摘  要： 為了實現(xiàn)對不同區(qū)域鋰電池組的遠程管理，提出了一種基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的軟件設計。系統(tǒng)基于前后臺分系統(tǒng)的設計思想，采用C/S和B/S相結合的軟件架構，即后臺系統(tǒng)使用C/S架構，實現(xiàn)與GPRS數(shù)據傳輸單元DTU的通信，保證系統(tǒng)傳輸數(shù)據的安全性；前臺系統(tǒng)使用B/S架構，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)據庫進行連接，實現(xiàn)電池數(shù)據的存儲與訪問。

　　關鍵詞： 鋰電池組；Web網絡架構；電池管理系統(tǒng)

0 引言

　　21世紀以來，隨著各國經濟的不斷發(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用，人們對鋰電池組在線管理系統(tǒng)的要求也越來越高，應用環(huán)境也越來越多樣化。例如應用于新能源發(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數(shù)據，當不同的用戶/管理員需要了解電池狀況時，需要安裝相應的上位機軟件。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，文章設計一個基于Web的鋰電池組管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過網絡實現(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程監(jiān)控的系統(tǒng)，該系統(tǒng)集電池組的數(shù)據收集、狀態(tài)分析、人機交互于一體，其物理結構如圖1所示。鋰電池組管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）接收GPRS數(shù)據傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）發(fā)送的電池數(shù)據，隨后對這些數(shù)據進行存儲、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)的總體設計

　　2.1 設計思想

　　從圖1中可以看出，BMS銜接了兩個部分：一是DTU，負責數(shù)據的接收；二是與電池管理員/用戶相關，主要負責對不同區(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，并且服務的對象也不同，因此將系統(tǒng)設計為兩個分系統(tǒng)，以前后臺的方式運行，后臺系統(tǒng)負責與DTU進行通信；前臺系統(tǒng)則負責人機交互，數(shù)據庫為兩個分系統(tǒng)之間的橋梁，如圖2所示。

　　2.2 軟件架構

　　基于前后臺分系統(tǒng)的設計思想，系統(tǒng)的軟件架構采用客戶端/服務器（C/S）和瀏覽器/服務器（B/S）相結合[4-5]的網絡架構搭建鋰電池組管理系統(tǒng)，即后臺系統(tǒng)使用C/S架構，實現(xiàn)與GPRS數(shù)據傳輸單元DTU的通信，保證傳輸數(shù)據的安全性；前臺系統(tǒng)使用B/S架構，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。

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)據庫、前臺系統(tǒng)。下面針對這三個部分的具體實現(xiàn)做詳細闡述。

　　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，這就涉及到對大量數(shù)據的處理。采用C/S架構有利于處理大量數(shù)據，可以滿足網絡通信量低、傳輸數(shù)據安全性高、程序響應速度快等需求。

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

　　3.2 數(shù)據庫設計

　　從DTU獲取的有關電池組的數(shù)據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分為電池包數(shù)據信息和N組基本模組數(shù)據信息。根據需求以及接收到的數(shù)據，得到概念數(shù)據模型，用“實體-關系”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)據模型，進一步對其分解與細化，得到邏輯數(shù)據模型，具體描述如下：

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

　?。?）N組基本模組數(shù)據信息（設備地址、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）；

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

　　3.3 前臺系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　在B/S架構下，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。

　　如圖6所示，鋰電池組管理系統(tǒng)采用B/S架構，BMS作為Web服務器，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服務器發(fā)出請求，服務器接收請求，并使用LINQ to SQL技術訪問數(shù)據庫，經過一定的后臺程序處理后，將結果返回并顯示給用戶。

4 界面設計及結果顯示

　　4.1 后臺系統(tǒng)測試結果

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

　　如圖7所示為服務器界面以及測試結果圖，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，服務器收到的數(shù)據為電池組主控設備信息（以16進制顯示，從第5字節(jié)開始為具體的信息），服務器BMS將接收到的數(shù)據進行解析并存儲到數(shù)據庫中，如圖8所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)據庫中的數(shù)據與接收到的數(shù)據一致，說明系統(tǒng)成功解析、存儲數(shù)據。

　　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)據準確、可靠。

　　4.2 前臺系統(tǒng)測試結果

　　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。設計前臺界面時，主要使用GridView控件和GDI+圖形圖像技術實現(xiàn)對電池組基本信息以及電池性能分析結果的顯示，測試結果如圖9、圖10。

　　如圖9所示為電池組主控設備信息的網頁顯示，可通過瀏覽器進行查看，還可以通過點擊不同的網頁按鈕（如圖矩形框中按鈕），查看其他的電池相關信息；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 結論

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

參考文獻

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