《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)
2015年微型機與應(yīng)用第21期
林淑真,楊秀芝,蘇凱雄,鄭明魁
(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350108)
摘要: 為了實現(xiàn)對不同區(qū)域鋰電池組的遠(yuǎn)程管理,提出了一種基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng),并完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)基于前后臺分系統(tǒng)的設(shè)計思想,采用C/S和B/S相結(jié)合的軟件架構(gòu),即后臺系統(tǒng)使用C/S架構(gòu),實現(xiàn)與GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的通信,保證系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的安全性;前臺系統(tǒng)使用B/S架構(gòu),給電池管理員/用戶提供友好的界面,實現(xiàn)靈活的人機交互;兩個分系統(tǒng)之間利用數(shù)據(jù)庫進行連接,實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的存儲與訪問。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 為了實現(xiàn)對不同區(qū)域鋰電池組的遠(yuǎn)程管理,提出了一種基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng),并完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。系統(tǒng)基于前后臺分系統(tǒng)的設(shè)計思想,采用C/S和B/S相結(jié)合的軟件架構(gòu),即后臺系統(tǒng)使用C/S架構(gòu),實現(xiàn)與GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的通信,保證系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的安全性;前臺系統(tǒng)使用B/S架構(gòu),給電池管理員/用戶提供友好的界面,實現(xiàn)靈活的人機交互;兩個分系統(tǒng)之間利用數(shù)據(jù)庫進行連接,實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的存儲與訪問。

  關(guān)鍵詞: 鋰電池組;Web網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);電池管理系統(tǒng)

0 引言

  21世紀(jì)以來,隨著各國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人類漸漸意識到節(jié)能和環(huán)保的重要性。鋰離子電池憑借其能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)勢,使其取代鉛酸電池組成為必然趨勢[1-3]。隨著鋰電池在電動汽車、大功率儲能等方面的廣泛應(yīng)用,人們對鋰電池組在線管理系統(tǒng)的要求也越來越高,應(yīng)用環(huán)境也越來越多樣化。例如應(yīng)用于新能源發(fā)電以及通信基站備用電源的大容量鋰離子儲能電池組,由于其所在位置比較分散,所以早期的電池管理系統(tǒng)不便于對電池進行實地勘察和管理。除此之外,早期系統(tǒng)一般使用上位機軟件顯示電池相關(guān)數(shù)據(jù),當(dāng)不同的用戶/管理員需要了解電池狀況時,需要安裝相應(yīng)的上位機軟件。隨著電池組數(shù)量以及用戶數(shù)量的急劇增加,這種方式應(yīng)用起來越來越不方便。

  為了克服早期系統(tǒng)的諸多不足,文章設(shè)計一個基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對鋰電池組的在線監(jiān)測,界面友好、美觀,操作簡單、快捷,具有靈活的人機交互功能等,能夠及時了解鋰電池組的狀態(tài)信息。

1 系統(tǒng)概述

  鋰電池組管理系統(tǒng)是一套完整的實現(xiàn)對不同區(qū)域大容量鋰離子電池組進行遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng),該系統(tǒng)集電池組的數(shù)據(jù)收集、狀態(tài)分析、人機交互于一體,其物理結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋰電池組管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)接收GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元(Data Transfer Unit,DTU)發(fā)送的電池數(shù)據(jù),隨后對這些數(shù)據(jù)進行存儲、分析,以圖表或曲線的形式通過瀏覽器呈現(xiàn)給用戶/管理員。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

  2.1 設(shè)計思想

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  從圖1中可以看出,BMS銜接了兩個部分:一是DTU,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收;二是與電池管理員/用戶相關(guān),主要負(fù)責(zé)對不同區(qū)域的電池進行管理以及電池狀態(tài)的顯示。鑒于這兩方面要實現(xiàn)的功能完全不相關(guān),并且服務(wù)的對象也不同,因此將系統(tǒng)設(shè)計為兩個分系統(tǒng),以前后臺的方式運行,后臺系統(tǒng)負(fù)責(zé)與DTU進行通信;前臺系統(tǒng)則負(fù)責(zé)人機交互,數(shù)據(jù)庫為兩個分系統(tǒng)之間的橋梁,如圖2所示。

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  2.2 軟件架構(gòu)

  基于前后臺分系統(tǒng)的設(shè)計思想,系統(tǒng)的軟件架構(gòu)采用客戶端/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)相結(jié)合[4-5]的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建鋰電池組管理系統(tǒng),即后臺系統(tǒng)使用C/S架構(gòu),實現(xiàn)與GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元DTU的通信,保證傳輸數(shù)據(jù)的安全性;前臺系統(tǒng)使用B/S架構(gòu),實現(xiàn)靈活的人機交互,提供電池管理員/用戶友好的界面交互,如圖3所示。

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3 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

  基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)主要由三個部分組成:后臺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、前臺系統(tǒng)。下面針對這三個部分的具體實現(xiàn)做詳細(xì)闡述。

  3.1 后臺系統(tǒng)的實現(xiàn)

  鋰電池組管理系統(tǒng)要實現(xiàn)對眾多電池組的監(jiān)控,后臺系統(tǒng)就要接收大量的數(shù)據(jù),這就涉及到對大量數(shù)據(jù)的處理。采用C/S架構(gòu)有利于處理大量數(shù)據(jù),可以滿足網(wǎng)絡(luò)通信量低、傳輸數(shù)據(jù)安全性高、程序響應(yīng)速度快等需求。

  除此之外,鋰電池組管理系統(tǒng)BMS作為服務(wù)器,要具有同時接收多個客戶端(即DTU)所發(fā)送數(shù)據(jù)的能力,即處理大量并發(fā)連接的能力。為了實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行,系統(tǒng)采用.NET Framework 4提供的任務(wù)并行庫(Task Parallel Library,TPL)技術(shù)以滿足電池管理系統(tǒng)對外接口多任務(wù)和高效率的需求[6];另外,為了保證傳輸數(shù)據(jù)能夠正確地接收,采用安全、可靠、穩(wěn)定的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,具體使用的是Socket類進行網(wǎng)絡(luò)編程,流程圖如圖4所示。

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  3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

  從DTU獲取的有關(guān)電池組的數(shù)據(jù)信息可以分為三大類,分別是電池組總覽查詢、BMS電芯溫度信息、電池測量模擬前端(Battery Measurement Analog Front End,BMAFE)狀態(tài)信息。其中,電池組總覽信息又可以細(xì)分為電池包數(shù)據(jù)信息和N組基本模組數(shù)據(jù)信息。根據(jù)需求以及接收到的數(shù)據(jù),得到概念數(shù)據(jù)模型,用“實體-關(guān)系”圖(即E-R圖)表示,圖5所示為基本模組與電池包之間的E-R圖。

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  基于上述的概念數(shù)據(jù)模型,進一步對其分解與細(xì)化,得到邏輯數(shù)據(jù)模型,具體描述如下:

 ?。?)電池包數(shù)據(jù)信息(設(shè)備地址、循環(huán)次數(shù)、設(shè)備總數(shù)、正常工作的設(shè)備數(shù)、總電壓等);

 ?。?)N組基本模組數(shù)據(jù)信息(設(shè)備地址、系統(tǒng)電流、剩余容量、電池組電壓等);

 ?。?)BMS電芯溫度信息(第1節(jié)電芯電壓、第2節(jié)電芯電壓、第1節(jié)電芯溫度等);

 ?。?)AFE狀態(tài)信息(電池組電芯電壓、AFE最低電芯電壓、AFE最高電芯溫度等)。

  數(shù)據(jù)庫設(shè)計的最后一步是物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計,即對真實數(shù)據(jù)庫的表達(dá)。本設(shè)計選用適合中型企業(yè)/單位的SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建數(shù)據(jù)表,限于文章篇幅,僅列出電池包數(shù)據(jù)信息表,如表1所示。

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  3.3 前臺系統(tǒng)的實現(xiàn)

  在B/S架構(gòu)下,人機交互的工作通過瀏覽器來完成,其優(yōu)點是用戶使用簡單、界面友好,并且由服務(wù)器端處理絕大部分工作,系統(tǒng)的維護成本較低等。Microsoft提供高級的Web應(yīng)用程序開發(fā)平臺,即ASP.NET平臺[7-8],具有簡單易用性和便捷的可管理性等優(yōu)勢。

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  如圖6所示,鋰電池組管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu),BMS作為Web服務(wù)器,管理員/用戶通過瀏覽器來訪問整個系統(tǒng)。即用戶通過瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)出請求,服務(wù)器接收請求,并使用LINQ to SQL技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過一定的后臺程序處理后,將結(jié)果返回并顯示給用戶。

4 界面設(shè)計及結(jié)果顯示

  4.1 后臺系統(tǒng)測試結(jié)果

  后臺系統(tǒng)主要實現(xiàn)鋰電池組管理系統(tǒng)BMS與鋰電池終端設(shè)備DTU之間的通信,使用Windows Forms平臺進行開發(fā),測試結(jié)果如圖7、圖8。

  如圖7所示為服務(wù)器界面以及測試結(jié)果圖,可以看出BMS(IP地址為192.168.100.7)與DTU(IP地址為:192.168.100.6)成功建立連接,服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)為電池組主控設(shè)備信息(以16進制顯示,從第5字節(jié)開始為具體的信息),服務(wù)器BMS將接收到的數(shù)據(jù)進行解析并存儲到數(shù)據(jù)庫中,如圖8所示。通過比較發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)一致,說明系統(tǒng)成功解析、存儲數(shù)據(jù)。

  綜上所述,基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)后臺的通信過程,且所傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

  4.2 前臺系統(tǒng)測試結(jié)果

  前臺主要實現(xiàn)人機交互功能,方便用戶/管理員查詢電池組的各項信息。設(shè)計前臺界面時,主要使用GridView控件和GDI+圖形圖像技術(shù)實現(xiàn)對電池組基本信息以及電池性能分析結(jié)果的顯示,測試結(jié)果如圖9、圖10。

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  如圖9所示為電池組主控設(shè)備信息的網(wǎng)頁顯示,可通過瀏覽器進行查看,還可以通過點擊不同的網(wǎng)頁按鈕(如圖矩形框中按鈕),查看其他的電池相關(guān)信息;圖10為紹興移動電池組(電池容量為48 V/20 Ah)以4 A的電流放電時,總體電壓與各單體最大壓差的曲線圖,觀察曲線可以很直觀地了解鋰電池組的放電特性。除此之外,還可以通過設(shè)置其他參數(shù)來觀察電池的其他特性曲線。

  綜上所述,基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)靈活的人機交互,操作簡單、便捷。

5 結(jié)論

  基于前后臺分系統(tǒng)的設(shè)計思想,系統(tǒng)分別采用Windows Forms平臺和ASP.NET平臺進行軟件設(shè)計,合理規(guī)劃系統(tǒng)的分工,將系統(tǒng)負(fù)荷分配到前臺系統(tǒng)和后臺系統(tǒng),充分發(fā)揮C/S和B/S兩種架構(gòu)的優(yōu)勢。實際測試表明,系統(tǒng)能夠可靠、準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù),并成功地對數(shù)據(jù)進行解析與存儲,還提供靈活的人機交互功能,達(dá)到了設(shè)計要求。

參考文獻

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