一種汽車鋰電池監控系統的設計與實現*

徐海銘，黃 鵬，張潤樾

（廣東財貿職業學院，廣東 清遠 511510）

0 引言

據統計2014 年至2019 年間，我國新能源汽車銷量從34 萬快速提升到2019 年的124 萬，2021 年更是達到289 萬，新能源汽車應用勢不可擋。與此同時，電池包的比能也在政策的驅動下，由2015 年的100（W·h）/kg提高到2020 年的250（W·h）/kg。除了銷量、比能的提升，另一個引人關注的是新能源汽車的自然事件，從2019 年4.21 號特斯拉自燃事件開始，整個行業進入了高頻的起火接力，一輛接一輛，汽車鋰電池自燃已經成為新能源汽車普及應用的一個瓶頸。為此業內對鋰電池的監控研究一直不停歇[1-4]，這些都為研究提供了較好的參考，這些研究雖然能較好解決問題，但是多數實現復雜、成本較高。本文從實際出發結合物聯網，提出一種低成本、簡潔監控汽車鋰電池監控系統，為相關研究拋磚引玉。通過基于CAN 總線的硬件及JavaScript 語言的軟件，系統實現了對電池鋰電池的各項指標監控，及時防控汽車鋰電池使用過程帶來的風險，系統基于MCP2510CAN 的CAN總線具有通信穩定性強、能耗低的特點，基于JavaScript的后臺數據監控直觀且豐富，符合當前新能源汽車對電池監控的總體需求，在實際工作中起到較好的輔助作用。

1 系統總體設計

該系統一是通過TBOX 檢測鋰電池在使用過程中的實時情況，同時輔之攝像頭對電池進行實時監控；二是采用非耗散式的集中均衡管理電路，將電池狀態通過CAN 總線傳輸到處理器，動態調節電池充電時的電流與電壓，當電池出現熱失控時，將利用CAN 總線網絡，實現過熱自動斷電，對電池進行保護。最終將數據通過軟件進行計算、匯總、分析。

軟件上，系統實現基于物聯網、移動電話App 的電池實時數據獲取。系統設計了實時監控后臺數據檢測子系統，通過實時監控進行對電池的保護，遠程控制電池的開啟與關閉。同時，利用“電+熱”耦合特征和BMS系統和物聯網技術對其進行實時監測，如果發現電池狀態存在短路現象時，及時通過V2X 數據鏈上傳到云計算服務器，向用戶及時反饋并切斷電池供電，實現實時保護。系統整體實現架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構

2 硬件設計

將電池作為數據處理目標，通過CAN 總線交換數據給檢測單元，對數據進行處理分析。利用BMS 電池系統獲取的數據，將異常數據通過TBOX 系統傳輸到移動電話終端，并通過遠程控制，實現一鍵切斷。采取嵌入式系統將BMS和TBOX 整合信號傳輸距離、加快傳輸效率。用LTE和WIFI6混合網絡模式傳輸數據。

系統主要分為電池檢測傳感器模塊、電池模組電路模塊和電池修復電路模塊。電池檢測傳感器模塊對電池模組監測，并通過CAN 總線將數據傳輸給控制器，通過控制器對數據進行閾值設置，控制器將處于異常狀況下（閾值以外）的數據打包處理后通過V2X 通訊模塊上報給云服務器，云服務器則分析后通過V2X 通訊模塊反饋預處理計劃指令到控制器和/或發送通知到車主。系統的整體模塊詳細功能如表1所示。

表1 系統整體模塊

2.1 電池檢測傳感器模塊

電池檢測傳感器模塊包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，電流傳感器采用霍爾電流傳感器，電壓傳感器采用霍爾電壓流傳感器，溫度傳感器采用熱電偶[5-7]。系統將電池進行分組數據采集，采用CHV-25P/50、CHV-25P/600 霍爾電壓傳感器測量電池組輸出電壓和整體電壓，采用CHB-200SE測量電池電流。同時CAN控制器采用具備獨立SPI 接口、包含多發送/接收緩沖器的MCP2510CAN，收發器采用82C250。這種設計成本低廉，并在實際應用中具有數據傳輸快、功耗低、抗干擾能力強的特點。

2.2 電池模組電路模塊

電池模組采用非耗散式的集中均衡管理電路，以確保充電時各個電池的充電狀態保持基本一致，其將電池狀態通過CAN 總線傳輸到控制器，動態調節電池充電時的電流與電壓，避免出現單一電池出現過充情況延長電池的使用壽命。

2.3 電池修復電路模塊

基于車載嵌入式ARM 處理器控制器控制連接電池修復電路模塊[8]，電池修復電路模塊則電氣連接電池模組。控制器可通過CAN 總線下傳指令到電池修復電路模塊，讓系統自主的修復電流電壓異常的電池模組，實現電池組性能的相對平穩，減緩電池組老化速度，減少因電池性能下降導致電池短路、電池熱失控的現象發生。此處，電池修復電路模塊可以采用脈沖修復法，也可以采用強電修復法。具體流程如圖2所示。

圖2 車用鋰電池檢測與保護流程

3 軟件設計

軟件設計主要采用JavaScript 語言，包括車輛信息描述、車輛BMS 系統檢測、個人信息頁面、后臺管理頁面。車輛信息描述以展示車輛的基本信息為主，包括車型、參數、使用年限及電池型號等，該頁面提供的用戶交互可以為遠端控制配置相應的告警參數閾值；車輛BMS 系統檢測則實現檢測并顯示車內溫度、車內濕度、電池溫度、電池容量、電池電壓、電機電壓等基本參數，并實現監控啟動與關閉功能；后臺監控系統提供系統管理設備和數據，同時分析數據，同步進行過熱斷電保護控制。后臺監控系統界面如圖3所示。

圖3 后臺監控界面

系統的V2X 模塊能夠根據PUEs 和VUEs 的偏好列表（preference lists）以一種雙方都滿意的方式進行用戶配對，實現PUEs 和VUEs 之間的穩定匹配。實驗表明這種方式能夠顯著提高V2X 通信網絡的整體信息量和PUEs通信的頻譜利用率。

系統將自適應算法加入到EKF 算法[9]中，建立基于AEKF 算法[10]的SOC 狀態空間方程，利用MATLAB 編寫SOC 估算程序，并采用不同工況來驗證AEKF 算法估算SOC 的精度及算法收斂性，接入CAN 總線，多線程傳輸數據。同時，系統進行不同溫度下的HPPC 脈沖試驗，利用多元線性回歸原理對模型參數識別，獲得各參數與溫度、濕度、電流、電壓的數據關系，搭建電池仿真模型，采用不同工況對模型精度驗證。

最后軟件實現電池信息的遠程監控與顯示。基于物聯網和自軟件搭建監控中心界面，在MATLAB 環境下編譯基于AEKF 算法的SOC 估算程序，通過DDE 技術[11]實現軟件與MATLAB 的數據和CAN 的通訊，完成電池SOC 的遠程監控。

移動電話客戶端軟件提供鋰電池檢測到的所有信息及相關操作，點擊車輛BMS 系統按鈕，如車內溫度、車內濕度、電池溫度、電池容量、電池電壓、電機電壓等，可以實時檢測到此頁面的所有數據，提供電池監控系統開啟與關閉功能，將電池上傳感器獲取數據實時展示，讓用戶了解電池當前的健康狀況和電池的狀態。系統開發界面如圖4所示。

圖4 移動電話客戶端開發界面

CAN 控制器在總線只能在空閑中啟動發送，每次只發送一位，如若出現數據出錯，系統將發送出錯標志。系統采用擴展幀通信[12]，其具備28 位數據位，在屏蔽寄存器和驗收濾波寄存器中可以通過參數設置解決網絡設備分配的問題。一個幀具備8 個數據字節，可以有64 位定義數據。系統定義為：0～3 為報頭，主要用于描述電池組；4～7 位數據位，描述監控數據類型（電壓、電流、溫度、濕度等）；8～15 位為命令位，描述數據發出命令類型（包括啟動、關閉、巡檢等命令）。

軟件的主要工作流程：一是完成下位機硬件的初始化，創建文件目錄；二是系統發出CAN 信息幀，實現對下位機數據調用的流程；三是在接收到CAN 信息幀后按照系統設置的協議對其進行解析；四是根據參數提取出數據，經過偏移量修正和比例因子計算得出溫度、濕度、電壓、電流等實際值；五是根據數據種類和預設的閾值，判斷數據是否正常，實現報警或自動控制的功能。此過程，如若總線出現錯誤、仲裁丟失等情況，則啟動程序中斷并記錄相應過程，以備故障診斷，所有數據的處理、分析與記錄主要基于阿里云。

軟件模塊主要分為初始化模塊、數據采集模塊、溫濕度控制模塊、SOC 估計及CAN 通訊模塊。軟件啟動時進行初始化判斷，并對預加電測試進行判斷，如果加電成功則進行母線繼電器閉合操作并進一步數據采集，否則進入中斷響應模塊。數據采集后將在阿里云服務器上進行計算，分別判斷當前電壓、溫濕度是否正常，如果過壓則閉合母線繼電器，并在CAN 通訊模塊進行處理。溫度不正常則啟動響應程序或關閉相關程序，同時對電池單體均衡進行判斷；如若正常則先進行SOC 估計再進入CAN 通訊模塊處理，單體均衡有問題則直接進入CAN通訊模塊處理。

4 結束語

本文設計了基于CAN 總線的、電動汽車鋰電池監控系統。與傳統的電池管理系統相比，該系統有成本低廉、實現簡潔、使用方便的特點，預加電測試功能能更有效保障乘客的安全。系統將電池作為數據處理目標，對數據進行處理分析、如果發現電池狀態存在不可通過控制器補償修復的不可逆的嚴重錯誤時，可及時通過V2X 通訊模塊上傳到云計算服務器，云服務器收集用戶行駛的過程中車輛的動力電量配置情況，可通過移動電話App實時反饋汽車電池狀況，讓用戶了解自己的行車狀況是否健康，因而減少車主不規范的行車加速電池老化的速度，并可以根據車主的需求配置新能源汽車動力，也可以通過收集得到的數據由大數據云計算分析反饋，讓電控一體給車輛自適應的配置動力能量，以減少耗能，增加續航里程。目前系統對電量的估計仍需要進一步提高準確度，在進一步研究中，將更為深入探討電池荷電狀態的估算算法。