二手新能源汽車動力電池檢測系統（測能寶）的研究探索

倪一偉　丁徐強　卞韻弘　劉粵龍

摘 要：新能源汽車產業成為我國戰略性新興產業，中國的新能源汽車市場已經成為全球最大的市場，在動力電池大規模應用的條件下，如何準確有效的檢測二手新能源汽車動力電池成為研究的熱點，本文研究探索了一種二手新能源汽車動力電池檢測系統，通過對軟硬件的設計，使其能夠對動力電池進行檢測，并區別于傳統的檢測技術。

關鍵詞：二手新能源汽車 動力電池 檢測系統

1 二手新能源汽車現狀

新能源汽車保有量不斷增多，從而帶動了純電動二手車市場的發展，但市場上大多數二手車經銷商不愿意接受二手新能源汽車，除了考慮收入外，最重要的原因是缺乏二手新能源汽車對應的統一評價標準，特別是電池部分評價標準和回收系統，難以確定新能源二手車的殘值，行業沒有統一的評價標準，因此這些想要購買二手新能源汽車的經銷商面臨著額外的風險成本。為了避免風險成本，降價購買車輛是其可靠的避免手段。二手新能源汽車的評價標準尚未出臺，擅長車輛保值率研究的第三方評價公司也表示，雖然一直關注新能源汽車領域，但其保值率和評價標準尚未取得研究成果。主要原因是新能源二手車交易量小，分布不均勻，價值評價體系尚不合理，電池損耗不可逆檢測設備不足，在一定程度上限制了二手新能源汽車的流通。

新能源汽車尤其是純電動汽車區別與傳統內燃機汽車最主要的核心之一就是動力電池技術，對于新能源二手車的保值率，其繞不過的核心問題必然是動力電池，基于這樣的需求，二手新能源汽車急需一套可靠的檢測系統對動力電池進行檢測。目前，燃油汽車二手車鑒定評價的適用標準是國家標準《二手車鑒定評價技術規范》（GB/T30323-2013），新能源汽車二手車評價沒有形成統一的標準體系。在缺乏準確的評價和認證體系的情況下，買賣雙方之間沒有共同認可的參考標準，特別是電池檢測是影響新能源汽車保存率的重要原因之一，這也是二手車買家望而卻步的主要原因之一。國家強制性標準 GB7258-2017年《機動車運行安全技術條件》增加了新能源汽車的特殊要求。雖然這些標準給出了電池組、電機和電氣控制的檢查項目和標準，但電池組、電機、電氣控制等部分沒有具體的評價評分標準。

二手新能源汽車的評價和評價需要政府的領導。行業協會等權威機構應共同參與制定相關技術規范，建立合理的二手車評價和認證體系，更公平、公正地評價新能源二手車的剩余價值。《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》指出，要加強動力、檢測、材質評估等技術研發，用于支撐二手車殘值的保障。當前國內純電動二手車交易管理的實際及存在的問題，本文以國家發布的《新能源乘用車二手車鑒定評估技術規范》作為基本依據，運用軟件工程相關技術理論，對二手新能源汽車動力電池檢測系統進行設計，在一定程度上能夠促進我國二手新能源汽車交易市場的健康發展，以此來提高二手新能源汽車評估鑒定的效率。

2 動力電池檢測系統的研究探索

新能源汽車動力電池檢測系統的主要功能是能檢測到電池的相關數據，進而分析出電池狀態。本文探索開發一種基于檢測與物聯網相結合的檢測系統，對新能源汽車動力電池進行檢測，并將所測得的結果數據傳入云端進行記錄，在線上就能查詢結果，大大加強了便捷性。

2.1 研究背景

新能源汽車的電池對車輛的續航里程、穩定性和駕駛體驗有較大影響，因此對新能源汽車動力電池檢測系統的研究潛力巨大。由于傳統的動力電池檢測技術內容繁瑣，僅用人力檢測費時費力，檢測結果誤差大，對電池造成不可逆轉的損壞。為了提高檢測效率和準確性，本文設計了一種新能源汽車動力電池檢測系統，先通過方案總體設計，對其系統需求硬件適配鏈接，再對軟件進行編程設計，最后使檢測系統整體連接，進行最后的調試升級，發現能夠具備一定的檢測功能。

2.2 技術路徑

2.2.1 硬件系統設計

新能源汽車動力電池檢測系統（測能寶）硬件方案包括：

（1）電壓檢測電路如圖一。電壓檢測電路采用BATT+端接電池正極，為保證分壓后波動在穩定范圍且影響較小，以減小電池電量損耗，將兩個電阻的阻值設為足夠大。

（2）電流檢測電路如圖二。選用AD620的小信號電壓放大器，為保證其穩定工作，選擇5v為其供電電壓，將+E端接VCC端，-E和+24引腳置空。Vout引腳連接主控芯片AD轉換器實現電流采集。

（3）溫度采集電路如圖三。溫度采集通過傳感器DS18B20進行測量，DS18B20采用外部供電，由于DS18B20數據線為漏機開路，需要連接上拉電阻才能正常穩定工作。

（4）LIN通信電路如圖四。LIN通信電路采用TJA020收發連接器連接SCI0串口實現LIN通信。LIN通信模塊通過TXD引腳把LIN總線數據發送給主控芯片，并通過RXD引腳接收主控芯片的數據，實現數據收發。

（5）測能寶硬件部分總體上采用分層式管理體系，由處于基層的電池信息采集單元BMU和表層的電池管理單元BCU組成。BMU主要完成對電池單體狀態信息的采集，采集結束后，通過LIN通信將信息發送至表層控制器BCU中，執行保護動作。后期可通過以太網、CAN等通信方式與外部連接，上傳有關系統信息至后臺，為模型構建準確性提供幫助。

2.2.2 軟件系統設計

（1）數據采集程序。

DS18B20可以通過1-Wire總線方式與主控器件實現通信。1-Wire總線通過地址線、數據線、控制線等組合成了一個通信接收器，在這個信號線上可以連接多個1-Wire總線器件。DS18B20的電路設計，致使軟件設計上較為復雜，邏輯時序需要用一條線路完成。

SOC估計程序包括電池參數辨識和SOC估計兩個部分。SOC的算法程序通過中斷的方式每秒調用一次。在進入中斷程序后讀取AD轉換器中的電池電壓、電流數據并將其轉化為物理值，代入UKF辨識電池參數。在UKF中矩陣用數組表示，矩陣中的加、減、乘法運算利用雙層嵌套for循環語句實現，對矩陣求平方根運算用子函數int Choleshy實現，行參的含義用子函數int Inv實現，其中a為指向矩陣數組的指針，n為矩陣a的維數。

LIN通信主要采用結構類型存儲、發送和接收存儲數據。LIN協議規定的幀結構由受保護標識符、數據數組、驗證、LIN狀態和報錯標志有助于程序監控發送狀態。

（2）采集數據建模。

本文以鉛酸蓄電池進行研究。鉛酸蓄電池的電解液密度和剩余容量密切相關，通過給出電解液密度（DOE）與荷電狀態（SOC）之間的初始關系模型，并利用更新數據不斷修正得到一種自適應的SOC-DOE模型曲線，然后結合安時積分法并引入無損卡爾曼濾波法對輸出結果進行優化。

①建立SOC-DOE模型。鉛酸電池的電解液密度是直接反映電池剩余容量的重要參數。通過混合脈沖功率性能測試，獲取SOC相同時間間隔對應的DOE值并進行最小二乘擬合得到SOC-DOE曲線，具體方法為：在25℃的恒溫環境下先以0.1C充電至截止電壓，靜置1小時后以0.01C的電流放電至截止密度，記錄每1%SOC對應的電解液密度，然后采取六階多項式擬合得到25℃下的 SOC-DOE曲線，擬合模型如下：

SOC（DOE）=a1（DOE）6+a2（DOE）5+a3（DOE）4+a4（DOE）3+a5（DOE）2+a6（DOE）1+a7

②建立電池參數數據庫，引入溫度補償和老化程度修正，將采樣過程中得到的密度值轉化為25℃下密度（常溫密度dN），轉換公式如下：dN=d-kT（T-25）。其中，d為實測電解液密度值，kT為電解液密度的溫度系數，T為電解液溫度，以下使用到的電解液密度均為常溫密度。建立數據庫保存鉛酸電池在充放電過程中的電解液密度和溫度值，選取最近n次全充電時電解液密度的最大值dNmax，取平均值：dH=，得到更新后的SOC-DOE曲線，模型如下：SOC（DOE）=SOC（DOE）0， 其中，dmax為初始SOC-DOE曲線中的電解液密度最大值，SOC（DOE）0為初始SOC-DOE函數。

③建立狀態方程和觀測方程，基于SOC-DOE的關系曲線，采用安時積分法將SOC 作為狀態變量，電解液密度作為觀測變量，建立狀態方程和觀測方。式中，xk=SOCk，yk表示通過密度傳感器測得的電池電解液25℃密度，Ik-1表示k-1時刻母線電流值，η為庫倫系數，Cn為鉛酸電池額定容量，ωk-1表示系統噪聲，νk表示測量噪聲。

（3）軟件層設計。

為了有效的管理動力電池，設計合理，方便擴展，我們采用MM9ZJ638芯片為主控器，實現電壓電流的同步采集。同時具有CAN總線和LIN總線，總體設計為分布式電池管理系統網絡拓撲結構。SOC狀態估計根據測量得到的電壓和電流等參數計算獲得，程序開始首先進行初始化，通過LIN總線接收各從控制模塊中各單體電壓，并在開機初始狀態沒有電流的前提下，根據長時間靜置單體電壓獲得初始SOC，采樣時間1s時，進行電流和噪聲采集，然后每秒更新一次電池的SOC。最終，信息通過CAN總線和485總線發送。然而，在實驗條件下建立的數字模型和風險預警機制難以適應實際工況下各種因素耦合的故障現象。因此，大數據技術在該領域具有良好的應用前景。從大數據的角度建立整體衰老特征和故障風險預測是我們團隊后續工作的目標。

3 結語

在現代新能源汽車的不斷發展中，新能源電池作為其重要組成部分，性能以及電池的各參數有著密切的關系，所以，為了盡可能的延長新能源汽車電池的使用效率，推出了新能源動力汽車動力電池檢測系統（測能寶）設想，經過調試，該測試系統能夠基本滿足二手新能源汽車動力電池檢測的需要，系統界面簡單、美觀、易用性強。

由于技術限制，該系統仍有許多未被解決的缺陷，在實際使用情況下還需提升，希望大家一起研究探討。

基金：江蘇省/南通理工學院大學生創新創業訓練計劃項目/系2022年江蘇省大學生創業訓練項目/項目名稱：測能寶-新能源汽車動力電池檢測系統/項目編號：202212056066T。

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