電動汽車單體電池信息采集及故障診斷系統

王曉敏，劉亞萍

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

由于我國對于環境問題的重視，以及全球的能源危機越來越嚴重，因此，發展節能減排的電動汽車刻不容緩，這是我國對于可持續發展戰略做出的重要措施。大量的數據表明，我國普通的汽車尾氣是造成環境污染的主要原因之一，也是大城市持續霧霾天氣的主要原因。隨著我國機動車數量的逐漸增加，機動車污染物總量也在與日俱增。我國大部分城市嚴重霧霾的天數也呈現出明顯的增加趨勢，不僅會造成嚴重的陸地和空中的交通擁堵，還會對人類的身體健康造成嚴重的危害。由于我國整體經濟水平的提升，人們對于自己所生活的環境要求也越來越高。電動汽車的最大特點就是“零排放”尾氣，而且，對于電動汽車的充電問題，還可以利用電網晚間的價錢比較低的“谷電”進行充電，這樣對于電網的調峰填谷也大有益處，達到蓄能效果，兩全其美。本文的主要研究目標是電池組功能的安全，對于動力電池產生的故障及機理以及單體電池信息采集系統故障檢測的原理進行了具體的分析。對于出現問題的系統及充放電系統進行了設置，并且還對其充放電情況進行了模擬，對電池信息的采集系統問題進行了大量的研究與驗證。基于此研究基礎，設計了一個單體電池信息采集系統以及發生問題模擬注入系統的故障檢測模擬平臺，并且以SAEJ1939平臺的設計作為基礎為兩者之間做了一個CAN的協定。這個平臺對于電池信息的充放電以及故障的模擬還進行了監控模式，這樣可以對整個過程進行監控和驗證。

我國對于電動汽車的發展高度重視，并且各地政府也相繼制定了一系列的政策。然而，如果要實現電動汽車的大規模普及，還有很長的一段路要走，還有很多的問題需要我們去解決。包括很多發達國家的政府和大部分的著名汽車制造商以及研究機構都在致力于電動汽車相關技術的研究與開發及其應用，力圖使其成為新時代汽車產業發展的主流。對于電池系統進行相關的管理控制，是目前對于電動汽車所實施的主要因素之一，并且這一問題已經得到了比較好的解決，很多國外的汽車制造商都紛紛推出了自己的電動車系列，一個蓬勃發展的電動汽車市場正在興起。

截至目前，我們可以預測到，電動汽車將是未來汽車產業的發展方向。而目前整個電動汽車系統比較龐大且價格偏高。對于整個系統而言，對電動汽車電池管理系統的增加刻不容緩。電動汽車的主要核心技術就是將能量進行互相的轉換，而現在的主要問題是對于電池技術的突破與創新以及對于電池管理方面需要一個大的提升。因為路況、工藝以及線束方面的原因，電動汽車比較薄弱的環節主要是動力電池組，這也是發生危險的重中之重。

1 單體電池信息采集系統設計

純電動汽車的三大核心部件是電池、電控和電機。因此，我們為了實現節能環保的目標，既需要對它們進行緊密的連接，也需要各自進行優化升級。純電動汽車需要更長的電池壽命、更高的穩定性和更可靠的故障報警，這對鋰電池控制器管理這些電池組提出了很高的要求。其中單電池信息采集系統是LBC的核心功能。

1.1 單體電池信息采集系統的結構分析

根據電池組的分組結構，鋰離子電池的控制器有兩種類型，一種是分布式，一種是集中式。其中依靠主控模塊以及多個測控模塊的是分布式控制系統，這個系統適合于電池組分布區域比較多的環境。集中式主要是對于電池組的一體化的結構，這可以實現其對溫度、電壓之間的測量與管控。這一結構可以很好地限制其采集線束的長路途的連接，具有成本低、集成度高、穩定性好的優點，適合電池空間相對集中的環境。

在純電動汽車發展之初，有很大一部分的汽車廠商都在對之前傳統的汽車結構進行改裝。但是因為動力電池組的質量和體積很龐大，而且由于整個車的平衡以及其穩定性能要求，電池組分為兩個，所放的位置也不同，一個放置在座位下側，另外一個放置于后備箱中。以電池組的設計為基礎，鋰離子電池的控制器還需要將電池組的結構分為單體信息采集模塊和分散式設計模塊。

總的來說，集成的電池組結構可以提高車輛的安全性和穩定性。本篇文章對于電動汽車的單體電池信息采集系統是在電池組集成的基礎之上，使用集成式的結構設計。

1.2 單體電池信息采集系統的功能分析

限制電動汽車的發展以及對其宣傳力度進行約束的主要原因是其電池技術。因為盡管其里面攜帶的鋰離子電池含有密度比較高的能量，使其成為電動汽車的理想電源，但是使用鋰離子電池的成本較高。在電動汽車的推行之中，其中電池組的費用大概占其的一半以上。因此，我們必須采取相關的措施對于電池的成本進行嚴格的管控，達到電池組使用時間延長的目的，從而使得電動汽車的總成本得到一定的降低。除此以外，鋰離子電池的功能比較強大，比如對于車輛的安全實施以及對于其充放電的優化都有一定的影響作用。鋰離子電池的首要任務就是需要保障動力電池組能夠有效且可靠的運行下去。

依據以上研究內容可知，鋰離子電池控制器的功能如：對單體的電池信息進行采集和處理；并且能夠對其各個參數進行匯總和處理記錄；根據其實時匯報的信息情況可以充分的保障其充放電，對電池組的管理情況有了進一步的成效。不要對其充電或者放電的時間過長，否則會造成不可逆的損害；依據對于已知的電池溫度信息，對其溫度進行調節，并使電池組的溫度一直處于離子的活性高的處境之中。

1.3 單體電池信息采集的優勢與缺點

目前，新能源汽車的主要問題就在于電池技術的提升。雖然電池的比能量普遍較高，同時對于環境的污染很小，但是電池的穩定性和安全性還有待提升。增加單體電池信息采集系統能夠時刻檢測電動汽車電池的狀態。使用者可以根據信息采集得到的數據對電池采取不同的保護措施。由于鋰電池的效率會受溫度的影響，所以使用者可以根據信息采集提供的數據采取一定的措施使電池始終處于一個高效率的狀態。這樣電池的使用壽命可以增加，同時因電池高溫導致起火的現象也會得到改善。另外，單體電池信息采集能夠及時發現電池的故障，有助于電池的維修與保養工作的進行。

部分單體電池信息采集系統存在布線復雜、故障率高、成本較高以及安全性較差等問題。布線復雜是為了更好的檢測電池組的各項數據，然而故障頻發、安全性差都與布線的復雜程度有很大關系。如何在確保數據監測準確性的前提之下減少布線的復雜程度，提升穩定性是當前單體電池信息采集系統發展面臨的重要問題。單體電池信息采集系統的成本高將會導致電動汽車的生產成本提高，然而如果產品超出了大部分使用者的消費能力，那么其銷售量將會下降。電動汽車的推廣也會遇到困難。

2 單體電池信息采集系統故障診斷

電動汽車的安全性至關重要。蓄電池系統不僅為車輛提供電源，也可能成為其嚴重的安全隱患，因此需要考慮蓄電池系統的安全性。電池故障診斷的前提是鋰離子單體電池狀態信息的采集。根據采集到的狀態信息，進行故障預警和故障處理。在該系統中，單體電壓采集、電池均衡、總電壓的采集以及對于電池溫度方面的設定都是以單體的電壓系統作為基礎的，也就是說單體電池的信息采集系統是故障診斷的主要內容。

對于故障問題進行檢測和維修這一功能不僅要靠理論還要靠實踐以及信息和其他技術相結合。其主要技術手段是以現代的測試儀器和計算機為主，然后綜合其檢測對象的規律性，逐漸的對其形成一種比較新的學科。故障診斷方法是在現代工業化進程中逐步發展和完善的。早在上世紀中葉，歐美等國家就在航空航天、重型機械等相關領域建立了故障預防機制。隨著故障診斷技術帶來的經濟效益越來越明顯，在汽車等安全、精密行業故障診斷技術也得到了重視和發展。

汽車的主要問題是指汽車的少許部件或者全部部件已經完全不能正常工作的一個問題。對車輛進行維修檢測是指對于汽車不進行零部件的拆卸，通過技術手段對汽車進行檢測、分析和判斷，從而找出汽車出現問題的根源，找出解決的辦法。對于汽車維修情況主要是對其維修原理、理論研究以及方法方面進行分析思考的一個過程。其中包括車輛物理方面的診斷、數學方面的診斷檢測以及其他學科的重要診斷技術。對于汽車的故障一般情況下將其分為兩個方面：一個是對于汽車的電氣方面進行維修，另外一個是對于汽車的機械方面進行維修。這兩個方面都有其理論研究的方法。由于我國經濟的迅速發展，現代汽車行業也得到了很快的發展，因此為了方便其維修工作，對于汽車的控制方面，需要對其診斷的功能進行系統的研究，比如車載的診斷功能。這個功能可以自動診斷出發生故障的原因，并且可以將這一故障的數據放于儲存器中儲存起來，然后采用專門的檢修儀器，這樣可以極為方便的對系統的工作狀態以及需要維修的部位做出檢測并給出結果。

對于電動汽車的故障進行維修與檢測是一項比較綜合性的技術工作，它主要是依靠其理論性以及系統性為基礎的，其主要的技術方式是現代的測試方案。綜合考慮研究的對象以及其發展的性能規律，從而形成的一個比較新型的學科。對于電動汽車故障診斷方案在我國目前的研究領域中正在逐步的發展中。目前，我國對于電動汽車故障的預防效果越來越好，所帶來的經濟情況日益明顯，這種診斷方式在汽車的安全以及精密領域都得到了高度的重視與發展。

3 單體電池信息采集系統故障診斷種類及分析

3.1 診斷的技術

由于我國近幾年在互聯網、計算機以及人工智能方面的技術都得到了空前的發展，電動汽車存在的技術問題也在不斷地被改善。依照德國F教授所說，對于其故障診斷的方法可以被分為三種：解析模型法、信號處理法、知識推理法。目前，由于我國在這方面的理論研究和相關研究領域的深入，很多新的研究方法也應運而生，先前的很多診斷法已經不能得到良好的診斷了。因此，本篇文章結合相關的文獻綜述對診斷的方法重新進行了分類：定性與定量的分析法。

3.2 對于電動汽車故障的分類

電動汽車出現故障性的問題分為部分故障和完全故障。部分故障是指汽車某部分零件損壞，導致其不能進行工作；完全故障是指汽車已經完全不能進行工作。對于汽車的診斷指：不拆開其零件的情況下，采用相關的儀器以及技術方法對汽車的狀況以及其故障的原因進行簡單的維修與判斷操作。由于我國汽車行業發展的比較迅速，因此為了方便人們進行維修，一般汽車上面的控制器之中，都會有自動進行故障檢測的功能。這個功能可以自行的進行故障檢測，然后將故障代碼輸入其零件之中，再采用相關的儀器進行測試，就可以比較方便的對系統的狀態以及發生故障的部位進行檢測。

3.3 電動汽車單體電池信息采集對其故障的分析

故障的分析分為兩種，一種是定性的分析，一種是定量的分析。從定性的分析考慮，主要是對電動汽車單體電池信息的采集系統之中產生的故障機理進行分析研究，然后以系統故障狀態為起點，依次進行分析，分析故障產生的原因，然后依據其失效的模式進行分析，設計出與故障相關的措施。

根據市場上對于電池管理系統、鋰離子電池的控制器在運行過程中所出現的問題，本篇文章對于單體電池信息采集系統的主要故障進行了相關的分析。動力電池的故障機理有兩個原因：分別與單體電池和電池組有關。單體電池發生危害的主要原因是由于鋰離子電池在使用的過程之中，會發生損傷，比較嚴重的情況下會發生爆炸危害。電池組的原因是，電動汽車的電池組是很多的單體電池進行串聯而組成的，所以只要單體電池之間的充電和放電不一樣，那么就會導致電池組之間會發生不一致的現象，所以為了阻止電池之間發生過量的充電放電或者少量的充電放電等情況，系統需要設置一個參數范圍，防止這種現象的發生。

4 結束語

本文在研究電動汽車功能安全和鋰離子電池信息采集系統的基礎上，對電動汽車電池信息采集系統的功能需求、故障產生機理、故障診斷原理和故障測試方法進行了深入的分析和研究。為了提高鋰離子電池控制器的工作可靠性和功能安全性，我們采用了世界上最高安全級別的單體電池電壓采集方案。在電池組的溫度檢測和總電壓檢測方面，采用了一種新的解決方案，這樣對于我國電動汽車硬件設施的利用得到很大提升，并且還有助于成本的降低。