摘  要： 為了實(shí)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(jì)。系統(tǒng)基于前后臺(tái)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，采用C/S和B/S相結(jié)合的軟件架構(gòu)，即后臺(tái)系統(tǒng)使用C/S架構(gòu)，實(shí)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(tái)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(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)交互；兩個(gè)分系統(tǒng)之間利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(jì)的不斷發(fā)展，人類漸漸意識(shí)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(dòng)汽車、大功率儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)行實(shí)地勘察和管理。除此之外，早期系統(tǒng)一般使用上位機(jī)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(shí)，需要安裝相應(yīng)的上位機(jī)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(jì)一個(gè)基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jī)交互功能等，能夠及時(shí)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(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域大容量鋰離子電池組進(jìn)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(jī)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?cái)?shù)據(jù)，隨后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、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(jì)

　　2.1 設(shè)計(jì)思想

　　從圖1中可以看出，BMS銜接了兩個(gè)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(jìn)行管理以及電池狀態(tài)的顯示。鑒于這兩方面要實(shí)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(jì)為兩個(gè)分系統(tǒng)，以前后臺(tái)的方式運(yùn)行，后臺(tái)系統(tǒng)負(fù)責(zé)與DTU進(jìn)行通信；前臺(tái)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)人機(jī)交互，數(shù)據(jù)庫為兩個(gè)分系統(tǒng)之間的橋梁，如圖2所示。

　　2.2 軟件架構(gòu)

　　基于前后臺(tái)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái)系統(tǒng)使用C/S架構(gòu)，實(shí)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(tái)系統(tǒng)使用B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)交互，提供電池管理員/用戶友好的界面交互，如圖3所示。

3 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

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

　　3.1 后臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　鋰電池組管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對眾多電池組的監(jiān)控，后臺(tái)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(shí)接收多個(gè)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(shí)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，流程圖如圖4所示。

　　3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　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(shí)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。

　　基于上述的概念數(shù)據(jù)模型，進(jìn)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：

　　（1）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）；

　　（2）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）；

　　（3）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）；

　　（4）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(jì)的最后一步是物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，即對真實(shí)數(shù)據(jù)庫的表達(dá)。本設(shè)計(jì)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。

　　3.3 前臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　在B/S架構(gòu)下，人機(jī)交互的工作通過瀏覽器來完成，其優(yōu)點(diǎn)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(hù)成本較低等。Microsoft提供高級的Web應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)，即ASP.NET平臺(tái)[7-8]，具有簡單易用性和便捷的可管理性等優(yōu)勢。

　　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(gè)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(tái)程序處理后，將結(jié)果返回并顯示給用戶。

4 界面設(shè)計(jì)及結(jié)果顯示

　　4.1 后臺(tái)系統(tǒng)測試結(jié)果

　　后臺(tái)系統(tǒng)主要實(shí)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(tái)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行解析并存儲(chǔ)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(chǔ)數(shù)據(jù)。

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

　　4.2 前臺(tái)系統(tǒng)測試結(jié)果

　　前臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，方便用戶/管理員查詢電池組的各項(xiàng)信息。設(shè)計(jì)前臺(tái)界面時(shí)，主要使用GridView控件和GDI+圖形圖像技術(shù)實(shí)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。

　　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(jìn)行查看，還可以通過點(diǎn)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(dòng)電池組（電池容量為48 V/20 Ah）以4 A的電流放電時(shí)，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(shí)現(xiàn)靈活的人機(jī)交互，操作簡單、便捷。

5 結(jié)論

　　基于前后臺(tái)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)分別采用Windows Forms平臺(tái)和ASP.NET平臺(tái)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，合理規(guī)劃系統(tǒng)的分工，將系統(tǒng)負(fù)荷分配到前臺(tái)系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)，充分發(fā)揮C/S和B/S兩種架構(gòu)的優(yōu)勢。實(shí)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(jìn)行解析與存儲(chǔ)，還提供靈活的人機(jī)交互功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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