新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)研究

吳丹

摘 要：隨著生態(tài)文明思想的確立，我國進一步增強了對新能源的開發(fā)與管理，由此推動了新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展。由于新能源汽車動力電池研發(fā)設(shè)計方面的成本投入較大，動力電池本身的續(xù)航里程較短，阻礙了新能源汽車向高質(zhì)量方向的轉(zhuǎn)型升級，因而在新時期動力電池生產(chǎn)制造企業(yè)紛紛增強了動力電池管理系統(tǒng)開發(fā)工作。本文以此為背景，概述了新能源動力電池的工作原理，剖析了與其設(shè)計及使用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。并以此為基礎(chǔ)，分別從方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計三個方面對其管理系統(tǒng)設(shè)計進行了具體討論。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池 管理系統(tǒng)

Research on New Energy Vehicle Power Battery Management System

Wu Dan

Abstract：With the establishment of the idea of ??ecological civilization， China has further strengthened the development and management of new energy， thus promoting the rapid development of the new energy vehicle industry. Due to the large cost investment in R&D and design of power battery for new energy vehicles， and the short cruising range of the power battery itself， the transformation and upgrading of new energy vehicles to high quality have been hindered. Therefore， in the new era， power battery manufacturers have increased their power battery management system development work. Based on this background， this paper summarizes the working principle of the new energy power battery， and analyzes the key technologies related to its design and use. Based on this， the design of its management system is discussed in detail from three aspects： scheme design， hardware design and software design.

Key words：new energy vehicle， power battery， management system

從2012年我國國務(wù)院辦公廳頒布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》至去年發(fā)布的符合《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》企業(yè)名單位（第二批）看，我國動力電池的回收利用管理政策相對健全。為新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計提供了較好的政策支持。根據(jù)新能源汽車動力電池發(fā)展情況看，我國去年上半年新能源汽車銷售總量累計達到了120.7萬輛。同比增長201.4%，滲透率已經(jīng)超過了12.8%。新能源汽車動力電池裝車輛因累計52.5GW·h，其中，磷酸鐵鋰電池與三元電池的裝車輛分別為22.3GW·h、30.2GW·h，同比增長42.3%、139.1%。因此，在高質(zhì)量發(fā)展階段，十分有必要結(jié)合其發(fā)展趨勢，增強新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)研發(fā)。下面先對其工作原理做出說明。

1 新能源汽車動力電池工作原理概述

從構(gòu)成要素看，新能源汽車動力電池中以金屬燃料為主，當(dāng)使用金屬鋁時充電與放電之間的循環(huán)較難完成。現(xiàn)階段應(yīng)用了石墨烯材料，它不僅具有與鋰離子相似的功能，而且能夠透過該材料的層狀結(jié)構(gòu)達到對陰離子與陽離子的較好容納。從工作原理上看，主要是在動力電池的正極選擇泡沫石墨烯材料，在其負極正常應(yīng)用四氯化鋁金屬材料。當(dāng)電解液為負極陰離子時，能夠于常溫條件下，保障充放電的可逆性，從而實現(xiàn)充電與放電之間的高效循環(huán)，最終保障整個動力電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

2 新能源汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)分析

在新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計及使用過程中，牽涉到多項技術(shù)。由于常規(guī)的系統(tǒng)設(shè)計及使用時主要按照模塊化處理方案，分設(shè)各個管理模塊，因此，在檢測模塊、估算模塊、均衡模塊相對重要的情況下，其中比較關(guān)鍵的技術(shù)也集中到了工作參數(shù)檢測、SOC算法、均衡控制等方面。分述如下：

2.1 工作參數(shù)檢測

在動力電池管理系統(tǒng)運行時，需要設(shè)置多項參數(shù)保障系統(tǒng)正常工作。其中，主要包括：（1）電池電壓;（2）工作電流;（3）溫度等。通常在對此類工作參數(shù)進行具體檢測時，往往集中在數(shù)據(jù)采集與分析方面，旨在借助數(shù)據(jù)管理達到對其所處狀態(tài)的預(yù)判目的。例如，在對上述工作參數(shù)進行測量時，需要先完成對單體電池電壓測量數(shù)據(jù)的采集，再通過對該數(shù)據(jù)的分析，預(yù)判動力電池所處的工作狀態(tài)。再如，在荷電狀態(tài)估算方面，只有對單體電池使用時的電壓數(shù)據(jù)進行精準采集與有效分析，才能為其估算提供必要條件。

2.2 SOC算法

對動力電池SOC初始值進行計算時，一般會借助靜態(tài)學(xué)習(xí)方式選擇殘余電量計算方法（靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余功率算法），動態(tài)電流測量方法，以及在SOC算法方面選擇擴展卡爾曼濾波法。實踐經(jīng)驗表明，應(yīng)用靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余功率算法計算SOC初始值時，需要積累大量的實驗數(shù)據(jù)才能得到相對精準的電池使用信息。同時，要求計算人員對電池電壓值與電池兩端溫度信息進行有效控制與關(guān)聯(lián)使用。由于運算時使用的公式屬于非線性方程，因而在使用擴展卡爾曼濾波算法的實踐過程中，計算人員還需要對其進行線性化處理并結(jié)合估算值與誤差協(xié)方差矩陣完成對誤差范圍的估算，從而達到對SOC估算值的校準。

2.3 均衡控制

在新能源動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計時，均衡控制一直是難點中的難點，當(dāng)均衡控制策略失當(dāng)時，不僅不能達到預(yù)期的系統(tǒng)管理目標，也會使管理系統(tǒng)性發(fā)揮偏差，出現(xiàn)管理漏洞。從整體電池組性能的使用情況看，與“木桶短板原理”十分相似，整體性能的優(yōu)良與否，由最差的單體電池性能部分決定。因而，當(dāng)單體電池性能使用時的狀態(tài)出現(xiàn)不一致的情況時，會引發(fā)過度充放現(xiàn)象，從而降低整體電池組的使用性能，減少其使用壽命。從此類系統(tǒng)設(shè)計中的均衡控制經(jīng)驗看，需要將控制重點放在整體電池組上。

3 新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

目前，我國新能源汽車動力電池種類相對較多，主要包括：（1）三元電池;（2）磷酸鐵鋰電池;（3）鋰離子電池;（4）鉛酸電池;（5）鎳氫電池等，裝車中的動力電池多由單體電池串聯(lián)組合而成。隨著電池使用時間的延長，單體電池與單體電池之間會形成一定的容量，并且，在電壓與溫度等方面發(fā)生較大差異，當(dāng)其高于標準范圍之后會對電池使用性能與壽命產(chǎn)生直接影響。所以，在此類動力電池管理系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計過程中，需要對單體電池的工作參數(shù)進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果合理控制工作參數(shù)等。本次研究中主要根據(jù)這種實際需求，構(gòu)建了以單體電池、單片機核心電路、充放電控制、CAN-BUS為主要組成部分的系統(tǒng)架構(gòu)，具體如下圖1所示：

其中，工作參數(shù)檢測主要集中在對單體電池1、單體電池2、……、單體電池n的溫度檢測與電壓檢測，以及充放電時的電流變化檢測方面。并以檢測獲取的工作參數(shù)為依據(jù)，對整體電池組中的SOC荷電進行估算，從而對剩余電量做出精準計算。同時，通過動力電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)信息庫，可以對工作狀態(tài)實施有效控制。尤其在傳輸電池狀態(tài)方面通過對CAN-BUS的運用，能夠?qū)恿﹄姵貑纹瑱C控制單元中的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)剑囕v總控單元、電機控制單元，保障各單元之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)。

3.2 硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計方面，考慮到動力電池管理系統(tǒng)物理層面的實際需求，設(shè)置了檢測電路、采集電路、轉(zhuǎn)換電路。其中檢測電路又與電量估算、管理方式進行同步設(shè)置。分述如下：

3.2.1 檢測電路

首先，在檢測電路方面，控制芯片選擇了常用且容易進行編程操作的單片機，從而借助“通信電路+充放電電路”構(gòu)成檢測電路控制系統(tǒng)。考慮到整體電池組電壓在上百伏特以上的因素，能夠借助電阻分壓辦法，在該檢測電路控制系統(tǒng)下完成對單體電池電壓的檢測。

其次，在該系統(tǒng)估算剩余電荷量方面，選擇了電流時間積分法。為了保障該方法獲得有效運用，需要滿足電流充放電數(shù)值的實時監(jiān)測與檢驗?zāi)繕恕ｋ娏鲾?shù)據(jù)采集工作流程如下：（1）確定采集電阻;（2）轉(zhuǎn)換充放電電流;（3）獲得電壓數(shù)據(jù);（4）數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)接口。由于電流采集時電池組存在一定的風(fēng)險，因而在保障其安全方面，應(yīng)對單體電池實時溫度進行監(jiān)測與檢驗，本次研究中配置了電池溫度傳感器，將其直接安裝在單體電池表面，以此達到對實時溫度的有效監(jiān)測。具體連接方面，主要通過數(shù)據(jù)線，將傳感器單線接口與微處理器連接起來，并保障雙向通訊功能的暢通。考慮到從零下70℃～140℃之間電阻值隨溫度升高而增加的基本情況后，選擇了Pt100溫度傳感器。反復(fù)實驗后的溫度與電阻值對照表如下表1所示。

第三，在整體電池組的管理形式選擇方面，根據(jù)預(yù)設(shè)的設(shè)計方案選擇了分布式形式，根據(jù)主從分布的結(jié)構(gòu)形式對各類工作參數(shù)進行檢測、SOC值估算、過度充放電現(xiàn)象控制等。具體設(shè)置方面：（1）主要是將整車通信系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、上位機串口、CAN接口等全部連接到控制板模塊。（2）將主控板模塊獨立功能、采集板模塊獨立功能關(guān)聯(lián)起來，這樣能夠在主從分布管理方案下，通過采集板模塊完成單體電池工作參數(shù)檢測，同時利用主控制板模塊完成電流采集、數(shù)據(jù)分析、SOC估算。（3）在二者聯(lián)合功能下，借助對CAN網(wǎng)絡(luò)的運用，使動力電池控制模塊、主控板模塊、上位機通信模塊實現(xiàn)全面連接。并形成以“電池組—傳感器—采集板模塊—主控板模塊—上位機通信模塊—人機交互界面模塊”為基本環(huán)節(jié)的主從分布管理方案。

3.2.2 采集電路

在采集電路方面重點要預(yù)防外部環(huán)境產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，本次研究中考慮到隔離方案下采集電路的復(fù)雜性問題，結(jié)合實際情況選擇了CHB-200SF霍爾電流傳感器，用于對系統(tǒng)電流的集中采集。具體設(shè)計中，主要結(jié)合“電磁感應(yīng)”原理，在電流傳感器內(nèi)部穿過電源線，從而得到電流值。

3.2.3 轉(zhuǎn)換電路

動力電池組設(shè)置后要求配置配套的輔助電源，通常使用此類電源時的電壓以12V為主。為了保障該電壓能夠順利轉(zhuǎn)換到不同的供電模塊，本次研究中首先設(shè)置了工作時供電電壓為5V的MCU芯片、3.3V/5V的隔離芯片，以及保障電壓獲得時的轉(zhuǎn)換芯片。其中，轉(zhuǎn)換芯片共分為三類：（1）TPS73233低壓穩(wěn)定芯片滿足隔離芯片轉(zhuǎn)換需求;（2）LM2596穩(wěn)壓芯片滿足MCU芯片轉(zhuǎn)換需求;（3）LM2574穩(wěn)壓芯片滿足電流采集電路供電電壓需求（±12V）。

3.3 軟件設(shè)計

在控制策略方面，本次研究中設(shè)計的系統(tǒng)，以主從分布控制為主，除主控制模塊外，其余的分控制模塊包括：（1）采集模塊;（2）電池組模塊;（3）故障記錄模塊;（4）充放電控制模塊;（5）SOC算法模塊;（6）人機交互模塊等。在該方案下主要是通過主控制模塊控制（1）～（6）中的模塊。

以電池組模塊控制為例，控制時的重點放在新能源電動汽車動態(tài)狀態(tài)，與電池管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)模式的一致性判斷方面，其中的核心集中在汽車運動速度上。當(dāng)預(yù)判結(jié)果顯示為不一致時，則可以通過管理繼電器發(fā)出的動作，合理的將電池組控制在串并聯(lián)模式下使其處于安全運行狀態(tài)。具體設(shè)計時采用Code Warrior v8.3軟件，不僅滿足語言編譯，也能夠?qū)Υa錯誤進行自動識別，提高編程效率。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程主要包括如下步驟：新建工程—代碼編寫（系統(tǒng)程序初始化、主程序、中斷程序、各子程序）—編譯（自動識別錯誤代碼后返回）—下載到目標板—程序運行—調(diào)試（不滿足要求時返回代碼編寫）—軟件設(shè)計完成。由于每個具體模塊采用了一體化封裝，因而在具體的程序編寫時，可以借助該軟件中的數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能、PWM輸出功能、Capture計數(shù)功能等，使軟件系統(tǒng)獲得簡化，進而提高軟件系統(tǒng)設(shè)計效率，并在節(jié)省編程時間的情況下，保障編程質(zhì)量。Code Warrior v8.3軟件開發(fā)環(huán)境如下圖2所示。

4 結(jié)語

總之，新能源汽車中的動力電池管理系統(tǒng)，在車輛能源供給、安全使用、高效運行等方面，均發(fā)揮著重大作用，為了化解續(xù)航里程短、研發(fā)成本高的實際問題，在新時期應(yīng)充分結(jié)合高質(zhì)量發(fā)展需求，增強對該系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計能力。通過以上初步分析可以看出，在實踐過程中，一方面應(yīng)結(jié)合新材料、新技術(shù)、新方法，科學(xué)合理的構(gòu)建與有利于解決上述問題，提高新能源汽車動力電池使用效用的設(shè)計方案。另一方面則需要根據(jù)現(xiàn)階段實踐中已經(jīng)確立的標準研究程序，從工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、方案研發(fā)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等環(huán)節(jié)，開展具體實踐，從而提高此類管理系統(tǒng)的研發(fā)效率與設(shè)計水平。

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