基于新能源電池安全的控制系統研究

梁雪松

（吉林北斗航天汽車研究院有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

新能源汽車逐步的發展，新能源電池的創新也越來越多，受益于政策扶持和環保轉型的大方向，新能源電池的研發和產業化進展一直較為迅速，產量和銷量同樣持續快速增長。多數電動汽車應用的是磷酸鐵鋰電池，這種電池技術成熟、安全，但缺點是能量密度底，導致電動汽車的續航里程短，難以滿足消費者的要求；對于鈷酸鋰電池而言，雖然能量密度大，但安全性較低，且成本高，所以新能源電池的安全性是導致新能源汽車事故的多發原因。為了解決新能源電池的短路等安全性的問題，本文基于對智能網聯新能源電池的控制系統做了研究，主要由電池系統，終端系統，云端系統相互組合，實現安全控制系統，使新能源電池的安全性，可靠性得到提高。

1 電池系統的控制管理

電池管理系統為一套保護新能源電池使用安全的控制系統，時刻監控電池的使用狀態，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源電池的使用安全提供保障。電池管理系統主要有電池充放電控制功能，總電壓及總電流監控功能，單體電壓監控功能，單體電池均衡功能，電池SOC評估功能，電池組溫度管控功能，電池組安全控制功能，故障診斷和處理等功能。

電池內短路是最復雜、最難確定的熱失控誘因，是目前電池安全領域的國際難題，可導致災難性后果。在本文的研究中利用對稱環形電路拓撲結構及相關算法，可以在極短時間內對多節電池單體進行批量內短路檢測，能夠識別出0–100 kΩ量級的內短路并準確估算內短阻值，電池管理系統通過短時間的驗證結果，周期性循環檢測，以報文形式發送給終端，遠程管理人員實時獲取短路信息，如果發現有短路現象，通知電池使用者直接停止使用此電池或遠程管理人員遠程關閉電池，提高電池的安全性。

2 終端系統控制管理

打造多功能，低功耗，滿足國標要求的遠程監控終端設備，基于PKI技術、密碼學技術及國家相關標準規范要求，構建功能完善、技術先進、安全可靠的數據安全防護系統和運行管理機制，保證端到端的服務安全，為新能源電池數據監控提供了高性價比終端系統控制管理解決方案。

終端分集成式終端和單體式終端，集成式終端是集成設計在車輛其他裝置或系統內的裝置，本文設計的終端就是集成式終端，和電池管理系統集成的設備；單獨設計為獨立的裝置或系統的終端為單體式終端，大多作為車載終端使用。

終端系統是電池管理系統的前端設備，主要實現電池信息的采集，存儲，傳輸及控制；終端系統通過CAN BUS總線和電池管理系統通信，也可把終端系統硬件集成到電池管理系統中，更加便于接收數據，終端系統集成了GPS，網絡通信等無線通信模塊，主要實現信息的智能錄入，數據采集，車輛定位，遠程控制，安防服務等功能。

終端系統對電池管理系統發送的數據進行解析及保存電池及系統部件的關鍵數據；終端對電池的數據進行實時采集，頻次不低于次/500 ms，終端對數據進行整理分發，處理時間應小于500 ms，最后將采集整理的數據發送到云端。

存儲在終端內的數據及與云端傳輸的數據是可加密的，加密數據具有完整性，準確性和不可否認性；提供時間和日期，時間精確到秒，日期精確到日，與標準時間相比時間誤差24h內±5s，車載終端應按照最大不超過30s時間間隔將采集到的實時數據保存在內部存儲介質中，當電池出現報警時，終端應按照最大不超過1s時間間隔將采集到的實時數據保存在內部存儲介質中。終端內部存儲介質容量應滿足至少7d的實時數據存儲，終端內部存儲介質存儲滿時，應具備內部存儲數據的自動循環覆蓋功能，終端內部存儲的數據具有可讀性，終端斷電停止工作時，應完整保存斷電前保存在內部介質的數據不丟失。協議設計可參照電動汽車遠程服務與管理系統技術規范國標協議。

3 云端控制管理

云端控制主要核心功能是將終端發送上來的原始數據通過各種數據分析的手段轉換成對用戶有意義的信息； 針對各種數據類型，提供相應基礎數據分析功能和安全控制功能，系統主要由數據存儲，數據解析，遠程控制等功能組成，遠程掌握電池動態信息，包括電池運行狀態信息、故障信息等，實時、無縫的與部署在云架構上的管理后臺互聯，利用大數據挖掘和分析等技術，為客戶帶來獨創的遠程故障診斷、遠程控制等集成的高科技體驗，為用戶提供智能、安全、節能、高效的綜合服務。

在云端接收到電池有短路數據，根據協議遠程服務向終端發送控制命令，終端對接收到的命令進行校驗，當校驗無誤時，終端向遠程服務返回應答并執行控制命令，立即切斷短路電路及發出報警，通知電池使用人員，以免造成危險。

本文在云端采用的控制策略是基于XACML的，XACML是可擴展訪問控制標記語言，用于決定請求/響應的通過訪問控制策略語言和執行授權策略的框架，對云端分布式系統的資源訪問控制由單一管理方式變成了分布式管理方式，分布式的接口調用采用是Spring Cloud Feign，Spring Cloud Feign是 基 于Netflix feign實現，整合了Spring Cloud Ribbon和Spring Cloud Hystrix，除了提供這兩者的強大功能外，還提供了一種聲明式的Web服務客戶端定義的方式，支持負載均衡。云端和終端發送的數據為加密方式，每次控制命令下發采用加密方式，提供軟硬結合型密碼模塊，支持主流密碼算法，基于密碼模塊為關鍵數據提供機密性和完整性防護；提供隱私保護、用戶數據訪問特權保護，防止隱私泄露和命令篡改。

對基于電池短路數據的運行方式如下：

（1）上報流程；電池管理系統收集單電池狀態信息，時刻對電池之間的狀態進行檢測和上報，電池管理系統得到短路信息后上報給終端，同時提示屏中提示，以便在場的工作人員查看，檢修；終端獲取到短路信息數據傳輸給云端，云端經過驗證數據異常或電池出現短路現象，通過短信、微信等情況通知相關人員，此時電池系統，終端，云端的上報工作結束。

（2）控制流程：控制流程分手動控制和自動控制，手動控制主要是一些非緊急情況下的流程控制，例如參數設置，系統升級等。自動控制指緊急狀態下的流程控制，例如電池出現重大事故，自燃等電池緊急狀態；不論是那種控制流程，首先云端通過控制策略進行下發預定的控制策略，當云端判斷電池出現短路，立即下發高級別控制策略，一是發送信息給相關管理人員；二是遠端直接控制電池狀態，云端通過和終端的身份驗證，發送控制命令給電池管理系統，電池管理系統，確認命令后，切斷短路電路，發送報警，改變電池使用狀態，至此控制流程結束。

4 結束語

本文主要從電池系統，終端系統，云端系統的組合上對新能源電池安全的控制系統做了深入研究，通過理論研究結合實踐生產的形式將生產出更加安全的新能源電池，上述運行方式中的所有情況都需在控制流程中測試無誤，在運行到出產的電池產品中。隨著汽車保有量的持續增長，道路承載容量在許多城市已達到飽和，交通安全、出行效率、環境保護等問題日益突出。新能源電池作為新一代的能源，安全環保是至關重要的，所以做好新能源電池的安全保障是必不可少的。

云端作為能源信息化與工業化深度融合的重要領域，對促進汽車、能源、信息通信產業的融合和升級，及相關產業生態和價值鏈體系的重塑具有重要意義。當前，正處于物聯網發展關鍵時期，能源行業的安全及行業法律法規的完善是物聯網行業健康發展的保障。核心的技術和應用應是物聯網需要重點發展的技術和應用，而這些技術和應用細分下去是非常龐大的技術體系，因此需要許多電池廠商一起合作來共同打造這個網絡生態系統。本文以淺顯的網絡知識和新能源電池做了有機的結合，也符合當下及未來行業發展路線，5G時代的到來，基于云端的新能源電池安全問題將得到更好的解決。