汽車電池狀態檢測裝置的研究及應用

劉凌飛， 翟慧穎

（河南職業技術學院， 河南 鄭州 450046）

0 引言

新能源電動車電池有三種：鋰離子電池、鉛酸電池和鎳氫電池。由于鋰離子電池相較于其他兩種具備能量密度高、工作電壓平臺高、充電快、使用周期長等特點，因此被廣泛應用[1]。作為電動汽車的動力源，鋰離子電池的健康狀態是車輛安全運行的重要影響因素之一，因此電池的檢測維護是車輛維護的一項重要內容。

1 電池線下檢測分析系統概述

整車狀態獲取電池數據主要渠道有兩個渠道：OBD（車載自動診斷系統）診斷接口以及新能源監控平臺。OBD 診斷接口安裝于汽車上，在線監測，通過診斷接口及車輛CAN 總線獲取數據，通信協議要匹配，不同品牌、型號的車輛通信方式和協議不同，導致診斷維護時，要根據通信協議配備多種診斷裝置，維護工作量和成本比較高。新能源監控平臺由智能車載終端、企業平臺以及公共平臺組成[2]。智能車載終端在車輛上獲取車輛數據信息，本地保存并上傳數據至企業平臺，企業平臺接收管理本車廠整車數據并對接城市公共平臺，公共平臺對地方車輛情況進行監控管理[3]。系統存在數據精度問題，主要原因有：上傳數據延時較長；老舊車系統不完善，有數據缺失；USIM 卡續費不及時或不續費，導致數據丟失。僅能初步判斷電池狀態，不能精確監測。

2 電池狀態檢測裝置方案

2.1 系統構成

根據前文對電池檢測管理系統的分析，提出設計電池狀態檢測裝置對電池進行檢測管理。該裝置能夠實時獲取電池單體電壓、溫度、SOC 等信息，進一步控制充電裝置產生特定充電電流。同時利用云平臺大數據分析系統分析電池狀態，提示故障，形成報告及維護建議。

汽車電池狀態檢測裝置是基于車輛維修場景、線下檢測的運維平臺，系統由充電檢測控制系統和云平臺數據分析管理系統組成。充電檢測控制系統為前端系統，占地面積小，能被方便地搭建在充電樁現場，由智能控制模塊、充電- 監測控制模塊、數據監測模塊組成，完成電池數據的采集上傳，根據分析結果控制充電電流。云平臺數據分析管理系統接收前端傳來的數據，計算分析電池狀態，形成電池長時間尺度的充放電數據庫，同時對電池故障進行精確的分析評估，形成檢測報告并給出檢修建議。

2.2 硬件設計

2.2.1 硬件結構

充電監測控制系統由智能控制模塊、充電監測控制模塊、數據監測模塊組成。其中數據監測模塊由主控芯片CPU、CAN 通信模塊、外部存儲器、GPRS 模塊等部分構成，見圖1。系統主控制器采用ZLG 致遠公司的A287-W128LI 無線核心板，利用USB 接口驅動4G模塊高速傳輸數據，具備兩路CAN 總線收發功能，完成數據監測裝置與整車CAN 和內部CAN 的通信。

2.2.2 電路設計

電源電路的設計。數據監測模塊的電源由OBD接口電路提供，12 V，此外，系統各芯片電源為3.3 V，因此電路設計思路為：OBD 接口提供12 V 電壓，之后穩壓為5 V，再利用線性穩壓器轉換成3.3 V。

主控制器電路設計。主控芯片集成復位監控電路、存儲電路、以及各種外設為一個模塊，電源3.3 V，設置啟動、復位按鍵等，同時主控芯片自帶看門狗復位電路，完成系統意外崩潰后的自復位。

2.3 軟件功能

系統軟件部分是基于虛擬機Linux 操作系統采用C++語言開發設計的，實現數據采集、指令響應及云平臺信息交互的功能。數據采集功能即與車輛電池端進行信息交互，如電池系統信息、故障代碼等，電池的關鍵信息包括電池組總電壓、電流，SOC，單體電池電壓、電流，電池采樣點溫度等。指令響應是指數據監測模塊接收指令并執行相應操作，如實時監控電池充放電數據指令、更新車型協議指令、記錄數據指令等。

3 工業應用

以某電動汽車為對象，應用測試電池狀態監測裝置。為保證測試的準確性，確保測試車輛電量在20%以下，并且關閉車輛高壓系統以及空調、車燈等耗電設備，但鑰匙檔位需置于ON 擋，測試流程如圖2 所示。

圖2 系統檢測流程

將檢測控制裝置的數據監測模塊接入車輛OBD接口，電源指示燈亮起，約30 s 后監測模塊開始工作。監測完成后，打開智能控制終端，登錄管理界面可觀察終端與監測模塊連接狀態，監測模塊被檢測狀態，在控制單元面板輸入車輛信息，如車型、車牌號、電池編碼等。

啟動設備開始測試，智能終端根據車輛信息將匹配的通訊協議推送至監測模塊，監測模塊下載更新協議，啟動數據記錄功能，然后連接車輛充電口與充電設備開始充電。智能終端的監控界面可以查看監測電池的實時數據，即電壓、電流、SOC 等，根據數據是否異常，進而分析電池是否異常。設備未記錄數據期間，可以通過文件信息查看本地保存的測試數據，車輛信息及充電數據信息會上傳至云管理平臺。

檢測結束后，云管理平臺通過大數據系統計算分析測試數據，形成含有電池單體充電趨勢、單體充電容量、單體內阻等電池狀態關鍵信息的報告。還可根據檢測結果，給出相應的維修建議，如表1 所示，根據表中信息可知，測試車輛的電池單體間存在內阻不一致問題，內阻不同而充電電流相同會導致內阻大的電芯發熱嚴重，進而導致電池劣化加快，進一步增加內阻值，形成惡性循環，最終影響電池使用壽命，因此給出更換12 號、52 號單體的維修建議。

表1 檢測結果

4 經濟性分析

電池狀態檢測裝置是應用于整車環境，基于車輛維修場景、線下檢測的運維平臺，占地面積小，安裝操作便捷，可以在有充電設施的場所快速搭建并投入使用，也可應用于4S 店及各種實際生活場景，可以隨時隨地方便快捷地對電池進行準確監測評估并形成報告及維修建議，具有良好的經濟效益，主要體現在：

1）應用場景靈活廣泛，不必專門在4S 店或車廠進行，且在整車狀態下檢測，不必拆卸電池組，有效節約檢測成本。

2）檢測過程快速且精確。經檢測能精確定位故障信息至電池單體地，根據結果更換電池單體而非更換電池組整體，能有效降低配件成本。

3）車輛電池故障經過檢測能被及時準確地反饋出來，避免了由電池故障而引發的未知問題，提高了車輛安全性能，延長了電池使用壽命，有效控制了車輛配套件成本以及維護成本。

5 結論

1）分析當前汽車電池數據獲取方式OBD 診斷接口以及新能源監控平臺存在通訊協議難兼容，數據不精確等問題。

2）提出基于車輛維修場景、線下檢測的電池狀態檢測方案，介紹裝置的構成，硬件結構和電路設計及軟件功能。

3）以某電動汽車為對象進行應用測試，經監測發現電池故障，并根據維修建議對車輛電池進行了維修。根據試用過程分析其經濟效益，結果表明，該裝置在控制檢測成本、電池成本及維修成本方面有突出效果。