一种用于实时监控和诊断电动汽车参数的教育系统
Georgi Hristov, Plamen Zahariev, Svilen Borisov and Diyana Kyuchukova
Department of Telecommunications
University of Ruse “Angel Kanchev”
Ruse, Bulgaria
ghristov@uni-ruse.bg, pzahariev@uni-ruse.bg, sborisov@uni-ruse.bg, dkyuchukova@uni-ruse.bg
摘要
近期进步的汽车技术和改进的电池制造工艺改变了平时人们对电动汽车的看法，而现在对于私人客户和公司而言，使用电动汽车变得非常有吸引力。在这种趋势下，大多数汽车制造公司正在朝着提供更多种类汽车的方向发展，这些车型中包括电动汽车。
电动汽车这种更高需求和技术要求的汽车带来了新的挑战，需要我们着手研究和克服这些难题。其中一些难题包括商业性质和私人性质充电站的开发与安装，用于大功率电气系统和车辆电池的开发和故障排除的标准以及程序的开发等等。
在培训和教育新一代汽车学者时，我们会面临一系列不同的挑战，这些专家将负责将电动汽车及其所支持的系统运用到现代社会中。这些专家需要掌握更多关于电动汽车推进和动力系统的知识，以及机械，工程，电子，数学，编程等方面的知识。
为了简化这些学者的教育过程，为了缩小这些不同学科之间的间隙，我们设计并开发了一个简化的系统，为电动汽车参数的实时监控和诊断提供了可能性。该系统已在鲁塞大学推出并进行了实验测试，主要用于教育目的，而不是用于商业电动车辆的实际生产或集成。
在这篇论文中，我们提供了关于系统的一般模型，它的组件，它被设计用于监视的主要参数，以及关于实时传输和接收所需的标准和子系统的详细信息等来自电动车辆的数据。
本文还介绍了真正的遥测数据，这些数据是通过进行电动车辆的实验测试获得的- 一种电动汽车的轻型试验机。学生可以使用该电动汽车和现有系统测试和分析高效能耗的高级算法和模型，从而可以利用测得数据提高汽车的行驶距离。
关键词：电动汽车 测试平台 参数实时监控 教育系统 树莓派
1 介绍
在过去的几十年中，我们目睹了许多技术进步，这些进步导致不同类型和尺寸的电动车缓慢而稳定地被引入我们的生活中。电力驱动的火车，轿车和公共汽车现在已经成为我们生活中不可分割的一部分，全球大多数人口都将这些交通工具视为理所当然，甚至没有考虑到支持他们动力的电力来源。
当谈到分布最广泛的交通运输工具----汽车时，一种完全不同的情况出现了。电动汽车的历史历经数个世纪，它的诞生充满了起伏。
电动汽车的概念并不是一个新概念-它最远可以追溯到19世纪的中期，第一辆电动汽车原型机在1828年至1839年间建成[1]。在接下来的几年中，电力的大力推进将这种趋势缓慢带向了铁路行业，但1859年由法国物理学家Gaston Plante[2]发明的铅酸蓄电池为电动汽车提供了新的动力源，并且使得电动汽车再次得到普及。到19世纪末结束时，电动汽车在欧洲已被广泛接受和认可，其主要生产地位于英国，法国和德国[3]。
在美国，电动汽车最早于19世纪90年代被引入[4]。在短短的几年内，他们获得了很多人的喜爱并且变得非常受欢迎。当时使用电动汽车的一个例子是它们作为纽约市地区的出租车运营，到19世纪末有超过60辆车投入使用[5]。
19世纪末也被戏称称为电动汽车的黄金时代。这是由于它们在世界范围内的广泛使用和公众对它们十分感兴趣。当时，电动汽车也被用于娱乐和比赛[6]，甚至是被使用来突破当时的一些值得注意的记录，包括100公里/小时的速度障碍的纪录，以及最快的地面车辆记录[7]。
内燃机（ICE）的广泛采用，电起动器和消声器的发明，石油的可用性和低廉的价格，以及美国20年前的大规模生产汽车，在20世纪导致电动汽车的使用率和生产率下降，到20世纪30年代中期，它们已经完全消失[8]。
在20世纪60年代和70年代，为了减少内燃机的排放物和石油价格不断上涨，为电动汽车重新进入我们的生活提供了合适的环境。20世纪的另一个重大发现也有助于电动汽车的成功回归-晶体管的发明[9]。汽车的电子控制系统改善了他们的能耗，并使他们能够更快地行驶更远的距离，这使得它们与内燃机汽车成为竞争对手[10]。
自20世纪60年代和70年代引入汽车电子控制系统以来，许多公司尝试生产实用且可用的电动汽车[11,12]。有些品牌，如特斯拉，宝马和日产已成功投资纯电动汽车的生产，而其他品牌仍在考虑这一机会，并依靠混合解决方案[13]。在这两种条件下，电动汽车再次获得强势地位，越来越多的人对其感兴趣。
2 系统的结构，组成与初步设计
信息通信技术和基于电子技术的汽车控制系统使电动汽车能够获得更好的性能，并且对使用内燃机的车辆更具有竞争力。不仅如此，他们还为这一领域的专家提出了未来的挑战----未来的电动汽车，他们应该拥有更广泛的技能----从机械，自动化和运输系统领域的传统专业知识，还有包括电力系统，计算机，电子和电信方面的知识。
为了应对这些挑战中的部分，并改善学生的学习过程，我们设计并构建了一个简化的电动车辆参数监测和评估系统。该系统完全针对教育目的，并不像专业系统那样准确，比如汽车制造商使用的监测系统。该系统基于树莓派微型计算机（图1），一组磁性开关传感器（图2a）和一个3.5英寸小型显示器（图2b）。最初该系统旨在为学生提供关于电动汽车的功耗，速度和行驶距离之间关系的基本知识。
图1. 树莓派2 模型B V1.1，该系统用于实时控制和监测电动汽车参数[14]
a)ITEAD磁性开关传感器模块[15] b)用于树莓派微型计算机的微雪 3.5“液晶显示器”[16]
图2.用于系统开发的硬件组件
在目前的状态下，该系统不同于其最初的设计，并且迄今为止已经经历了若干修改，还有几个部分要进行修改。在修改之后，该系统原始功能得到改进，并增加了新功能，在不改变其原始功能----用于诊断电动车辆的参数的前提下。
我们最初的想法是将该系统构建为独立的固定式测试台，仅用于实验室环境。 为了使一切更加现实，我们计划将系统创建为两个独立但相互关联的部分。
该系统的第一部分计划为“驾驶舱部分”。它用于容纳一个使用3D打印机方向盘（图3）设计和创建的定制应用程序，该应用程序可以容纳微控制器和显示器。该系统的这一部分的主要功能是提供控制车辆加速度的手段，并通过可视化功能显示当前速度，平均速度和在微控制器显示器上显示行驶距离的信息并向用户提供反馈（图4）。
“驾驶舱部分”计划不断与系统的第二部分连接，该部分被设计为“动力和推进部分”。这部分是为了容纳包括电池，电池管理系统，电机控制板，带有驱动轮的电机，以及用于测量车轮旋转的磁性开关传感器。
该系统的建设，初始安装和测试均由鲁塞大学电信系的学生和成员完成。系统控制和信息可视化的算法由学生和部门成员创建，所有源代码都是用Python编写的。
图3.使用3D打印机创建四个面板中的一个，用于构造方向盘
3 实验诊断系统的修改及对学生的影响
在对系统进行第一次成功测试后，很明显它可以提供关于车辆当前速度和平均速度的有用信息，以及关于它可以覆盖的距离的数据。但是，在初始配置中，系统无法向学生提供有关汽车总功耗或即时功耗的信息。为了得到这些信息，他们必须在每次实验后手动测量电池的电量。
这种方法对于获得车辆的总功耗非常有用，但它仍然不能提供有关其即时功耗的任何信息。另外，这种方法对于学生来说是耗费时间的，甚至是危险的，因为他们必须断开系统的电源，然后断开其中的一些组件，以便能够测量电池的电平。
为了改善学生的体验和他们对系统的看法，我们决定修改它，增加一个额外的传感器来测量车辆的即时功耗。这种修改需要开发和整合一种新算法来计算汽车的总功耗，学生必须编写额外的源代码来显示汽车的总功耗和即时功耗，因此可以在系统中使用这些代码来显示数据。
通过修改，该系统得到了学生的广泛认可，他们逐渐对实验的可行性表示满意。 在取得这一成功之后，我们制定了安全使用该系统的方法，使学生能够进行不同的实验。该方法由三个阶段组成----系统启动阶段，系统运行阶段和系统关闭阶段（图4）。
由于方法的可用性，学生有可能对系统进行实验，并且他们也想在系统上进行实验，进一步发展其能力。出于这个原因，他们已经研究了规格和数据表[17,18]以及一些其他文献资料[19,20]，关于系统电机----来自Maxon电机的RE 50直流电机[21]。 基于这些知识，他们能够确定电机的最佳工作模式，并能够修改微控制器解析系统用户发出的加速命令的方式，从而使电机不会消耗过多的能量。这样，当系统用户请求额外的加速时，通过将加速控制滑块向右移动（图4），测量电机的功耗和转速，并与最佳工作参数进行比较。这允许系统确定其当前状态和能耗，并由此向电机控制板提供不同的加速命令（图4.步骤3到7）。虽然这种方法在能源消耗方面效率很高，但它不提供加速度方面的相同输出，这意味着根据系统状态，相同的加速命令会导致不同的速度增加。
使用开发的教育系统评估电动汽车参数，方法和测功站，学生能够成功地模拟不同的车辆，天气和路况，并能够诊断电动汽车的可行状态。此外，他们能够开发和测试不同的车辆控制算法，这些算法基于其条件和仿真环境的参数。这使学生能够更好地理解电动汽车不同参数之间的关系，并成功地测试不同的能量消耗，以优化能耗策略和增加车辆行驶距离。
在图5中显示了所有修改后的系统的最终连接图和功率测量传感器的介绍。
图4.用于评估电动车参数的开发系统的主要操作原理图
图5.用于实时控制，监测和评估电动车辆参数的系统的完整连接图
4 电动汽车原型系统的集成和参与2016年壳牌生态马拉松
为了充分评估系统的行为并分析其准确性和性能，我们决定将其整合到鲁塞大学新开发的电动汽车原型中（图6）。设计这辆车的目的是参加2016年壳牌生态马拉松赛（SEM）[22]，这项活动旨在挑战世界各地的学生团队设计，制造，测试和驾驶的超高能效车辆。
SEM 2016在英国伦敦的伊丽莎白女王奥林匹克公园举行，从2016年6月30日到2016年7月3日举行。该活动首次在一个专门新建的赛道上进行。来自世界各地29个国家的200多支队伍参与了比赛，包括我们的队伍（图7）[22]。
为了符合事件的要求，系统必须进行修改，以便与车辆的定制构造电机驱动器进行通信。此外，该系统被修改为测量距离为2.23公里的赛道，并为每次尝试计数圈数。
图6.整合了经过修改的教育系统，用于评估电动汽车参数的真实电动车样机，该样机在2016年壳牌生态马拉松赛期间在“电动原型”类中进行了测试和参与竞赛
图7.在2016年壳牌生态马拉松赛期间，参与开发和测试电动汽车原型的鲁塞大学的一部分讲师和学生[22]
在SEM 2016期间，我们的团队在赛道上总共出场6次。其中三次尝试成功，两次因车辆机械故障而中断，另一次因恶劣天气而取消。
在赛道首次成功运行后，我们已经达到328.9公里/千瓦时，这是迄今为止所有壳牌生态马拉松赛事的所有保加利亚队新的历史最好成绩。
基于学生对系统的了解，我们团队的学生能够对电机驱动器和车辆的控制算法进行一些现场修改。这些修改带来了显著的性能提升，在第二次和第三次成功尝试中，我们设法改善了我们的能耗，总计401.4公里/千瓦时和409.5公里/千瓦时，这使我们在最终排名中位居第11位[23]。
5 系统的进一步发展可能性和改进情况
SEM 2016的成功参与向我们的学生展示了信息通信技术与电动汽车联合的益处。 能源消耗和比赛排名的提高促进了他们继续开发电动汽车样机和系统，并进一步扩展其能力。
该系统即将进行的升级之一是学生计划制造的无线通信模块的集成，以便车辆可以连接到远程基站。通过这种方式，所有车辆参数将显示在系统的显示屏上，但同时它们将被传输到远程基站，以便团队的其他成员可以监视它们并就如何改善它们做出决策。
学生们还计划调查其他电动机的运行状态，并分析比较他们的参数和他们迄今测得的数据。这将使他们能够为电动汽车样机选择最好的发动机，他们计划在2017年为下一个壳牌生态马拉松研发，设计和制造合适的电动车。
6 结论
在本文中，我们提出了一个用于监测和诊断电动车参数的教育系统。该系统适合面向信息技术，通信技术和交通系统的课程的学生使用。通过与其他学科的同学一起工作，学生们已经获得了关于电动车辆
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