中國汽車工業協會的最新統計數據表明：在新能源汽車領域，中國已成為最大的生產和銷售市場。

　　2016年我國新能源汽車產銷突破50萬輛，累計推廣超過100萬輛，占全球的50%；2018年國內市場新能源汽車的銷售量同比上漲62%。

　　根據國務院《節能與新能源汽車發展規劃（2012~2020）》，到2020年，我國純電動和插電式混合動力汽車產能將達到200萬輛，累計銷量預計超過500萬輛。

　　但數字如此龐大的新能源汽車，其核心部件動力電池卻依然存在著以下種種問題：

　　電池是否處於安全狀態未知；

　　電池的質量、壽命、健康及故障等狀態未知；

　　車載電池退役後如何利用或處理未知；

　　市場對各廠商電池長期使用後的狀態未知等。

　　而目前的通用解決方案——車載電池管理係統（Battery Management System，以下簡稱BMS），即使具備了故障診斷、主動均衡，以及大容量數據存儲（記錄電池的全部運行數據）和遠程數據傳輸（將數據發送回BMS管理平台）等功能，但由於IPv4的地址限製（安裝了SIM卡的BMS分配到的均是內網地址，外部無法訪問），導致隻有當BMS主動和管理平台通信時，後者才能被動地接收前者發送的數據。

　　即管理平台無法主動、實時地監控每一個BMS即每輛新能源汽車車載電池的當前狀態，也無法主動與BMS進行數據通信。

　　而使用IPv6技術，可以分配給每個出廠的BMS一個唯一的IPv6公網地址，使得管理平台可以主動和其通信，獲取電池運行數據並及時診斷車載電池的健康狀態，更進一步確保駕駛員的行駛安全。

　　因此，本文的主要研究目標是基於IPv6和互聯網、大數據等技術，實現管理平台對BMS的遠程控製與數據的采集，以便通過數據分析進一步完善BMS的功能及電池管理相關技術；

　　同時，該平台基於物聯網和互聯網，提供開放型數據接口，打造完整的新能源汽車生態係統：即電動汽車、駕駛員、管理機構、充換電基礎設施運營商、整車和電池製造商、政府部門等均可靈活接入，共享數據信息、彼此需求互動，使各方相互協調、共同發展。

　　如：通過數據挖掘和算法模型判斷車載電池組的退役時間，讓梯次用戶可提前預約使用；

　　也可以讓車廠和電池廠動態地安排采購、生產和庫存管理，從而提高生產效率並節約成本；

　　政府部門也可以實時監管新能源汽車的使用情況，從而有效避免類似“騙補”行為帶來的道德風險。

　　主要研究內容為關鍵技術的解決方案、軟件平台的整體功能設計和技術架構設計。

　　目前國內對車載電池管理係統BMS相關技術的研究較多，如剩餘電量估計(SOC)、健康狀態估計(SOH)等；傳統燃油汽車“車聯網”的相關技術和標準也逐漸成熟。

　　但對基於BMS和互聯網/移動互聯網技術，構建新能源汽車數據中心及管理平台的研究和市場化產品則相對較少，現有的新能源汽車數據管理平台均是基於IPv4構建。

　　國外方麵，把新能源汽車和IPv6技術聯係在一起的研究工作已經開始起步，文獻[4]研究了IPv6協議應用於新能源汽車入網（Vehicle-to-Grid，簡稱V2G）時的安全性和私密性；文獻[5] 中分析了基於IPv6構建新能源汽車充電服務的可能性。

　　當前國內外對於類似應用的研究普遍處於理論可能性的研究分析階段，本文的研究更加偏重於新能源汽車關鍵部件（動力電池及其管理係統BMS）的基礎研究，同時還涵蓋了大數據相關的技術。

　　同時，由於我國已經是最大的新能源汽車市場，該管理平台的研究將普惠我國廣大的新能源汽車用戶及企業，也便於政府未來的管理，意義重大。

IPv6技術簡析

　　IPv4 的局限性

　　互聯網是基於TCP/IP協議族的，而IP即為這個協議族的重要組成部分。IP是網絡層協議，其主要任務是根據源主機和目標主機的地址進行數據的傳送。當前廣泛使用的IP協議是第四版，也就是IPv4。

　　該協議已經使用30餘年，成功促成了互聯網的迅速發展。但是由於其設計初衷是僅供美國軍方使用，未曾考慮全球實用性。尤其是新世紀計算機網絡和移動互聯網的火速發展，IPv4地址資源已經接近枯竭。

　　目前可用的IPv4地址已經分配了70%左右，其中，B類地址已經耗盡。

　　由於種種原因，IP地址分配極為不均，美國占有IPv4地址總數的64%，亞洲地區僅有8%；同時，由於IPv4地址方案不能很好地支持地址彙聚，現有的互聯網協議IPv4在地址空間、端到端的IP連接、服務質量、網絡安全和移動性等方麵都暴露出了不足，現有的互聯網正麵臨路由表不斷膨脹的壓力。

　　IPv6簡介

　　IPv6於上世紀90年代被提出，全稱是Internet Protocol version 6，即互聯網協議第6版。其定義的地址數目是個，在數目上完全足夠支持全人類的使用。

　　IPv6的報文格式如圖1(b)所示，相比IPv4，其報頭長度較長（IPv6為40字節，IPv4為變長的24字節），但是其結構簡單，僅有六個域和兩個地址空間，去掉了IPv4中不常用的幾個域，放入了可選項和報頭擴展，並且其可選項有嚴格的定義。

圖1 IPv4 和IPv6 的報頭格式

　　如圖1所示，在地址長度上，IPv4為32bit，IPv6為128bit，解決了地址匱乏的問題，為萬物互聯的理念實現奠定了基礎。相比IPv4的點分十進製格式，IPv6采用的是冒號分隔的十六進製格式，同時其也有自己的簡化規範[7]。

　　除此之外，IPv6還有如下幾方麵的顯著優點：

　　1.IPv6使用更小的路由表。使得路由器轉發數據包的速度更快。

　　2.IPv6增加了增強的組播支持以及對流的控製，對多媒體應用很有利，對服務質量（QoS）控製也很有利。

　　3.IPv6加入了對地址自動配置的支持。這是對DHCP協議的改進和擴展，使得網絡（尤其是局域網）的管理更加方便和快捷。

　　4.IPv6具有更高的安全性。IP安全（IP Security，IPSec）是IPv6的一個組成部分。用戶可以對網絡層的數據進行加密並對IP報文進行校驗，極大地增強了網絡的安全性。

　　5.IPv6具有更好的擴容能力。新的技術或應用需要時，IPv6允許協議進行擴充。

係統平台整體架構設計

圖2 基於IPv6 的新能源汽車動力電池管理平台功能及技術框架

　　圖2為基於IPv6的新能源汽車動力電池管理平台功能及技術框圖，該平台基於物聯網和移動互聯網，利用雲技術和開放的接口，構建電動汽車、司機和管理者、充電設施、運營商、車輛和電池製造商等相關主體可以靈活接入、共享彼此信息、互動彼此需求的公共服務與互動數據平台，使各方相互協調共同發展，提供用戶真正需要的服務。

　　例如：在售後服務方麵，通過移動互聯網的實時監控報警以及車載軟件（特別是BMS軟件）的網絡升級，可以大大降低廠商的售後運維成本，同時提升用戶滿意度；

　　在研發體係上，隨著平台積累越來越多的電池運行數據和車輛運行數據，與傳統的實驗室模擬不同，這些海量的真實數據對新能源汽車技術的研發、動力鋰電池成組技術與生產工藝改進的價值不可估量；

　　在庫存管理上，基於數據挖掘以及各種判斷策略，可以準確估計車載電池的退役時間，方便車廠和電池廠動態地安排采購、生產和庫存管理，提升效率，節省成本，避免不必要的浪費；

　　同時可為汽車使用者提供更準確的車輛信息，如電池剩餘電量的判斷、SOC、SOH等參數提示。

　　最後，通過本平台可實現動力鋰電池的梯次利用與回收管理，同時實現其完整的生命周期追溯管理，具有一定的環保意義。

　　根據功能框架中各部分的功能規劃，為了向新能源汽車產業鏈提供全方位的信息化服務，係統必須考慮到海量數據的存儲問題，以及車載端硬件的升級。因此，係統采用麵向服務（SOA）的四層技術架構，如圖3所示。

圖3 係統技術架構規劃設計

　　平台係統分為數據采集（BMS、CAN總線、智能車載終端技術）、數據傳輸（基於IPv6的Socket通信、物聯網、移動互聯網技術）、數據存儲（NoSQL、Hadoop、分布式負載均衡與高並發處理技術）、以及應用服務（數據分析與挖掘、報表展示技術）四個層次，同時對第三方提供標準Web Service接口。

關鍵技術

　　BMS對IPv6技術的支持研究

　　BMS作為新能源汽車的重要部件之一，可以實現對動力電池的剩餘電量估計(SOC)、健康狀態估計(SOH)、電池間的彼此均衡以及對電池熱管理，對駕駛員進行指導以確保其人身安全。

　　但是，由於目前國內外的車載BMS均無法實現複雜算法的導入，以及大量數據的處理，因此，需要建立數據中心即新能源汽車動力電池管理平台（以下簡稱“管理平台”），將BMS中的電壓、電流和溫度等數據進行上傳。

　　管理平台基於BMS所提供的電池實時運行數據和曆史數據，分析動力電池在電動汽車使用階段的性能變化，並將電池結構參數、容量內阻等參數存儲在數據中心，全麵診斷電池當前狀態。

　　而使用IPv6技術，可以分配給每個出廠的BMS一個唯一的IPv6公網地址，使得管理平台可以主動、實時地和其通信，獲取電池運行數據並及時診斷車載電池的健康狀態。因此，需要首先升級目前BMS的大容量數據存儲和遠程數據傳輸模塊，使其支持IPv6。

　　BMS與管理平台間的數據壓縮與解壓縮方案研究

　　BMS在工作過程中，由於數據采集的頻率（1次/秒）非常高，因此每時每刻都在產生大量的數據，這些數據包括：電池的單體電壓值、溫度值、充放電電流值、SOC值、內阻值等。為了減少數據信息的儲存空間、數據遠傳時的數據傳輸時間，有必要對這些數據進行有效的壓縮。然而，目前所公開的研究成果中，針對電動汽車電池數據特點實施數據壓縮的研究較少。

　　本文建立的平台基於現有的無損通用壓縮算法的基礎上，結合動力電池數據特點，提出了一種針對電動汽車電池數據的預壓縮處理方法和數據壓縮策略。

　　在實現數據壓縮傳輸的過程中，提高了數據傳輸的效率。在本文研究中，采用了電池參數在線估計方法、數據預處理方法與傳統的數據壓縮算法相結合的方法，提高電池數據壓縮率，降低數據冗餘度。

　　如圖4所示，為BMS與數據平台間的數據壓縮與解壓縮方案，該方法可以根據時間、SOC、電壓和溫度數據的特點，進行預壓縮處理。

圖4 BMS 與數據平台間的數據壓縮與解壓縮方案

　　由於電壓為和溫度數據隨著時間有一致走勢，在各時刻的點電壓數值，可以由其中一個電壓值和兩個電壓之間的差值來表示。

　　溫度數據有與電壓數據相似的特點。SOC數據變化緩慢，並且相鄰時刻SOC值的變化量很小的特點。對於電池模型參數估計值、溫度數據做如下處理：

　　1.對於第一個電池單體之外的其餘電池單體數據，隻記錄與第一個電池單體電池模型參數的差值；

　　2.對於第一個電池的模型參數數據，開始時刻設為參數的標誌位並且記錄，之後時刻隻記錄與標誌位參數的差值。

　　通過上述方法可以減小數值的量值範圍，進而選用合適的數據類型壓縮原始數據。

　　隨後，采用哈夫曼編碼與行程編碼相結合的數據壓縮方法對預壓縮處理後的電壓數據、電流數據、時間數據等實施進一步的壓縮處理，實現對電池數據的全麵、有效壓縮。

　　數據傳輸及存儲相關問題解決方案

圖5 平台大數據處理技術框架

　　如圖5所示為數據平台的大數據處理技術框架。本文的數據傳輸基於IPv6，采用Socket方式進行通信，存在海量BMS終端同時向管理平台傳輸數據時的超高並發問題，針對該問題，本文采用基於AMQP（高級消息隊列協議）與負載均衡技術，使用ActiveMQ及Kafka等成熟的Java技術框架。同時，海量數據的管理也具有存儲及查詢的相關問題。

　　本文構建的平台基於Hadoop及其相關技術，實現海量數據的分布式存儲（數據倉庫Hive、Spark-SQL）及分布式計算（MapReduce）、內存計算（Spark）、流式數據計算（Storm）；從而實現快速查詢曆史數據、數據挖掘、決策分析與報表輸出。

結 論

　　新能源汽車動力電池及其管理係統BMS存在接入物聯網後無法被數據中心暨管理平台主動發現的問題，本文基於IPv6技術，提出了新一代互聯網技術的背景下該問題的解決方案。

　　利用基於電池建模技術、數據預處理與行程編碼、哈夫曼編碼相結合的電池數據壓縮與解壓方法，解決了電池數據存儲與遠傳過程中的數據量大、傳輸可靠性低的問題。

　　同時基於IPv6及AMQP技術，解決百萬級別的BMS終端同時和管理平台進行數據通信時產生的超高並發問題。

　　最後，基於Hadoop等大數據相關技術，提出了解決海量新能源汽車動力電池全生命周期的數據存儲及快速查詢問題的方案。

　　最終能夠實現對傳統的新能源汽車車載動力電池管理係統BMS的升級，使其完全支持IPv6技術；

　　同時建立基於IPv6網絡環境的新能源汽車動力電池管理平台以及電池的全生命周期數據中心，獲取電池組的實時運行數據並及時診斷其健康狀態以確保駕駛員的行駛安全，並可通過數據分析進一步完善電池組的主動均衡、參數在線估計以及BMS的遠程升級等功能。

　　（本文刊載於《中國教育網絡》雜誌2019年6月刊，作者：哈爾濱工業大學網絡與信息中心 李中振 高超越 金代亮 仲瑋 代成琴）

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