良或断路故障、事故引发故障、电池过充过放等类型。针对以上故障，电动汽车高压安全监控系统主要实现包括电池与电机温度监控、上电防瞬态冲击、绝缘电阻检测、过流保护、高压回路互锁检测、事故断电、电池充放电保护等功能。在此基础上，笔者设计的系统还包括实现车内传感器信息共享，以及电动汽车与周围车辆、路基设施、数据处理中心、用户进行通信的车联网系统。
各子系统工作原理描述如下:1) 动力电池充放电保护。充电时监控系统接收电池管理系统估计的电池荷电状态( state ofcharge，SOC) 。当SOC 达到上限值时，在经过一段时间涓流充电后断开继电器K1。同样，放电过程中当SOC 达到下限值时，提醒驾驶员停车充电。2) 电池温度检测。温度传感器T1实时检测动力电池的温度，出现异常时通过声光报警提醒驾驶员。如果温度达到上限，则断开继电器K1停止充电，或断开继电器K2和K3，切断高压回路。另外，当电动汽车停车断电时，如果电池温度高于允许值，则闭合继电器K6使散热风扇工作，直至温度低于允许值。3) 电机温度检测。在电动汽车行驶过程中，温度传感器T2实时检测电机温度。温度出现异常时进行声光报警，或断开继电器K2和K3，切断高压回路。4) 绝缘电阻检测。检测电池正负母线对地电阻，当绝缘电阻异常时进行声光报警，或断开继电器K2和K3，切断高压回路。5) 预充电保护。当电动汽车点火开关闭合时，预充电继电器的常开开关K4闭合，而常闭开关K5断开，电流经预充电阻R1对电机等高压负载进行预充电。预充电结束时，K4断开而K5闭合，动力电池直接向高压负载供电。6) 高压回路电流检测。在电动汽车行驶过程中，实时检测高压回路的电流。当电流异常时进行声光报警，或断开继电器K2和K3，切断高压回路。7) 高压互锁检测。检测高压回路是否存在接触不良和断开故障，如果存在接触不良故障，则进行声光报警; 如果存在断开故障，则断开继电器K2和K3，切断高压回路。8) 事故检测。监控系统根据其他控制系统共享的传感器信号，如安全气囊、车身稳定控制系统共享的X，Y 和Z 等3 个方向的加速度信号，车身侧倾角信号，判断车辆是否发生正碰、追尾、侧碰、跌落和侧翻等事故。如果发生交通事故则断开继电器K2和K3，切断高压回路。
1. 2 车联网系统
车联网是一种基于人—车—环境协同的网络系统，其通过先进的信息通信与处理技术，实现人、车、环境的深度融合。在车联网环境下，利用车辆内部、车辆之间以及路基设施和互联网等网络资源，及时将车辆的故障类型、应保持的安全距离发送给其他车辆和数据处理中心，以便其他车辆和交通控制系统作出相应调整。对于特别严重的高压安全故障或事故，可自动申请医疗、消防和警力救援。
在车联网环境下，将发生高压安全故障的'电动汽车作为信息系统的一个节点，在网络中实现故障信息的互联共享。通信方式包括: 利用车辆内部的LAN/CAN 网络实现传感器信号的共享; 通过DSRC/蓝牙网络实现车与车和车与路基设施之间的短程通信; 通过GPRS /3G/4G 网络实现车与用户和车与互联网之间的远程通信。发生故障时，通信的信息除实时的车辆运行参数、汽车部件工作状态、汽车位置参数、道路状况等信息外，还包括车辆故障信息和建议采取的措施。具体来说，车内信号包括车辆内部加速度、侧倾角等传感器信号; 车与车之间的通信信息包括故障信息，以及应保持的安全距离等信息; 车与用户之间的通信信息包括车辆的实时SOC 和故障报警信息; 车与数据处理中心之间的通信信息包括故障信息、以及需要的救援类型等信息。数据处理中心根据故障类型和严重程度，通过控制交通灯实现交通调度，并实施交通管制和组织救援等。全球定位系统( global position system，GPS) 用于检测车辆位置信息，路基设施通过互联网中继站与数据处理中心通信。
2 监控系统的监控流程
2. 1 车辆启动时的监控流程
电动汽车启动时的监控流程，主要包括检测电池对地绝缘电阻、高压回路互锁、电池SOC，以及进行预充电保护等。当绝缘电阻和高压回路互锁出现故障，或SOC 低于下限值时，不能启动车辆，通过声光报警提醒驾驶员，液晶屏提示故障内容和处理方法。当SOC 处于下限值与上限值之间时，通过液晶屏显示续驶里程。如果在导航状态下，则显示沿路的充电设备分布情况，便于驾驶员及时充电。如果无故障且变速器处于空挡时，高压安全监控系统发出预充电指令。在预充电结束时，如果高压回路的端电压低于动力电池名义电压的10%，则判断高压负载存在故障，通过声光报警和液晶屏提示故障类型和处理方法; 如果高压回路的端电压在电池名义电压的10% ～ 90% 之间，则认为高压回路上电不正常，延迟一段时间之后进行第2 次预充电;如果第2 次预充电结束时，端电压仍未高于电池名义电压的90%，则停止高压回路的接通，并通过声光报警和液晶屏提示故障类型和处理方法。反之预充电成功，高压监控系统接通高压回路，转而执行行驶过程中的监控流程。
2. 2 行驶过程中的监控流程
电动汽车的行驶过程是高压安全故障发生的主要阶段，按故障的严重程度可分为一般故障和严重故障。发生一般故障时，如果车辆行驶在车流量较少的路面，且速度较慢时，通过声光报警提醒驾驶员，由液晶屏提示停车检修; 如车辆行驶在车流量大的市区，除声光报警外，还通过双闪灯和车与车之间通信网络提示周围车辆避让，液晶屏提示尽快行驶至安全区域进行检修; 如果车辆行驶在高速公路上，除声光报警提醒驾驶员和开启双闪灯提示后面车辆保持车距外，通过车与车和车与路基设施之间的通信网络提醒同向车辆注意避让，而液晶屏提示驾驶员尽快行驶至安全港或服务区进行检修。
屏提醒或提示本车和周围车辆的驾驶员外，还通过车与车、车与路基设施之间通信网络提示周围车辆保持安全距离。同时，高压监控系统开启车辆辅助驾驶系统，引导驾驶员缓慢制动车辆; 如果车辆行驶在高速公路上，除采取上述措施外，显示屏提示尽快停至应急车道进行检修，并提醒驾驶员在车辆后方150 m 处放置三角警示牌。当车辆发生碰撞或侧翻而无法行驶时，高压安全监控系统立即切断高电压回路，通过双闪灯、车与车、车与路基设施之间的通信网络提示后面车辆注意避让，并通过车与路基设施、车与互联网之间的通信网络发送车辆事故类型和位置信息给数据处理中心，乘员和数据处理中心可根据需要申请医疗、消防和警力救援。与此同时，显示屏提示乘员尽快离开车辆，在安全区域等待救援。
2. 3 停车断电时的监控流程
在高压安全监控系统接到停车断电指令后，首先断开高压回路上的2 个继电器K2和K3，并检查是否真正断开，否则提示手动断开; 然后检测电池箱内温度是否低于允许值，否则通过继电器K6开启电池箱内的散热风扇; 最后检测高压回路的剩余电量是否超过国家标准允许的20 J，否则进行电量泄放。如果是故障停车，停车后仍保持原故障报警和提示，如开启双闪灯等。需要说明的是，如果电动汽车停车断电后进行充电，则实时检测电池的温度和SOC，避免充电时电池温度过高而发生自燃，同时防止电池过充而影响使用寿命。当发现异常时，通过车与路基设施、车与互联网之间的通信网络，将故障信息传送给数据处理中心和车辆所有者，由数据处理中心决定是否请求消防救援。
3 结论
在车联网环境下，开展了电动汽车高压安全监控系统研究，得到如下结论:
1) 将电动汽车高压安全监控系统融入车联网，不仅能实现传感器信号的共享，还能实现故障信息的互联共享。2) 通过DSRC /蓝牙通信手段，实现故障信息在车与车、车与路基设施之间共享; 通过GPRS /3G/4G通信手段，实现故障信息在车与用户、车与互联网之间共享。3) 车联网环境中的电动汽车高压安全监控系统，不仅能提示周围车辆避让，还能根据需要自动申请交通救援。4) 提出的电动汽车高压安全监控系统仅处于方案设计阶段，仍需通过实车试验检验系统的有效性。
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