电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究.pdf

2 0 0 6 年(第2 8 卷)第8 期汽车工程A u t o m o t i v eE n 舀n e e r i n g2 0 0 6(V 0 1 2 8)N o 82 0 0 6 1 6 4电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究谢辉，肖斌，郝明德，周能辉(天津大学，内燃机国家重点实验室，天津3 0 0 0 7 2)摘要】电动汽车示范运行服务中心远程监控管理系统基于G P 王t S 网络和I n t e l e t 网，通过具有c A N 接口和G P R S 接口的车载智能信息单元，采用无线远程数据传送方式，实现对多辆电动汽车的监控、标定和定位，由此实现故障分析与处理、在线标定与优化、数据记录与分析、电子地图跟踪等功能。为示范运行提供了有效、方便、快捷而且又经济的管理手段。关键词：电动汽车，示范运行管理，远程监控标定D e v e l o p m e n to faW i r e l e s sR e m o t eM o n i t o r i n gS y s t e mf o rE l e c t r i cV e h i c l e sD e m o n s t r a t i o nO p e r a t i o nX i eH l l i，X i a oB i l l，H M i n g d e&Z h 仰N 蚰g l I l l i彬n 沁”酊，&吮研肠6 n 删o r y 旷西捌M，讹，i 轨3 0 0 0 7 2 A b s t r a c t Aw i r e l e s sr e m o t em o n i t o I i n gs y s t e mf o re l e c t r i cv e h i c l e sd e m o n s t r a t i o no p e r a t i o ni sd e v e l o p e d B a s e do nG P R Sn e t w o r ka n dI n t e m e t，a n db ym e a n so fo n-b o a r di n t e l l i g e n ti n f 0 瑚a t i o nu n i tw i t hC A Na n dG P R Si n t e r f a c e s，t h es y s t e ma d o p t sw i r e l e s sr e m o t ec o m m u n i e a t i o n st op e d o r I nt h em o n“o r i n g，c a l i b r a t i o na n dl o c a t i n go fan u m b e ro fe l e c t r i cv e h i c l e s，a I l dh e n c er e a l i z et h ef u n c t i o n so ff a u h sa n a l y s i sa n dc o r r e c t i o n，r e m o t ec a l i b r a t i o na n do p t i m i z a t i o n，d a t ar e c o r d i n ga n da n a l y z i n g，a sw e l la se l e c t I o n i cm 印m l c k i n ga n ds oo n T h es y s t e mp r o V i d e sa ne f-f e c t i v e，c o n v e n i e n t，a 舀l e，a n dl o w c o s tm a n a g e m e n tm e a n sf o re l e c t r i cv e h i c l e sd e m o n s t r a t i o no p e m t i o n K e y w O r d s：E l e c t r i cv e M d e，D e m o n s t r a t i o no p e r a t i o nm 锄a g 哪e n t，R e I 肿t em 伽i t o r i n ga n dc a l 洒瑚l t i 蚰1前言电动汽车作为一种以清洁能源为动力的汽车，其性能到底怎样，动力性和经济性能否满足社会的需求，会不会出现故障，出现故障有什么快速有效的检测手段，如何较快而且方便地解决这些故障，是用户最关心的问题，也是要重点解决的问题。示范运行作为新型动力车辆研发的一个重要阶段，通过充分的运行数据分析，优化控制策略和系统匹配，全面客观地评价整车及各零部件的可靠性，探索运营管理经验。为了提高示范运行数据收集和运营管理工作效率，作者在所承担的国家8 6 3 项目“x L 纯电动轿车动力总成控制系统”研发的基础上，开发了基于G 职S 和I n t e m e t 技术的示范运行服务中心无线远程监控管理系统。文中详细介绍了该系统的拓扑结构和工作原理，介绍系统软件构成和通信协议构成，最后给出了该系统在2 0 0 4 上海必比登挑战赛中的应用情况。2 系统构成与工作原理2 1 远程监控系统拓扑结构图1 为电动汽车示范运行远程监控系统拓扑结构。该系统由车载智能信息单元、G P R s 网络、I n t e r-n e t 网和监控中心4 部分构成。车载智能信息单元把电动汽车的运行状态参数及G P S 位置信息通过G P R S 模块无线发送到G P R S 网络2J，通过G G S N(g a t e w a yG P R Ss u p p o r tn o d e)到达I n t e m e t 网上的监原稿收到日期为2 0 0 5 年6 月8 日，修改稿收到日期为2 0 0 5 年9 月2 1 日。万方数据谢辉，等：电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究7 3 5 控中心。这样监控中心就能够实时知道每辆车的运行状态参数及其位置信息，实现对车辆的监控和跟踪。同时监控中心的指令也通过I n t e m e t 和G P R S网到达车上，对车辆进行控制，修改一些运行参数，实现对电动汽车的标定。监控中心还具有网桥功能，使多个以任一方式(包括无线上网)接入I n t e m e t的子监控中心具备同样的监控标定功能。图1 远程监控系统结构框图2 2 车载智能信息单元车载智能信息单元主要由单片机、G P R s 模块、G P S 模块、电源模块、晶振模块、状态指示灯等组成，见图2。单片机c A N 总线接口连接在电动汽车的c A N 总线上，单片机从c A N 总线及G P s 模块接收数据，通过G P R S 模块无线发送到G P R S 网上，到达I n t e m e t 网上的监控中心。同时，监控中心发送的指令也通过I n t e m e t 网、G P R S 网络、G P R s 模块到达单片机，单片机解析后发送到c A N 总线上。c A N 指示灯G P s 指示灯G P R s 指示灯图2 车载智能信息单元硬件结构框图3 通信协议为了实现可靠的上位机通信，制定了一整套完善的通信协议。网络通信的基本单位是数据包。数据包在不同的通信层面上具有不同的内涵。就应用层而言，数据包主要包括时间信息、车辆编号和通信数据等。在本协议中定义的数据包共有两类。第一类数据为车载智能信息单元从总线得到的电动汽车各个单元状态参数，共有2 3 包，这些数据占据了通信数据的绝大部分流量。第二类数据包为控制指令数据，用于控制通信过程的管理，共有1 0 包，包括连接请求、标定指令、心跳指令、起停控制、历史数据回调、短消息删除、调整通信速率、远程格式化、设定加密密钥等。不同的数据包采用不同的调度机制，以提高通信效率，节省通信成本。根据应用需要，将通信过程分为3 个等级，即监控标定级、故障诊断级和记录仪数据回调级。图3 为车载智能信息单元的数据处理流程图，包括了G P s 数据、C A N 总线状态数据、c A N 总线指令数据、命令指令数据及监控用数据整个流程图。f 一数据打包数据解包f数据加密数据解密十+G P s 数据解析|I 阿监控中心命令进行解圳fIG P s 通信I|c A N 通信I|c A N 通信l|G P R s 通信llTl FA s c 2lc A N 控制器lA s c l图3 车载智能信息单元信息处理流程4 系统功能设计与实现4 1 软件实现电动汽车示范运行服务中心远程监控管理系统的软件分为远程监控中心系统、电子地图跟踪程序、车载记录仪管理系统和数据回放与分析系统4 大部分，见图4。远程监控中心系统采用V B 6 0 开发，加密解密函数采用C 语言编写。主界面主要监控选定车辆的主控制器、电机、电池、车载记录仪、车载智能信息单元等的状态，对关键参数进行在线绘图，同时对这些模块出现的故障进行预警，给出故障部位。通过标定优化，能够在线无线远程设定电动汽车的控制参数。当电动汽车出现故障，可把以前存储的归归归圜 万方数据7 3 6 汽车工程2 0 0 6 年(第2 8 卷)第8 期数据调出来回放，根据故障出现时刻画出故障前后车辆状态参数变化图，以便找到故障原因。电动汽车示范运行服务中心远程监控管理系统I 远程监控中心电子地图跟踪车载记录仪管理 数据回放与分析I。lr J _ 1车查指维驾辆远故导故读驶总取护故能线状程障载电驾襞记并障员耗通录管统驾统信态标预信子驶警，仪理计驶计品远定警息地程与与堕图员监优记兀定行工分质化录管位生数记分况路据录析析分控理仪分析线析图4 远程监控管理系统软件构成车载智能信息单元把从G P S 模块获得的经纬度信息，传到远程监控中心系统，然后由电子地图跟踪程序接收，以实现车辆的远程定位。电子地图跟踪程序接收到G P S 经纬度信息时，显示当前G P s 时间和车在地图上的位置，并能自动锁定跟踪选定车辆。在线的每辆车在地图上都显示为一个含车辆编号的绿圆圈，可方便辨认。车载记录仪管理子系统主要用于读取车载记录仪所存储的C A N 总线数据，并对车载记录仪进行时钟校准和格式化等操作。按操作需求，制订了一系列基于c A N 的指令通信协议“J。数据回放与分析子系统是基于电动汽车动力总成c A N 总线协议规范开发，可实现对整车c A N 总线全部通信消息的回放，根据需要选择回放时间段和回放速度。该子系统可开展故障统计分析、驾驶员驾驶操作与运行工况分析、能耗统计分析和c A N总线通信品质分析H 7J。4 2 界面开发图5 是远程监控中心的主界面，采用V B 6 0 编写。主显示区包括主控制器状态、电机控制器状态、电池控制器状态和车载记录仪状态等。右列表区显示所有登陆车辆经度、纬度和G P s 车速信息。绘图区可实时显示指定参数的动态变化曲线。图6 显示的是电子地图跟踪程序主界面，该地图是天津市区电子地图。可显示车辆位置、登陆车辆数目及编号，同时接受经纬度信息、时钟和车速。4 3 通信质量测试为了测试通信可靠性以及影响通信质量的因素，编写了一个测试软件。监控中心测试软件运行在天津大学校园网1 0 0 M 的以太网上，车载智能信图5 服务中心监控管理系统主界面图6 电子地图定位界面息单元放在电动汽车上。测试在不同时间段、不同数据包长、不同发送频率下的时延、正确到达率。测试结果如图7 所示。数据正确到达率主要与网络的状态有关，网络忙时，数据正确到达率低。在上午I n t e m e t 网和G P R S 网络空闲时，数据正确到达率接近1 0 0。而在下午网络繁忙时，数据正确到达率在9 0 左右。车载智能信息单元和监控中心通信速率大都在1 0 k b s 以下，电动汽车的参数传到监控中心延迟时间平均在3 s 左右。繇童墨翟-，一L7飞：粼-、一1 州时间图7 无线远程监控管理系统网络通信数据测试结果 万方数据2 0 0 6(V 0 1 2 8)N o 8谢辉，等：电动汽车示范运行无线远程监控管理系统的开发研究7 3 7 5 实际应用情况5 1在必比登国际环保汽车挑战赛中的应用在2 0 0 4 年1 0 月第六届必比登国际清洁汽车挑战赛上，该系统成功应用于Q Y E V 一1 和Q Y E V-2 纯电动汽车参赛车辆上，实现了对这两辆比赛车的状态远程监控、赛道电子地图定位跟踪、远程无标定优化、数据远程采集与分析(含能耗分析)以及车载记录仪管理。图8 是在上海F l 赛道进行拉力赛时Q Y E V 一1 的电机转速变化浸人第4 圈第6 圈的比较结果。图8Q Y E V-1 在上海F l 赛道行驶时的电机转速图9 是在必比登挑战赛上使用的电子地图。该电子地图是以大赛组委会提供的草图为基础，在正式比赛前的第1 圈预行驶过程中，无线远程系统将图9 上海国际赛车城电子地图定位车辆的G P S 位置信息实时传送给服务中心。采用自行开发的电子地图标定算法，服务中心P C 机可在很短时间内完成对草图的标定和修正。在随后正式比赛行驶中，即可对车辆进行准确定位。服务中心指挥人员在关键弯道到来之前，将有关指令发送给车辆上的驾驶员，使车辆能按照服务中心计算得到的合理车速和加速踏板位置通过弯道。比赛车辆每走1 圈，服务中心即刻计算出该圈行驶信息和能耗信息。表1 是利用该系统在线计算得到的Q Y E V 一1 号车辆第4 第8 圈的行驶数据。指挥人员根据这些数据，经过综合分析，优化驾驶策略，并通过对讲机通知赛道中的驾驶员，使车辆运行的经济性不断优化。表lQ Y E V-1 上海F 1 赛道行驶分析圈数。第4 圈第5 圈第6 圈第7 圈第8 圈行驶距离k m5行驶时间s3 5 03 3 43 2 33 2 93 4 4平均车速k m h。15 1 45 3 95 5 75 4 75 2 3S D C 消耗33333消耗电量A h2 2 1 092 1 0 992 3 1 532 6 1 442 3 9 85回收电量A hO 0 0 230 0 0 22O 0 0 160 0 0 36O 0 0 78回收率O 1 00 1 0O 0 7O 1 4O 3 3最大电机转矩N m4 8 45 4 75 9 57 4 44 7 8最大电机转速r r 血126 0 124 3 420 2 127 0 723 2 0电池最大放电电流A5 1 56 25 6 77 4 75 3 2电池最大充电电流AO4 84 85 35 35 2 在天津电动汽车示范运行中的应用该系统从2 0 0 4 年1 2 月装备于天津电动汽车示范运行基地，有效地实现了对示范运行的电动汽车远程监控管理，尤其在故障诊断和参数标定方面，发挥了非常重要的作用。例如，2#车在一次任务途中，服务中心远程监控到电动汽车急加速时，电池管理系统报出的“单体电池电压低”和“电池温度高”故障。经过远程回调指令，监控人员得到故障具体部位，并通过电话通知驾驶员故障原因，建议驾驶员小负荷将车驾驶到服务中心对电池进行维护。另一次，1#车驾驶员在驾车途中突然通过电话告知服务中心，在未踩加速踏板情况下，车辆以较高速度自行移动，不得不停靠路边等候技术维护。服务中心通过监控系统得知加速踏板初始位置电压偏离设计参考值，监控人员便利用该系统的远程标定功能，对该加速踏板传感器的初始位置电压进行重新标定。在(下转第7 7 0 页)万方数据7 7 0 汽车工程2 0 0 6 年(第2 8 卷)第8 期乏曝碍蕾二L转速r m i n 1￥、图94 9 3 z Q 柴油机改进方案整机噪声变化5 结论(1)通过近声场噪声测量与分析，4 9 3 z Q 柴油机表面结构辐射噪声较大的3 个噪声源为正时齿轮室盖、气门罩盖和油底壳。尤其正时齿轮室盖处噪声最大，这是造成发动机前端面1 m 远处噪声较大的主要原因，同时也对左、右端面1 m 远处噪声影响较大。(2)在气门罩盖及齿轮室盖处施加约束阻尼，改用复合结构，可以降低部件表面的高频辐射噪声。(3)针对4 9 3 z Q 柴油机前端噪声较大的特点，将正时机构驱动方式由正时齿轮传动改为同步齿形带传动，可以大大降低齿轮传动中的5 0 0 H z 以上中、高频噪声，明显降低整机噪声。参考文献刘月辉，郝志勇，付鲁华，等车用发动机表面辐射噪声的研究 J 汽车工程，2 0 0 2，2 4(3)G B1 4 9 5 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法 s 中国环保总局科技标准司杨庆佛内燃机噪声控制 M 太原：山西人民出版社，1 9 9 1 B a I t o l i n iC a I l oM，B o s s i oR o b e r t oB m I l o，C a r e s a l l an a v i o E x p e r i m t a lh I v e s t i g a t i o nf o rt h eN o i s eR e d u c t i o no faS m a l lD i e s e lE n 一百n e c s A EP 印e r9 5 1 7 5 7 王以理复合阻尼钢板的隔声特性与应用 J 噪声与振动控制，1 9 9 7(1)王成国，耿遵敏，李木森，等钢板一高聚物一钢板层压复合材料的减振特性 J 材料科学与工艺，1 9 9 4，2(2)S p e 8 r tB m n o，P o n s aR a i m u n d k v e s t i g a l i o ni nt h eN o i f m l nM a i nR I l l l n i n gG e 盯，n l i n gG e 啪蛐dI n j e c t i 帆P u m po fD ID i e s e lE n g i n e s c s A EP 印e r9 0 0 0 1 2 杨玉萍，曹清林，沈世德同步齿形带的研究使用现状与发展 J 南通工学院学报，2 0 0 0，1 6(1)(上接第7 3 7 页)不到1 m i n 的时间内，该车恢复正常运行。无线远程监控系统在零部件开发人员与道路运行车辆之间所建立的这种数据交换手段，大大提高了车辆维护的工作效率。6 结束语电动汽车示范运行远程监控系统可以实现对电动汽车的无线远程监控，可以对整车参数进行远程标定，能及时发现和显示故障，能用电子地图对车辆进行跟踪，方便了电动汽车示范运行过程的基本维护。此外，通过所记录的数据，对已经运行的电动汽车做数据分析，给出其经济性与动力性分析报告。该系统为示范运行提供了有效、方便、快捷而且又经济的管理手段。参考文献查明华基于G P R s 业务的定位信息传输系统 J 电子设计应用，2 0 0 3(1)黄承安，张跃微控制器的G P R S 无线上网 J 单片机及嵌入式系统应用，2 0 0 3(1 2)王桂容c A N 总线和基于c A N 总线的高层协议 J 计算机测量与控制，2 0 0 3，1 1(5)冯欣，秦娟英基于c A N 总线的分布式嵌入式远程监控系统的开发 J 传感器与仪器仪表，2 0 0 4(4)谢辉，周能辉，汪葵等x L 纯电动轿车动力总成主控制器的开发 J 汽车技术，2 0 0 4(3)谢辉，周能辉，肖斌，等x L 纯电动轿车c A N 总线系统及应用层协议的开发 J 汽车工程，2 0 0 5，2 7(6)邬宽明c A N 总线原理和应用系统设计 M 北京：北京航空航天大学出版社，1 9 9 6 11J1j1 Jn口BH陋口随1j111 JH心口H口口 万方数据