一种基于边缘云技术的电池安全管理系统和方法与流程

1.本发明涉及电动汽车技术领域，具体涉及一种基于边缘云技术的电池安全管理系统和方法。


背景技术：

2.近几年我国新能源汽车产业取得了空前发展，然而新能源汽车也存在一些安全问题，尤其是其动力电池安全问题导致新能源汽车自燃事件。汽车电池从出现问题到发生燃烧仅仅只需几秒钟，给人们留下的反应时间极少。因此，如果我们能够提前几秒发现问题，逃生的机会就会大大增加。为了监控电池的安全问题，电动汽车都配备了电池管理系统，而汽车上的管理系统其结构功能还比较简单，对于电动汽车复杂的工况，往往难以有效应对，不能够及时反映出汽车电池问题。电动汽车工作的工况复杂，环境条件恶劣，对于车载电池管理系统的控制策略的研究有着很大的难度。为了使车载电池管理系统的控制策略更加精准，就需要开发电池的远程监控系统，在远程端获得车载电池内实时电流、电压、温度等信息，同时可以进行电池的故障预测和安全管理。
3.但目前对于这一方面的研究并不多，部分研究只考虑部署远端的云端服务器来监控车载电池，并没有考虑到当服务的车辆过多时，给云端网络带来的负荷也会过高，云端的计算资源也是有限的，这样可能会造成计算资源不足的问题，从而传输时延过大，造成难以实时监控电池安全。目前的研究大都是通过实时采集电池参数和运行时的电池运行数据并发送至电池辅助管理云平台，以及云平台发送的电池参数、电池状态综合估计结果和均衡策略对电池进行参数与状态校正和云端辅助电池均衡管理，或是使用户可以通过远程监控中心软件平台获取电池管理系统采集的电池运行状态数据，由于没有考虑当服务节点过多时，云端网络负荷过高，将会造成计算资源不足，传输时延过大，可能难以实时监控电池安全。


技术实现要素：

4.为解决目前对电动汽车电池的监控过程中存在的当服务节点过多时，造成云端网络负荷过高，计算资源不足等问题，本发明提供了一种基于边缘云技术的电池安全管理系统，通过在车载端与云端之间部署位于路侧端的基于边缘云技术计算分析的mec服务器(或称为路测边缘计算服务器)，可以有效缓解云端的计算和存储压力，避免大量数据通过网络回传带来的拥塞，提供本地的高质量服务。本发明还涉及一种基于边缘云技术的电池安全管理方法。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，包括均位于车载端的电池管理系统和车载控制器，均位于路侧端的路测单元和mec服务器，以及位于云端的云控平台；所述车载控制器包括电池数据检测装置、can通信模块和obu通信模块，所述mec服务器包括mqtt通信模块和基于边缘云技术的数据分析模块，所述云控平台包括数据管理中心；
7.所述车载控制器中的电池数据检测装置通过can通信模块与电池管理系统通信连接，每隔一段时间从电池管理系统中获取电池组动态信息数据，并对电池组动态信息数据进行处理；所述电池数据检测装置再通过obu通信模块与所述路测单元通信连接，将处理后的电池组动态信息数据发送至路测单元；
8.所述路测单元与所述mec服务器中基于边缘云技术的数据分析模块无线连接，接收电池数据检测装置发送的电池组动态信息数据并发送至mec服务器中的数据分析模块；
9.所述mec服务器中的数据分析模块通过mqtt通信模块与云控平台通信连接，数据分析模块接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果发送至云控平台；云控平台将获取到的电池组状态数据存储至数据管理中心，并将所述数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。
10.优选地，所述云控平台还包括电池安全评估模块，所述电池安全评估模块将从数据分析模块获取到的数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。
11.优选地，所述电池数据检测装置包括电压检测装置、电流检测装置和温度检测装置，分别用于获得电池当前运行状态下的电压、电流和温度数据。
12.优选地，所述车载控制器中的电池数据检测装置对电池组动态信息数据进行处理是将电池数据检测装置获取的电池组动态信息数据转化为符合远程数据传输通信协议的json字符串格式的数据，再通过obu通信模块将转化的json字符串格式的数据发送至路测单元。
13.优选地，所述电池组动态信息数据包括总电压、电流、单体电压、温度、均衡状态、均衡电流、soc、实时功率和时间戳。
14.优选地，所述mec服务器还通过5g移动网络与云控平台进行信息交互。
15.一种基于边缘云技术的电池安全管理方法，其特征在于，通过位于车载端的车载控制器中的电池数据检测装置每隔一段时间从电池管理系统中获取电池组动态信息数据，并对电池组动态信息数据进行处理，再通过obu通信将处理后的电池组动态信息数据发送至位于路侧端的路测单元，路测单元接收电池数据检测装置处理后的电池组动态信息数据并发送至mec服务器；
16.mec服务器接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果发送至位于云端的云控平台；云控平台将获取到的电池组状态数据存储至数据管理中心，并将所述数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。
17.优选地，所述车载控制器中的电池数据检测装置对电池组动态信息数据进行处理是将电池数据检测装置获取的电池组动态信息数据转化为符合远程数据传输通信协议的json字符串格式的数据，再通过obu通信将转化的json字符串格式的数据发送至路测单元。
18.优选地，所述电池组动态信息数据包括总电压、电流、单体电压、温度、均衡状态、
均衡电流、soc、实时功率和时间戳；所述电池数据检测装置包括电压检测装置、电流检测装置和温度检测装置，分别用于获得电池当前运行状态下的电压、电流和温度数据。
19.优选地，所述mec服务器还通过5g移动网络与云控平台进行信息交互。
20.本发明的有益效果为：
21.本发明提供的一种基于边缘云技术的电池安全管理系统，用于缓解云端的计算和存储压力，包括均位于车载端的电池管理系统(bms)和车载控制器、均位于路侧端的路测单元(rsu)和mec服务器，以及位于云端的云控平台，车载控制器包括电池数据检测装置、can通信模块和obu通信模块，mec服务器包括mqtt通信模块和基于边缘云技术的数据分析模块，云控平台包括数据管理中心，各模块相互协同工作，由车载控制器中的电池数据检测装置通过can总线每隔一段时间从电池管理系统中获取电池组动态信息数据，能够有效保证数据的实时性，并对电池组动态信息数据进行处理，再通过obu通信模块将处理后的电池组动态信息数据发送至路测单元，路测单元接收处理后的电池组动态信息数据并发送至mec服务器中的数据分析模块；mec服务器中的数据分析模块接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态，对电池组进行健康状态、老化情况等进行研究分析，得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果发送至云控平台；云控平台将获取到的电池组状态数据存储至数据管理中心，并将数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。本发明从边缘计算和云端的角度出发，将位于路侧端的基于边缘云技术计算分析的mec服务器(multi-accessedgecomputing，路测边缘计算服务器)引入到电池安全管理系统，通过在车载端与云端之间部署路测边缘计算服务器，能够避免云服务中心同时服务太多车辆时负荷过高的问题，能够有效节省有限的云端计算资源，保证了服务系统的高带宽和低时延，且能够实时监控电池安全，对电池的安全进行评估和预测，实现了电池的远程监控和安全管理，有较高的理论价值和实际意义。
22.本发明还涉及一种基于边缘云技术的电池安全管理方法，从边缘计算和云端的角度出发，通过在车载端与云端之间部署位于路侧端的基于边缘云技术计算分析的mec服务器，或称为是路测边缘计算服务器，在远程端获得车载电池内实时电流、电压、温度等信息，并结合数据管理中心，来对电池的安全进行评估和预测，能够实时监控电池安全，实现了电池的远程监控和安全管理，可以有效缓解云端的计算和存储压力，避免大量数据通过网络回传带来的拥塞，提供本地的高质量服务。
附图说明
23.图1是本发明基于边缘云技术的电池安全管理系统的结构示意图。
24.图2是本发明基于边缘云技术的电池安全管理系统的优选结构示意图。
25.图3是本发明基于边缘云技术的电池安全管理方法的流程图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明进行说明。
27.本发明涉及一种基于边缘云技术的电池安全管理系统，该系统的结构示意图如图
1所示，包括均位于车载端的车载设备——电池管理系统(bms)和车载控制器、均位于路侧端的路侧设备——路测单元rsu和mec服务器，以及位于云端的中心机房——云控平台，通过车载控制器每隔一段时间从电池管理系统(bms)中获取电池组动态信息数据，并对电池组动态信息数据进行处理，再通过车载控制器中的obu通信模块将处理后的电池组动态信息数据发送至路测单元(rsu)，路测单元接收处理后的电池组动态信息数据并发送至mec服务器，位于路侧端的基于边缘云技术计算分析的mec服务器是系统的中转站，也称为路测边缘计算服务器，其接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果发送至云控平台；云控平台是系统的中心，将获取到的电池组状态数据存储至云控平台中的数据管理中心，并将数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。数据管理中心是系统的信息库，用于存储电池组每时每刻的各项数据信息。
28.具体地，如图2所示的优选结构示意图，车载控制器包括电池数据检测装置、can通信模块和obu通信模块，电池数据检测装置通过can通信模块与电池管理模块通信连接，电池数据检测装置包括电池的电压检测装置、电流检测装置和温度检测装置，通过can总线根据can通信协议每隔一秒从电池管理系统(bms)中获取电池组动态信息数据(即总电压、电流、单体电压、温度、均衡状态、均衡电流、soc、实时功率、时间戳等)；然后对电池组动态信息数据进行处理，将其转化为符合制定的远程数据传输通信协议的json字符串格式的数据。
29.电池数据检测装置通过obu通信模块与路测单元(rsu)通信连接，通过obu通讯模块将所转化成的json字符串格式的电池组动态信息数据发送至路测单元；同时车载控制器也可以接收来自云端的控制指令(通过云控平台发送给车载控制器)，执行相应的命令，并将此命令传输给bms，在一些紧急情况下采取保护措施。路测单元与mec服务器中基于边缘云技术的数据分析模块无线连接，接收电池数据检测装置发送的电池组动态信息数据并通过mqtt路测代理(即mqtt通信协议)发送至mec服务器中的数据分析模块。
30.mec服务器包括mqtt通信模块和基于边缘云技术的数据分析模块，基于边缘云技术的数据分析模块通过5g移动网络和mqtt网络分别与路测单元和云控平台建立通信连接，接收来自车载控制器中电池数据检测装置的电池组各项数据信息，数据分析模块会完成一些基础运算工作，分析电池组的工作状态，对电池组健康状态、老化情况等进行研究分析，然后再通过mqtt云端代理(即mqtt通信协议)向云控平台传输电池组状态数据和研究分析数据。其中，结果每1秒会发送一次，为了保证实时性，采用至多一次方式，没收到的数据将被丢弃，保证始终接收最新的消息内容。其中，mec服务器的软件平台是基于开源物联网mqtt消息服务器emqx所开发的，emqx是开源物联网mqtt消息服务器，是轻量的、发布订阅模式的物联网消息协议，emqx设计目标是实现高可靠，并支持承载海量物联网终端的mqtt连接，支持在海量物联网设备间低延时消息路由。
31.云控平台包括数据管理中心和电池安全评估模块，通过5g移动网络和mqtt网络与mec服务器建立通信连接，接收来自mec服务器中数据分析模块的电池组状态数据和研究分析数据，并将获取到的详细的电池组状态数据信息存储到数据管理中心中，实现了远程实时监测电池组各状态参数。此外云控平台通过电池安全评估模块将来自mec服务器中数据
分析模块的研究分析数据与本地的数据管理中心的电池组安全评估数据进行比对来判断电池的健康状态，从而实现远程对电池的健康和故障记录诊断。数据管理中心用于存储电池组当前的各项数据信息，以便后续用户查看电池组的历史数据，对电池组实现全生命周期的在线管理，也能为以后电池的制造生产提供非常有价值的参考资料。
32.本发明还涉及一种基于边缘云技术的电池安全管理方法，该方法与上述的基于边缘云技术的电池安全管理系统相对应，可理解为是基于边缘云技术的电池安全管理的实现方法，如图3所示(图3也可理解为是基于边缘云技术的电池安全管理系统的工作流程图)，该方法包括：
33.通过位于车载端的车载控制器中的电池数据检测装置每隔一段时间从电池管理系统中获取电池组动态信息数据(即车载端电池数据采集：电压、电流、温度
……
)，并对电池组动态信息数据进行处理，再通过obu通信将处理后的电池组动态信息数据发送至位于路侧端的路测单元rsu，即电池数据打包发送rsu，路测单元rsu接收电池数据检测装置处理后的电池组动态信息数据并通过mqtt路测代理发送至mec服务器；然后是电池数据接收和电池数据处理分析：mec服务器基于边缘云技术进行数据处理分析，具体是接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果通过mqtt云端代理发送至位于云端的云控平台；云控平台通过5g移动网络和mqtt网络与路侧端mec服务器建立连接，接收来自mec服务器的电池组数据和研究分析数据：云控平台根据大数据进行评估，将接收到的数据与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，根据大数据运算综合评估完成后，评估结果通过mqtt通信返回至车载端，将结果通知用户；云控平台将获取到的电池组的详细数据信息存储到数据管理中心，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。
34.优选地，车载控制器中的电池数据检测装置对电池组动态信息数据进行处理是将电池数据检测装置获取的电池组动态信息数据转化为符合远程数据传输通信协议的json字符串格式的数据，再通过obu通信将转化的json字符串格式的数据发送至路测单元。
35.优选地，电池组动态信息数据包括总电压、电流、单体电压、温度、均衡状态、均衡电流、soc、实时功率和时间戳；电池数据检测装置包括电压检测装置、电流检测装置和温度检测装置，分别用于获得电池当前运行状态下的电压、电流和温度数据。
36.优选地，mec服务器还通过5g移动网络与云控平台进行信息交互。
37.本发明提供了客观、科学的基于边缘云技术的电池安全管理系统及方法，从边缘计算和云端的角度出发，通过在车载端与云端之间部署位于路侧端的基于边缘云技术计算分析的mec服务器(也称为路测边缘计算服务器)，在远程端获得车载电池内实时电流、电压、温度等信息，并结合大数据管理中心，来对电池的安全进行评估和预测，实现了电池的远程监控和安全管理。同时针对路侧边缘计算和信息交互提出的低延时、高算力要求，从mec模块电子电气架构优化设计以及异构资源动态匹配出发，开展mec服务器的计算模块(基于边缘云技术的数据分析模块)与通信模块(mqtt通信模块)紧密耦合的拓扑结构设计，将车联边缘网络的通信、计算与云控平台及其数据管理中心有机的结合起来，能够有效缓解云端的计算和存储压力，避免大量数据通过网络回传带来的拥塞，提供本地的高质量服务。
38.应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

技术特征：
1.一种基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，包括均位于车载端的电池管理系统和车载控制器，均位于路侧端的路测单元和mec服务器，以及位于云端的云控平台；所述车载控制器包括电池数据检测装置、can通信模块和obu通信模块，所述mec服务器包括mqtt通信模块和基于边缘云技术的数据分析模块，所述云控平台包括数据管理中心；所述车载控制器中的电池数据检测装置通过can通信模块与电池管理系统通信连接，每隔一段时间从电池管理系统中获取电池组动态信息数据，并对电池组动态信息数据进行处理；所述电池数据检测装置再通过obu通信模块与所述路测单元通信连接，将处理后的电池组动态信息数据发送至路测单元；所述路测单元与所述mec服务器中基于边缘云技术的数据分析模块无线连接，接收电池数据检测装置发送的电池组动态信息数据并发送至mec服务器中的数据分析模块；所述mec服务器中的数据分析模块通过mqtt通信模块与云控平台通信连接，数据分析模块接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果发送至云控平台；云控平台将获取到的电池组状态数据存储至数据管理中心，并将所述数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。2.根据权利要求1所述的基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，所述云控平台还包括电池安全评估模块，所述电池安全评估模块将从数据分析模块获取到的数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。3.根据权利要求1所述的基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，所述电池数据检测装置包括电压检测装置、电流检测装置和温度检测装置，分别用于获得电池当前运行状态下的电压、电流和温度数据。4.根据权利要求1所述的基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，所述车载控制器中的电池数据检测装置对电池组动态信息数据进行处理是将电池数据检测装置获取的电池组动态信息数据转化为符合远程数据传输通信协议的json字符串格式的数据，再通过obu通信模块将转化的json字符串格式的数据发送至路测单元。5.根据权利要求3所述的基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，所述电池组动态信息数据包括总电压、电流、单体电压、温度、均衡状态、均衡电流、soc、实时功率和时间戳。6.根据权利要求1所述的基于边缘云技术的电池安全管理系统，其特征在于，所述mec服务器还通过5g移动网络与云控平台进行信息交互。7.一种基于边缘云技术的电池安全管理方法，其特征在于，通过位于车载端的车载控制器中的电池数据检测装置每隔一段时间从电池管理系统中获取电池组动态信息数据，并对电池组动态信息数据进行处理，再通过obu通信将处理后的电池组动态信息数据发送至位于路侧端的路测单元，路测单元接收电池数据检测装置处理后的电池组动态信息数据并发送至mec服务器；mec服务器接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果，再将电池组状态数据和数据分析结果发送至位于云端
的云控平台；云控平台将获取到的电池组状态数据存储至数据管理中心，并将所述数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数以及远程对电池的健康和故障记录诊断。8.根据权利要求7所述的基于边缘云技术的电池安全管理方法，其特征在于，所述车载控制器中的电池数据检测装置对电池组动态信息数据进行处理是将电池数据检测装置获取的电池组动态信息数据转化为符合远程数据传输通信协议的json字符串格式的数据，再通过obu通信将转化的json字符串格式的数据发送至路测单元。9.根据权利要求7所述的基于边缘云技术的电池安全管理方法，其特征在于，所述电池组动态信息数据包括总电压、电流、单体电压、温度、均衡状态、均衡电流、soc、实时功率和时间戳；所述电池数据检测装置包括电压检测装置、电流检测装置和温度检测装置，分别用于获得电池当前运行状态下的电压、电流和温度数据。10.根据权利要求7所述的基于边缘云技术的电池安全管理方法，其特征在于，所述mec服务器还通过5g移动网络与云控平台进行信息交互。

技术总结
本发明提供了一种基于边缘云技术的电池安全管理系统及方法，通过位于车载端的车载控制器中的电池数据检测装置从电池管理系统中获取电池组动态信息数据并进行处理，再将处理后的电池组动态信息数据发送至位于路侧端的路测单元，路测单元接收处理后的电池组动态信息数据并发送至MEC服务器，MEC服务器的数据分析模块接收电池组动态信息数据并基于边缘云技术计算分析电池组的工作状态得到电池组状态数据及数据分析结果并发送至位于云端的云控平台，云控平台将获取到的电池组状态数据存储至数据管理中心并将数据分析结果与数据管理中心中的电池组安全评估数据进行比对判断出电池的健康状态，实现远程实时监测电池组各状态参数健康和故障记录诊断。状态参数健康和故障记录诊断。状态参数健康和故障记录诊断。


技术研发人员：杨世春 王志腾 闫啸宇 曹耀光 陈飞 周思达 李强伟 周新岸
受保护的技术使用者：北京航盛新能科技有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/9/7