新能源汽車用動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉霖 王志強(qiáng) 李春鵬

摘 要：電對(duì)于新能源汽車而言，其在運(yùn)行過程中十分重要的參數(shù)就是電池荷電狀態(tài)（SOC， state-of-charge）。電池荷電狀態(tài)的綜合估算算法主要包括由靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法、動(dòng)態(tài)安時(shí)計(jì)量法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法三個(gè)部分的結(jié)合。通過實(shí)驗(yàn)得到，對(duì)比于普通的算法，綜合估算算法有較高的精確度，其最大誤差不超過2%。另外，利用電子開關(guān)式集中均衡充電網(wǎng)絡(luò)的形式，使得電池組中電池單體之間保持一致性，有效防止個(gè)別單體電池出現(xiàn)過充電、過放電的問題，使得電池組的壽命持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：新能源;動(dòng)力;電池管理系統(tǒng)

動(dòng)力電池組對(duì)于電動(dòng)汽車起著非常大的能源作用。由于電動(dòng)汽車需要較大的功率，需要很多電池串并聯(lián)的方式形成電池組，面對(duì)數(shù)量十分龐大的電池組成的電池組，更要加強(qiáng)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)管理，保障電動(dòng)汽車運(yùn)行的安全性。與此同時(shí)，因?yàn)殡妱?dòng)汽車本身具有較為復(fù)雜的運(yùn)行情況，在一定程度上加大了對(duì)于電磁管理方面的難度。另一方面，可能會(huì)出現(xiàn)制造工藝方面的缺陷，無法確保每一個(gè)電池都是一致的，這就導(dǎo)致有些電池利用過程中出現(xiàn)過度充電或過度放電的現(xiàn)象，長(zhǎng)此以往，這部分電池將使用壽命將會(huì)大大降低，不利于整個(gè)電池組的使用，甚至可能會(huì)有爆炸等潛在性安全隱患，對(duì)人的生命安全構(gòu)成一定威脅。因此，需要加強(qiáng)對(duì)電池的合理性管，特別是要注重電池性能的一致性。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 概述

本文所描述的分布式電池管理系統(tǒng)，包含了許多個(gè)電池管理單元。對(duì)于其中的每一個(gè)電池管理單元，都能夠?qū)﹄姵氐膯误w電壓、母線電流、母線電壓、節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行精確的檢測(cè)。根據(jù)單體電壓和母線電壓的相關(guān)信息維持其均衡狀態(tài)，而節(jié)點(diǎn)溫度則是對(duì)電池組熱方面進(jìn)行管理，主電池管理不僅要具備上述功能，還要對(duì)從電池管理單元傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，對(duì)電池的荷電狀態(tài)估算，同時(shí)，相關(guān)信息需要通過Flash存儲(chǔ)器儲(chǔ)存起來，方便之后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。分布式系統(tǒng)主要由功能相同的多個(gè)設(shè)備組成，并使用LIN總線在多個(gè)設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。電池組總線電壓、電池組總線電流、電池組電壓和電池組節(jié)點(diǎn)溫度感測(cè)是每個(gè)電池管理單元的功能。電流采樣使用霍爾電流傳感器，單節(jié)電壓采樣具有20個(gè)通道，MCU內(nèi)置的AD模塊以12位采樣精度使用，節(jié)點(diǎn)溫度由單總線數(shù)字溫度計(jì)DS18B20收集。 MCU分析電路采樣結(jié)果以建立合理的控制策略并發(fā)送控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電路均衡和溫度保護(hù)電路。

1.2 特點(diǎn)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面，首先，電壓采樣模塊和均衡模塊采樣線共同利用。其次，利用單總線數(shù)字式溫度計(jì)DS18B20對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行收集。從而收集到更加精確的各點(diǎn)溫度，然后利用CRC校驗(yàn)確保通信更加準(zhǔn)確。最后，外接風(fēng)扇，如果檢測(cè)到其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度過高，其實(shí)應(yīng)該馬上打開風(fēng)扇進(jìn)行降溫處理，防止長(zhǎng)時(shí)間高溫狀態(tài)對(duì)電池造成損害。如果風(fēng)扇處理后，其溫度仍然較高，就不能是電池保持在充放電狀態(tài)，這樣可以確保電池正常工作。第四，均衡電池組。利用非耗散式、集中均衡管理電路來具體實(shí)施。通過電子式開關(guān)切換均衡電路，避免電磁的干擾。整個(gè)過程主要利用DC/DC變換器對(duì)每個(gè)電池單元都從電池組中重新分配，并傳遞到低能耗電池組，以平衡整個(gè)電池組。根據(jù)結(jié)果，使用電子開關(guān)式中央均衡充電模塊可以幫助維持更一致的電池并有效地延長(zhǎng)使用壽命。第五，運(yùn)用類單總線性結(jié)構(gòu)采集電壓，使用MCU發(fā)出控制命令，接收到信號(hào)后，每個(gè)電池單元都會(huì)據(jù)此調(diào)整電路，并在處理后將電壓信號(hào)輸入到內(nèi)置在MCU中的12位AD模塊。結(jié)果顯示，采集誤差小于1%，并且霍爾信號(hào)傳感器可以采集電流信號(hào)，從而使采集結(jié)果更加準(zhǔn)確。第六，電池管理單元的數(shù)據(jù)傳遞是利用LIN通信總線實(shí)現(xiàn)的。第七，CAN通信總線的兩大功能：（1）系統(tǒng)調(diào)試過程，運(yùn)用CAN轉(zhuǎn)USB設(shè)備，把系統(tǒng)和PC機(jī)連接起來，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和電池?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)定;（2）具體使用過程，將CAN總線連入整車CAN網(wǎng)，使得電動(dòng)汽車上各個(gè)控制器之間能夠相互通信。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)師系統(tǒng)軟件的顯著特點(diǎn)，主要包含：系統(tǒng)初始化模塊、均衡控制模塊、電池信息采集模塊、SOC估算模塊、通信模塊和熱管理模塊。利用自頂向下的設(shè)計(jì)形式，具體實(shí)施過程首先要將頂層模塊之間的執(zhí)行順序確定，然后再進(jìn)行各個(gè)模塊內(nèi)部的相關(guān)程序設(shè)計(jì)。

在電池管理系統(tǒng)中，電池的SOC估算始終是一個(gè)重難點(diǎn)，需要引起重視并且不斷在這方面進(jìn)行深入探索，從而更好地實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的運(yùn)用。主要是由于電池內(nèi)部有著十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)以及電動(dòng)汽車運(yùn)行工況等因素共同影響。本設(shè)計(jì)中使用的估計(jì)策略主要包括動(dòng)態(tài)電流測(cè)量，靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余功率算法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法主要依賴于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，上一次電池使用時(shí)的相關(guān)信息以及對(duì)電池實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的有關(guān)信息共同結(jié)合，以此為依據(jù)對(duì)電池初始的SOC進(jìn)行估計(jì)。在使用車輛之前，首先使用靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余容量算法估算電池SOC的初始值。啟動(dòng)后，電池SOC的實(shí)時(shí)估計(jì)主要通過電流測(cè)量方法和擴(kuò)展卡爾曼濾波方法的組合來估計(jì)。其中所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是指在各個(gè)溫度下，電池處于充電狀態(tài)和充電狀態(tài)時(shí)開路電壓和SOC的關(guān)系數(shù)據(jù)。這種算法的具體過程包括以下幾點(diǎn)。首先，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)要收集到上一次電池工作完成時(shí)電池所處的狀態(tài)、電池的SOC以及上一次系統(tǒng)斷電時(shí)間等各方面信息;其次，記錄啟動(dòng)時(shí)間并計(jì)算兩個(gè)小時(shí)的間隔。再次，通過測(cè)量獲得每個(gè)電池單元兩端的電壓。最后，通過綜合構(gòu)建使用自適應(yīng)算法獲得的信息來獲得初始電池SOC。在計(jì)算出初始SOC之后，將其用作輸入，并使用動(dòng)態(tài)電流表測(cè)量和擴(kuò)展的卡爾曼濾波來交互式實(shí)現(xiàn)電池SOC的實(shí)時(shí)估算。

3 加強(qiáng)電池管理系統(tǒng)的建設(shè)

根據(jù)新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)所運(yùn)用的硬件裝置，建設(shè)更加合理的軟件管理基礎(chǔ)構(gòu)件，再結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的高科技技術(shù)對(duì)其管理基本框架進(jìn)行完善和優(yōu)化，對(duì)管理指令采取更加科學(xué)規(guī)范的處理方式，有效地確保各個(gè)系統(tǒng)功能層在信息傳遞時(shí)的獨(dú)立狀態(tài)，避免了在多個(gè)信息同時(shí)反饋時(shí)所造成的相互間干擾，造成結(jié)果的較大誤差，保證各功能層能夠準(zhǔn)確的將相關(guān)任務(wù)指令傳達(dá)，使得傳輸過程更加高效且獨(dú)立。另外，如果要將動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)軟硬件更好地結(jié)合，需要構(gòu)建兩者之間更緊密的聯(lián)系，在之后的發(fā)展過程中不斷提高和加強(qiáng)。在電池管理系統(tǒng)各個(gè)硬件的使用以及軟件指令傳達(dá)和軟件系統(tǒng)的監(jiān)督下，能夠使得各個(gè)硬件對(duì)自身完成相關(guān)檢測(cè)與管理維護(hù)，從而能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)軟件使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)的故障問題，進(jìn)而能夠被軟件管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將這些信息通過傳遞存儲(chǔ)的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中，給使用者提供維修警示。電池供電的安全穩(wěn)定對(duì)于新能源汽車正常運(yùn)行至關(guān)重要，與使用者的生命安全息息相關(guān)，在社會(huì)的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，動(dòng)力電池生產(chǎn)技術(shù)得到了進(jìn)一步創(chuàng)新與提高，在動(dòng)力電池溫度所帶來的相關(guān)不利影響方面，已經(jīng)得到了很好的解決，對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池更加穩(wěn)定、高效、安全工作帶來十分積極的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)得到，提高動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化與完善工作是當(dāng)前需要著重解決的問題，是促進(jìn)我國(guó)新能源汽車行業(yè)更穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵部分之一，也是帶給新能源汽車制造廠帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的前提。其中十分重要的方面就是電池組SOC估算和電池均衡技術(shù)，也是其中需要突破的重難點(diǎn)之一，還介紹了維持電池組中電池的一致性，防止電池單體出現(xiàn)過充電或過放電的問題，導(dǎo)致其使用率下降。此外，還能通過各種算法的結(jié)合，準(zhǔn)確的得到電池組的剩余電量。

資助項(xiàng)目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ1813）。

參考文獻(xiàn)：

[1]翁志福.新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué)，2019.

[2]李海君.新能源汽車用鋰動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D].江蘇大學(xué)，2018.

[3]孔令國(guó)，郭建成，陳華，劉維維.新能源汽車用電池管理系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)[J].連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，26（04）：24-26.