二手新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)（測(cè)能寶）的研究探索

倪一偉　丁徐強(qiáng)　卞韻弘　劉粵龍

摘 要：新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，中國(guó)的新能源汽車市場(chǎng)已經(jīng)成為全球最大的市場(chǎng)，在動(dòng)力電池大規(guī)模應(yīng)用的條件下，如何準(zhǔn)確有效的檢測(cè)二手新能源汽車動(dòng)力電池成為研究的熱點(diǎn)，本文研究探索了一種二手新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)?dòng)力電池進(jìn)行檢測(cè)，并區(qū)別于傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：二手新能源汽車 動(dòng)力電池 檢測(cè)系統(tǒng)

1 二手新能源汽車現(xiàn)狀

新能源汽車保有量不斷增多，從而帶動(dòng)了純電動(dòng)二手車市場(chǎng)的發(fā)展，但市場(chǎng)上大多數(shù)二手車經(jīng)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(duì)應(yīng)的統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，特別是電池部分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和回收系統(tǒng)，難以確定新能源二手車的殘值，行業(yè)沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此這些想要購買二手新能源汽車的經(jīng)銷商面臨著額外的風(fēng)險(xiǎn)成本。為了避免風(fēng)險(xiǎn)成本，降價(jià)購買車輛是其可靠的避免手段。二手新能源汽車的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，擅長(zhǎng)車輛保值率研究的第三方評(píng)價(jià)公司也表示，雖然一直關(guān)注新能源汽車領(lǐng)域，但其保值率和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(jià)值評(píng)價(jià)體系尚不合理，電池?fù)p耗不可逆檢測(cè)設(shè)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(dòng)汽車區(qū)別與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車最主要的核心之一就是動(dòng)力電池技術(shù)，對(duì)于新能源二手車的保值率，其繞不過的核心問題必然是動(dòng)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(cè)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行檢測(cè)。目前，燃油汽車二手車鑒定評(píng)價(jià)的適用標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《二手車鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（GB/T30323-2013），新能源汽車二手車評(píng)價(jià)沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。在缺乏準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和認(rèn)證體系的情況下，買賣雙方之間沒有共同認(rèn)可的參考標(biāo)準(zhǔn)，特別是電池檢測(cè)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(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn) GB7258-2017年《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》增加了新能源汽車的特殊要求。雖然這些標(biāo)準(zhǔn)給出了電池組、電機(jī)和電氣控制的檢查項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)，但電池組、電機(jī)、電氣控制等部分沒有具體的評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

二手新能源汽車的評(píng)價(jià)和評(píng)價(jià)需要政府的領(lǐng)導(dǎo)。行業(yè)協(xié)會(huì)等權(quán)威機(jī)構(gòu)應(yīng)共同參與制定相關(guān)技術(shù)規(guī)范，建立合理的二手車評(píng)價(jià)和認(rèn)證體系，更公平、公正地評(píng)價(jià)新能源二手車的剩余價(jià)值。《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》指出，要加強(qiáng)動(dòng)力、檢測(cè)、材質(zhì)評(píng)估等技術(shù)研發(fā)，用于支撐二手車殘值的保障。當(dāng)前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)二手車交易管理的實(shí)際及存在的問題，本文以國(guó)家發(fā)布的《新能源乘用車二手車鑒定評(píng)估技術(shù)規(guī)范》作為基本依據(jù)，運(yùn)用軟件工程相關(guān)技術(shù)理論，對(duì)二手新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在一定程度上能夠促進(jìn)我國(guó)二手新能源汽車交易市場(chǎng)的健康發(fā)展，以此來提高二手新能源汽車評(píng)估鑒定的效率。

2 動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的研究探索

新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的主要功能是能檢測(cè)到電池的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析出電池狀態(tài)。本文探索開發(fā)一種基于檢測(cè)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池進(jìn)行檢測(cè)，并將所測(cè)得的結(jié)果數(shù)據(jù)傳入云端進(jìn)行記錄，在線上就能查詢結(jié)果，大大加強(qiáng)了便捷性。

2.1 研究背景

新能源汽車的電池對(duì)車輛的續(xù)航里程、穩(wěn)定性和駕駛體驗(yàn)有較大影響，因此對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的研究潛力巨大。由于傳統(tǒng)的動(dòng)力電池檢測(cè)技術(shù)內(nèi)容繁瑣，僅用人力檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)結(jié)果誤差大，對(duì)電池造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。為了提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)了一種新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)，先通過方案總體設(shè)計(jì)，對(duì)其系統(tǒng)需求硬件適配鏈接，再對(duì)軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，最后使檢測(cè)系統(tǒng)整體連接，進(jìn)行最后的調(diào)試升級(jí)，發(fā)現(xiàn)能夠具備一定的檢測(cè)功能。

2.2 技術(shù)路徑

2.2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)（測(cè)能寶）硬件方案包括：

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

（2）電流檢測(cè)電路如圖二。選用AD620的小信號(hào)電壓放大器，為保證其穩(wěn)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(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)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(jìn)行測(cè)量，DS18B20采用外部供電，由于DS18B20數(shù)據(jù)線為漏機(jī)開路，需要連接上拉電阻才能正常穩(wěn)定工作。

（4）LIN通信電路如圖四。LIN通信電路采用TJA020收發(fā)連接器連接SCI0串口實(shí)現(xiàn)LIN通信。LIN通信模塊通過TXD引腳把LIN總線數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片，并通過RXD引腳接收主控芯片的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。

（5）測(cè)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(duì)電池單體狀態(tài)信息的采集，采集結(jié)束后，通過LIN通信將信息發(fā)送至表層控制器BCU中，執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。后期可通過以太網(wǎng)、CAN等通信方式與外部連接，上傳有關(guān)系統(tǒng)信息至后臺(tái)，為模型構(gòu)建準(zhǔn)確性提供幫助。

2.2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集程序。

DS18B20可以通過1-Wire總線方式與主控器件實(shí)現(xiàn)通信。1-Wire總線通過地址線、數(shù)據(jù)線、控制線等組合成了一個(gè)通信接收器，在這個(gè)信號(hào)線上可以連接多個(gè)1-Wire總線器件。DS18B20的電路設(shè)計(jì)，致使軟件設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，邏輯時(shí)序需要用一條線路完成。

SOC估計(jì)程序包括電池參數(shù)辨識(shí)和SOC估計(jì)兩個(gè)部分。SOC的算法程序通過中斷的方式每秒調(diào)用一次。在進(jìn)入中斷程序后讀取AD轉(zhuǎn)換器中的電池電壓、電流數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為物理值，代入U(xiǎn)KF辨識(shí)電池參數(shù)。在UKF中矩陣用數(shù)組表示，矩陣中的加、減、乘法運(yùn)算利用雙層嵌套for循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)，對(duì)矩陣求平方根運(yùn)算用子函數(shù)int Choleshy實(shí)現(xiàn)，行參的含義用子函數(shù)int Inv實(shí)現(xiàn)，其中a為指向矩陣數(shù)組的指針，n為矩陣a的維數(shù)。

LIN通信主要采用結(jié)構(gòu)類型存儲(chǔ)、發(fā)送和接收存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。LIN協(xié)議規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)由受保護(hù)標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)數(shù)組、驗(yàn)證、LIN狀態(tài)和報(bào)錯(cuò)標(biāo)志有助于程序監(jiān)控發(fā)送狀態(tài)。

（2）采集數(shù)據(jù)建模。

本文以鉛酸蓄電池進(jìn)行研究。鉛酸蓄電池的電解液密度和剩余容量密切相關(guān)，通過給出電解液密度（DOE）與荷電狀態(tài)（SOC）之間的初始關(guān)系模型，并利用更新數(shù)據(jù)不斷修正得到一種自適應(yīng)的SOC-DOE模型曲線，然后結(jié)合安時(shí)積分法并引入無損卡爾曼濾波法對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行優(yōu)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(shù)。通過混合脈沖功率性能測(cè)試，獲取SOC相同時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)的DOE值并進(jìn)行最小二乘擬合得到SOC-DOE曲線，具體方法為：在25℃的恒溫環(huán)境下先以0.1C充電至截止電壓，靜置1小時(shí)后以0.01C的電流放電至截止密度，記錄每1%SOC對(duì)應(yīng)的電解液密度，然后采取六階多項(xiàng)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(shù)數(shù)據(jù)庫，引入溫度補(bǔ)償和老化程度修正，將采樣過程中得到的密度值轉(zhuǎn)化為25℃下密度（常溫密度dN），轉(zhuǎn)換公式如下：dN=d-kT（T-25）。其中，d為實(shí)測(cè)電解液密度值，kT為電解液密度的溫度系數(shù)，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(shù)據(jù)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(shí)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(shù)。

③建立狀態(tài)方程和觀測(cè)方程，基于SOC-DOE的關(guān)系曲線，采用安時(shí)積分法將SOC 作為狀態(tài)變量，電解液密度作為觀測(cè)變量，建立狀態(tài)方程和觀測(cè)方。式中，xk=SOCk，yk表示通過密度傳感器測(cè)得的電池電解液25℃密度，Ik-1表示k-1時(shí)刻母線電流值，η為庫倫系數(shù)，Cn為鉛酸電池額定容量，ωk-1表示系統(tǒng)噪聲，νk表示測(cè)量噪聲。

（3）軟件層設(shè)計(jì)。

為了有效的管理動(dòng)力電池，設(shè)計(jì)合理，方便擴(kuò)展，我們采用MM9ZJ638芯片為主控器，實(shí)現(xiàn)電壓電流的同步采集。同時(shí)具有CAN總線和LIN總線，總體設(shè)計(jì)為分布式電池管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。SOC狀態(tài)估計(jì)根據(jù)測(cè)量得到的電壓和電流等參數(shù)計(jì)算獲得，程序開始首先進(jìn)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(jī)初始狀態(tài)沒有電流的前提下，根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間靜置單體電壓獲得初始SOC，采樣時(shí)間1s時(shí)，進(jìn)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(fā)送。然而，在實(shí)驗(yàn)條件下建立的數(shù)字模型和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制難以適應(yīng)實(shí)際工況下各種因素耦合的故障現(xiàn)象。因此，大數(shù)據(jù)技術(shù)在該領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。從大數(shù)據(jù)的角度建立整體衰老特征和故障風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是我們團(tuán)隊(duì)后續(xù)工作的目標(biāo)。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代新能源汽車的不斷發(fā)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(shù)有著密切的關(guān)系，所以，為了盡可能的延長(zhǎng)新能源汽車電池的使用效率，推出了新能源動(dòng)力汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)（測(cè)能寶）設(shè)想，經(jīng)過調(diào)試，該測(cè)試系統(tǒng)能夠基本滿足二手新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)的需要，系統(tǒng)界面簡(jiǎn)單、美觀、易用性強(qiáng)。

由于技術(shù)限制，該系統(tǒng)仍有許多未被解決的缺陷，在實(shí)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(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目/系2022年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目/項(xiàng)目名稱：測(cè)能寶-新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)/項(xiàng)目編號(hào)：202212056066T。

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