電動汽車動力電池管理系統的設計與研究

紀文煜

摘 要：能源危機和生態危機產生的人類生存壓力越來越明顯，汽車產業受能源危機和生態危機的雙重影響，電動汽車的研發儼然是大趨勢。電動汽車的問世減少了環境污染，緩解了生態壓力，而其也減少了能源消耗，在解決能源枯竭問題方面有著積極意義。其研發與應用得益于其電池管理系統的設計優化，這也是新型能源汽車研發中的核心命題。本文主要就電動汽車所對應的電池管理系統進行設計方面的系統研究，以通過硬件與軟件的系優化設計，帶來電池管理系統的優化，帶來電動汽車研發的新革命，使得其性能逐步提升，助力新能源汽車產業的創新發展。

關鍵詞：電動汽車 動力電池 管理系統 設計分析

Design and Research of Power Battery Management System for Electric Vehicles

Ji Wenyu

Abstract：The pressure on human survival caused by the energy crisis and the ecological crisis is becoming more and more obvious. The automobile industry is affected by the dual impact of the energy crisis and the ecological crisis. The research and development of electric vehicles seems to be a general trend. The advent of electric vehicles has reduced environmental pollution and alleviated ecological pressure， and it has also reduced energy consumption， which has a positive significance in solving the problem of energy depletion. Its research and development and application benefit from the design optimization of its battery management system， which is also the core proposition in the research and development of new energy vehicles. This article mainly conducts system research on the design of the battery management system corresponding to electric vehicles， and optimizes the design through the system of hardware and software， which brings about the optimization of the battery management system， brings a new revolution in the research and development of electric vehicles， and makes its performance gradually improved， facilitating the innovative development of the new energy automobile industry.

Key words：electric vehicle， power battery， management system， design analysis

汽車產業是市場經濟中的一大主導產業，其快速發展的背后也引發人類關于生態性問題、能源利用問題的深刻思考，當前生態危機加劇，能源緊張的現實讓部分產業發展受限，而汽車產業首當其沖。鑒于傳統汽車產業發展的不足，研究新能源汽車成為備受矚目的課題，而電動汽車的問世無疑為汽車行業的轉型升級帶來曙光。對于電動汽車設計研發和性能發揮、來說，起核心作用的是電池，而其對應的系統設計是重中之重，電池作為其能量源泉，其系統則負責能量來源——電池運行情況的分析、數據的采集、故障的判斷、運動控制等，系統性能優劣對汽車安全性和功能性發揮的影響是直接而深刻的。

1 電動汽車動力電池工作原理

當前汽車的動力電池多對為金屬燃料，主要構成是鋁，基于其材料選擇和性能循環的優化考慮，電池負極為金屬材料，正極則采用泡沫石墨烯，其電解液主要成分是四氯化鋁，實現了充放電的有效循環，即使在常溫條件下也可以正常循環運作。其正極所對應的石墨烯材料屬于典型的層狀材料，其能有效容納陽離子，實現電解液內陰離子的容納，讓動力電池放電形成良性循環。

2 電動汽車電池管理系統設計的三大技術支持

2.1 參數檢測與分析

工作參數檢測是動力電池管理系統設計中首先要考慮的問題，工作參數檢測涵蓋多個方面，從工作電力到電壓再到電溫等，在這些工作參數檢測的過程中[1]，重點是進行單體電池的電壓具體數值的測量，進行電壓穩定性分析，以此明確電池工作狀態。荷電狀態的估算時，必須使用單體電池的電壓，以電壓數據為支持同步開展其他功能的數據計算。

2.2 SOC初始值估算

SOC算法主要是對電池SOC初始值計算，當前主要是卡爾曼濾波法。實驗數據是算法進行的保障，大量的數據分析中找到電池準確使用的關鍵性信息，在明確電池兩端溫度信息集電壓值的基礎上，進行SOC算法計算[2]，確保數值高準確度。初始值之所以為初始值主要是其扮演的是基礎輸入值的角色，在濾波方法的支持下，進行SOC數值的估算。算法中對應的計算公式需要進行線性化處理，基于誤差協方差矩陣，估算出具體的誤差范圍。

2.3 均衡控制設計研究

均衡控制技術被認為是動力電池管理系統性能發揮的主要技術支持，也是設計的重點與難點，其關系到電池性能的有效發揮，其主要起控制作用。一般來說的，單體電池性能最差的部分決定整體電池組的性能穩定性，類似于木桶效應。如果單體電池的使用狀態不同，會導致電容量降低，產生電池過防或者過充的問題，使得電池壽命嚴重縮短。因此均衡控制致力于電池使用壽命的提升，致力于其使用效率的提升[3]，致力于電池組中電池性能的均衡控制。均衡控制是設計難點，設計中的投入與關注必須到位。

3 動力電池的性能要求

3.1 安全性要求

電動汽車產業的創新發展對汽車的運行穩定性要求較高，其中安全性要求是處于第一位的。因此是動力電池管理系統設計研發的出發點，也是其設計的落腳點。要切實保證人身安全，鋰電池電池儲存的能量與安全性是反比關系，電池容量的增加對應的安全風險加大，常引發溫度超高或者過低、電池短路、漏液等系列問題。因此設計中安全的關注是重中之重。

3.2 高能量密度要求

動力電池具有高能量密度要求，而這一指標也是電池性能的主要評判指標，其又反映到電池的續航里程上。因此在動力電池管理系統的設計中必須追求高能量密度，這也是鋰電池的優勢所在，加上其體積小，質量輕，備受推崇。

3.3 高功率密度要求

高功率密度不同于高能量密度概念，其具體對應的是電池單位體積輸出的功率，其與能量密度沒有直接聯系，更側重電池倍率性能的反映與描述，表現為汽車的爬坡能力、加速效果等。

3.4 長壽命要求

在電池系統的設計與研究中也應基于成本因素和維護便利的考慮，盡可能地關注到動力電池的長壽命要求，減少對其壽命的不利影響因素[4]。電動汽車使用中其充放電次數的增加會導致電池的磨損，電池老化等，而在高溫等惡劣環境下，電池的使命壽命會大大縮短，這也是當前電動汽車日常推廣效果不理想的主要影響因素，需要在設計上不斷創新，突破，以希望有效地克服該問題。

3.5 成本合理控制要求

鑒于電動汽車普及推廣的要求，必須關注其成本合理控制問題。而動力電力管理系統的設計也能影響到成本的控制。對于純電動汽車來說，電池成本問題引發的熱議并不少，其甚至占到了汽車生產總成本的50%，因此在設計上追求成本的縮減且性能不變，是設計中的重要課題。

4 電池管理系統的框架設計研究

當前電動汽車電池管理系統設計中多采用分布式結構，其中處于底層的是動力電池信息基礎采集模塊，主要承擔電池工作參數檢測及電池使用狀態的信息反饋等任務。涉及到諸如電流、電壓及溫度的數據檢測與分析[5]。而上層主要是主控制器，主要負責對底層收集的數據進行集中性的處理，讓底層硬件與主控制器進行合理的通信，進行SOC的估算，輔助其與上位機的信息通訊等。

4.1 硬件設計研究

硬件電路設計研究是動力電池管理系統設計的一大主體。其對系統的整體性性能發揮影響明顯，其又細分為荷電狀態估算、電池均衡控制等多個具體方面，其設計成效對電池管理系統性能影響是顯而易見的，具體影響到電池管理系統的安全度、通信效率和放電控制效果等。本文的設計研究集中在中央控制單元設計、電池電壓電流采集設計、單體電池均衡控制設計、熱安全管理與上位機通信設計等幾個較為核心的部分。

4.1.1 中央控制單元設計

電池管理系統中中央控制單元設計如它的名字那樣，是起中央控制作用的。具體來說，涉及到電力參數的接收、電池溫度數據的接收等，并對這些接收到的信息進行有效的分析與處理，進行SOC的估算[6]，以明確電量是否有剩余及具體的剩余情況，及時發出運行命令進行控制，且輔助進行其與上位機的信息交流與共享。當前中央控制單元的發展趨于模塊化設計，整體電路系統較為復雜，以模塊化的設計帶來各項功能模塊的分工協作，也方便后續的維護與檢修。

4.1.2 電池電流與電壓采集電路設計

在中央控制設計之外，要重視電流、電壓采集，相應的電路設計必不可少，這也是電池SOC估算的參數保證。當前電動汽車產業化發展，其性能要求提高，對應的采集電路精度要求提高。多數電池組采用的是4節鋰電池的布局模式，單節電池電壓為3.2V，對應的電壓上限時3.65V，因為主控制器的A/D轉換通道接口能承受的最高電壓時3.3V，為保證單片轉換接口安全，精確度必須有保障，因此常選用CHV-25閉環霍爾傳感器，以進行電壓的有效測量。傳感器與電池組的正負兩端分別相連，采集到的數據進行轉換后實現信號到主控制器的傳輸，最后在上位機上顯示出來。在總電壓采集電路的設計中需要明確當前應用較為常見的電壓檢測方法，如電阻分壓、飛渡電容、運算放大器差分放大法等，電阻分壓更適用于單體電池的電壓采集，雖然其累積誤差無法避免，但其不利影響可以忽略不計。電流采集電路設計與電壓采集設計相似，其對應的電流傳感器型號為WCS275，以閉環磁補償電流原理為設計導向，具有較強的抗干擾能力，且輔助實現高精度的數據獲取。

4.1.3 熱管理電路設計

電池組長期在高溫環境下作業是不允許的，會降低電池性能，不利于其穩定供電，因此必須引入熱管理電路設計，以該控制系統減少或者規避高溫對電池組的負面影響。在外界溫度較低時，電池內部化學反應，產生一定熱量，以實現外界低溫壓力的緩解。而電池溫度較高時則啟動降溫措施，如電風扇降溫，使得溫度在合理范圍內。特別是其有預警與自動工作閾值設定，當溫度達到閾值限制，熱管理電器自動運作，進行電池組的降溫處理。

4.1.4 單體電池均衡電路

均衡電路設計的初衷是解決單體電池電壓不均衡的問題。若不均衡時，自動對電池組中超過設定閾值的電壓進行處理，實現過余電量的有效消耗，讓單體電池處于均衡狀態。要取得電路均衡控制的理想效果，往往需要進行分流電阻均衡電路器的開關控制設計，其也能帶來電路的設計簡化與高效運作。

4.2 軟件設計研究

對于電池管理系統設計來說，硬件設計之外，軟件設計也不能缺位與疏忽。軟件設計相較于硬件設計來說，設計的內容較少，主要集中在控制、電量檢測、上位機軟件設計三大方面。

4.2.1 軟件設計中的控制實現

在電池管理系統設計研究中，要讓軟件設計控制目標有效達成，主要是借助主模塊對采集模塊、電池組、SOC估算、故障記錄等模塊進行有效控制。其中進行電池組模塊的控制設計時需要對電動汽車運行狀態有著充分的認識，了解到其具體的運動速度，判斷電池的工作模式是否與系統預設的模式相一致[7]，在發現不一致后繼電器收到動作命令，使得電池組在合理的串并聯模式下有效運行。而其就故障記錄模塊的控制設計主要是利用軟件系統，將電池使用中可能出現的故障進行一一列舉，進行電流故障、高壓故障、低壓故障、高溫故障、低溫故障等不同故障類型的梳理，明確故障類型后找到其對應的硬件電路，進行指示燈的合理設置。若發現系統故障，可以借助鳴蜂器明確故障類型，讓故障指示燈顯示預警，做好單體電池的定位分析，并表現為文字標簽式的提示。控制模塊設計中也必須增加對故障類型的記錄設計功能，方便后期的維護查看等。充放電的控制模塊功能受充電機和負載電路的雙重控制，控制效果更理想。

4.2.2 軟件設計中的電量檢測

在軟件設計中也涉及到電量檢測的問題，電量檢測的算法設計要根據電池模型決定，常用的是三階等效模型，基于其高階特點及使用中可能產生的高斯白噪聲等，進行電量的檢測分析。電池狀態切換時會出現不同程度的噪聲，甚至有一定的震蕩現象，會在一定程度上影響到軟件設計中的電量檢測準確度，有明顯的誤差存在。在車輛運動中如果出現震動問題，也干擾到電池的電量檢測，因此要想解決這一問題，需要在設計上下功夫，可以將嵌入式及電池檢測濾波算法融入其中，進行濾波算法的合理擴展，在電池電量發生變化時實現隨機噪聲的濾除。

4.2.3 軟件設計中上位機軟件的設計關注

在汽車電池管理系統的設計中上位機軟件的設計也不容忽視，其作為電池管理系統的CAN通信節點，需要接收主控單元發送的電池組狀態信息，及時獲得報警信息提示等，其上位機的主板不具備CAN接口，其無法進行通信，因此需要將CAN接口卡與上位機已經有的通信接口轉化為CAN可通信接口，以USBCAN-II為例，其能將USB接口轉化為CAN接口，使其有效接入到電池管理系統CAN網絡系統中，其該接口具備二次開發函數庫的作用，能兼容多種開發環境。上位機軟件開發設計中應關注相應基礎功能的實現。如對電壓、溫度及總電壓等數據的實時顯示，進行SOC估算狀態及繼電器狀態顯示等[8]。如故障報警分析，一般紅燈對應有故障且故障為一級，黃燈表示有故障且故障等級為二級，綠燈表示無故障存在。如下位機發送電池生產的相關信息，發送電池管理系統自身運作產生的諸多信息等，下位機接收到這些信息后及時將其存儲在相應的存儲空間中。這些電池組運行的歷史數據將為電池組的后續維護檢修提供指導與參考。設計完成配合電池管理系統的精度測試，進行上位機記錄的數據和高精度萬用表測量數據的綜合分析，對比研究，在反復試驗后確保其誤差范圍合理，確保其高采集精度。

5 結語

積極做好電動汽車動力電池管理系統的優化設計關系到電池的使用壽命，關系到電動汽車運行安全性等，也關系到生態環境，關系到能源保護，需要引起足夠的關注。而新能源、純電動汽車的研發趨勢更明顯，這離不開專業的創新的硬件設計和軟件設計，只有深入該課題的研究與探討，指導專業的設計，讓設計到位，電池管理系統性能發揮更穩定，電池產業的發展前景也將更廣闊。在電動汽車電池管理系統的創新研究上，依然是任重而道遠，需要我們持續的研究關注與不斷的研究投入。

參考文獻：

[1]劉亞運.鋰離子電池SOC估計與電池組均衡技術研究[D].安徽理工大學，2019.

[2]李欣陽.基于STM32的分體式BMS主控單元設計[D].青島大學，2019.

[3]張寶利.基于功能安全的電動汽車電池管理系統架構設計[D].北京交通大學，2019.

[4]翁志福.新能源汽車動力電池管理系統研究[D].西南交通大學，2019.

[5]方揚帆.電動汽車動力電池管理系統檢測平臺研究[D].中國計量大學，2019.

[6]何忠霖.純電動車鋰離子動力電池組SOC估算及熱管理系統設計[D].西華大學，2019.

[7]王正義.電動汽車動力電池組均衡管理策略研究及系統設計[D].蘇州大學，2019.

[8]李仁政.基于平板熱管的電動汽車動力電池液冷式熱管理系統散熱性能研究[D].江蘇大學，2019.