電動汽車動力電池的安全系統研究

鄧釗 劉漢華

摘要：電動汽車動力電池在安全性、高能量密度、高功率密度、長壽命、成本控制等使用性能方面有一定的要求。中央控制單元、電流電壓采集電路、熱管理電路、單體電池均衡電路等硬件結構設計質量，對電動汽車動力電池的安全性與充電放電效率有直接的影響。而電動汽車動力電池安全系統的軟件設計包括控制實現、電量檢測及上位機軟件等三項內容。

關鍵詞：電動汽車???動力電池???安全系統???硬件???軟件

中圖分類號：U469.72

Research?on?the?Safety?System?of?the?Power?Batteries?of?Electric?Vehicles

DENG?Zhao??LIU?Hanhua

Liuzhou?Vocational?and?Technical?College，?Liuzhou，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?545000?China

Abstract：?The?power?batteries?of?electric?vehicles?have?certain?requirements?for?performance?such?as?safety，?high?energy?density，?high?power?density，?long?life?and?cost?control.?The?design?quality?of?hardware?structures?such?as?the?central?control?unit，?the?current?and?voltage?collection?circuit，?the?thermal?management?circuit，?and?the?single?battery?equalization?circuit?directly?affects?the?safety?and?charging?and?discharging?efficiency?of?the?power?batteries?of?electric?vehicles.?The?software?design?of?the?safety?system?of?the?power?batteries?of?electric?vehicles?includes?three?aspects：?control?implementation，?electricity?detection?and?upper?computer?software.

Key?Words：?Electric?vehicle;?Power?battery;?Safety?system;?Hardware;?Software

作為汽車領域達成碳達峰與碳中和目標的重要產品，電動汽車運行的安全性成為社會公眾重點關注的對象。動力電池作為直接影響電動汽車運行質量的重要因素，有必要為其設計一套完善的安全方案，以促進我國電動汽車行業可持續發展。

1電動汽車動力電池的基本結構

電動汽車動力電池的基本結構包括電芯、模組及電池包三個部分。（1）電芯。這是動力電池充電放電的基礎元件，能為電池提供氧化還原反應條件，可以細分為正負極片、隔膜、電解液等部件。根據電動汽車動力電池生產單位選擇的生產工藝，可以根據封裝形式細分為圓柱、方形、軟包等幾種電芯形式。其中的圓柱電芯，尺寸較小，制造成本較低，但是不具備更好的散熱性能，質量偏重。方形電芯，擁有良好的散熱性能與可靠性，但是制造成本相對較高。軟包電芯，質量較輕，可以根據動力電池的制造需求，對制造尺寸進行調整，但是軟包電芯的生產工藝有待提升，制造成本相對較高[1]。（2）模組。模組負責保護電芯，可以避免受到來自動力電池外部熱因素的影響，從而規避振動沖擊。需要設置一個模組框架，若干電芯連接后，將其放置在框架中，即可獲得動力電池的模組。（3）電池包。這是動力電池安裝在電動汽車中的最后形態，需要在制造模組后，裝載動力電池安全系統、冷卻系統及以線束、支架等為代表的各種部件。可以認為，電芯是電動汽車動力電池的基礎單位，由多個電芯配置成一個模組，再由多個模組配置成一個電池包，通過裝載相應系統與部件，以動力電池的形式安裝在電動汽車上，為電動汽車提供運行驅動力。

2電動汽車動力電池的使用性能要求

2.1安全性要求

安全性要求是開發設計電動汽車動力電池的首要目標。動力電池需要儲存足夠多的能量，這會導致自身安全性下降，并且，容量越大就更容易發生安全風險，風險規模也會越大。例如工作溫度超過動力電池溫度閾值，電池出現短路、漏液等問題。正因為電動汽車動力電池存在較高標準的安全性要求，所以需要設計一套更為完善的安全系統。

2.2高能量密度要求

高能量密度要求是動力電池基礎設計指標，是評價動力電池工作性能的主要內容，可以用動力電池的續航里程表示高能量密度水平。相比于傳統燃油汽車，電動汽車可以利用鋰電池設計動力電池，利用較小的設計體積與較高的能量密度，來提升電動汽車的駕駛里程。

2.3高功率密度要求

高能量密度用動力電池的續航里程表示，而高功率密度則用動力電池單位體積輸出的功率表示，兩者并不存在直接關系。高功率密度傾向于描述動力電池的倍率性能，以電動汽車的爬坡水平、短距離加速效果等方式進行表達。

2.4長使用壽命要求

較長的使用壽命可以達到電動汽車運行效率的目的。例如，充電放電次數會加速磨損效果，增加動力電池老化速度。如果長時間處于高溫工作環境，會極大降低動力電池的使用壽命。為此，就需要設計良好的安全系統，為動力電池提供一個相對穩定的工作環境，減少電動汽車運行故障。

2.5成本控制要求

動力電池的設計質量影響著電動汽車的生產制造總成本。以純電動汽車為例，因為電動汽車驅動力均由動力電池提供，所以動力電池的設計與制造成本幾乎達到純電動汽車生產制造成本的50%左右。為此，應在保證動力電池可以為電動汽車提供穩定運行性能的基礎上，合理控制生產制造成本。

3電動汽車動力電池安全系統的硬件結構設計

3.1中央控制單元

中央控制單元是負責對動力電池安全系統進行全局化控制的重要硬件結構，主要關系到動力電池的電力參數、溫度參數等數據接收，并根據電動汽車當前的運行情況，對接收到的數據信息進行更為詳細的分析與處理，完成對動力電池剩余電量狀態（State-of-Charge，SOC）的估算，根據實際電量與駕駛需求，對動力電池發出相應的運行命令，并展開必要的控制。硬件結構的中央控制單元還需要與軟件系統的上位機進行必要的數據信息交流，以此形成軟件、硬件同步運行[2]。利用更為詳細的模塊化設計工藝，可以為整個硬件結構協同合作提供便利條件，合理降低動力電池電路系統維護與檢修的時間成本。

3.2電流電壓采集電路

電流電壓采集電路進行數據的收集與分析，和中央控制單元一同投入到動力電池SOC的估算。大多數動力電池使用4節鋰電池電池組的設計模式，一節電池擁有3.2V的工作電壓。對于主控制器的A/D轉換通道接口，其最大承受電壓為3.3V，為合理提升單片轉換接口的使用安全性，一般會通過CHV-25閉環霍爾傳感器測量動力電池電壓數據。將CHV-25閉環霍爾傳感器與動力電池的正負兩端進行連接，對收集的數據做轉換處理，即可完成信號傳輸到主控制器顯示在上位機的數據傳輸過程[3]。設計動力電池電壓采集電路時，可以考慮應用一些使用頻率較高、穩定性良好的電壓檢測方法，例如飛渡電容、電阻分壓等。如動力電池采用單體電池設計模式，可考慮用電阻分壓進行電壓檢測。對于電流采集電路的設計，可基于閉環磁補償電流原理，使用匹配動力電池的電流傳感器來增強抗干擾性能，提高電流數據采集精度與效率。

3.3熱管理電路

動力電池不斷輸出電力資源，會提高動力電池的工作環境溫度。在持續高溫運行條件下，動力電池的工作性能受到較大負面影響。就會減少電力資源的持續供應，這就需要通過熱管理電路系統性地降低高溫影響。在自然環境溫度偏低時，需要通過熱管理電路激活動力電池的化學反應來生成部分熱量，抵消低溫條件的負面影響[4]。如果動力電池的工作溫度偏高，則要通過熱管理電路啟動必要的降溫方法，例如通過電風扇生成氣流，起到降溫效果。也可與相應的預警系統進行組合設計，在達到預設溫度上限或下限時，對駕駛人員發出報警，同步啟動熱管理電路系統，對動力電池做降溫或升溫控制。

3.4單體電池均衡電路

如果電動汽車采用單體電池設計模式，會面對一個電壓不均衡供應的現實問題。據此設計的單體電池均衡電路，在電壓達到不均衡狀態時，會以預設電壓上限作為標準，對電壓做出有效控制，確保過余電量得到合理消耗。也可采用分流電阻均衡電路器，通過簡化的開關進行控制，保障單體電池電壓順利達成均衡供應的目標。

4電動汽車動力電池安全系統的軟件系統設計

4.1控制實現

為有效提升電動汽車動力電池安全水平，順利達成軟件系統控制目標，就需要通過主工作模塊，針對數據采集模塊、電池組、故障記錄、充電放電控制等功能模塊展開全面控制。在設計電池組模塊的軟件控制系統時，要以電動汽車的運動速度為基礎，分析動力電池當前工作模式是否滿足電動汽車的運行需求。如果兩者沒有達成一致，則向繼電器發送相應的動作控制指令，對電池組的串并聯模式進行調整，以保障動力電池穩定運行。在設計故障記錄模塊的軟件控制系統時，則預先確認動力電池運行過程中可能發生的故障，例如電流、高壓、高溫、低溫等，做好故障的梳理。當動力電池發生故障時，首先確認故障類型，再確認發生故障的硬件結構與工作電路，通過指示燈提示駕駛人員及時停靠并進行維修。利用蜂鳴器展示故障類型，通過指示燈確認動力電池故障位置，輔助相應的文字提示。在這個過程中，故障記錄模塊將本次故障發生的事件、類型、位置等進行詳細記錄，便于維修人員開展精準的故障維護[5]。充電放電控制模塊在負載電路控制的基礎上，受到充電機、放電機的控制，可有效提升動力電池的充電放電控制質量。

4.2電量檢測

在動力電池安全系統的軟件中，也存在電量檢測相關內容。軟件系統設計有關動力電池電量檢測算法，需要以動力電池生產工藝與設計模型共同決定。在大多數情況下，會選擇三階等效動力電池檢測數據模型，利用動力電池運行過程中生成的高斯白噪聲，展開更為詳細的電量檢測。但是，在動力電池工作狀態切換時，會生成一定的噪聲，嚴重情況可能會出現震蕩，這導致電量檢測軟件系統的功能受到負面影響，獲得的電量檢測數據存在一定誤差。出于路面平整性、駕駛人員操作技術等原因，駕駛中如出現震動，同樣會對動力電池電量檢測精度造成影響，可以考慮在動力電池電量檢測算法中增設濾波算法，并根據工作需求對濾波算法的功能做必要的擴展。在動力電池電量出現變化時，即可對隨機生成的噪聲做有效濾除，從而實現通過軟件系統，提高電量檢測精度的效果。

4.3上位機軟件

上位機軟件是動力電池安全系統控制器局域網絡（Controller?Area?Network，CAN）的通信節點，負責接收主控單元提供的動力電池工作狀態信息，進行必要的報警信息提示等工作。因為上位機主板不設置CAN接口，不具備通信功能，所以需要把CAN接口卡和上位機現有的通信接口通過合理方式設置成用于通信的CAN接口。例如USBCAN-Ⅱ驅動，就可以將原本的USB接口轉化為CAN通信接口，從而獲得連接動力電池安全系統的功能。而且，CAN通信接口可兼容多種開發環境，根據動力電池的運行需求進行功能的二次開發[6]。在設計上位機軟件時，需要考慮一些基礎功能。例如針對動力電池工作電壓、溫度等指標的實時顯示，以圖像形式顯示SOC估算數據。可通過上位機軟件設置三種顏色指示燈來輔助故障報警，例如嚴重故障為紅色指示燈，普通故障為黃色指示燈，沒有故障為綠色指示燈。上位機軟件還需要擁有相應的數據存儲空間，用于存儲動力電池運行數據信息，方便后續的維護。可為上位機軟件提供一定的功能拓展接口，例如將上位機軟件與高精度萬用表同步應用，對動力電池安全系統運行精度進行綜合分析，確認運行精度在系統設計誤差范圍內，保障動力電池安全系統正常運行。

5結語

在設計電動汽車動力電池的安全系統時，需要根據電動汽車的性能、動力電池生產需求，對部分細節內容進行優化，確保對動力電池可實現全天候、無縫化的安全控制，合理提升動力電池使用壽命，提高電動汽車運行穩定性。

參考文獻

[1] 董偉.電動汽車動力電池管理系統設計[J].現代制造技術與裝備，2022（4）：55-57.

[2] 任崇.電動汽車動力電池管理系統的設計探究[J].專用汽車，2023（9）：9-12.

[3] 劉春寶，王楓.電動汽車電池組狀態檢測系統[J].儀表技術與傳感器，2022（10）：123-126.

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[5] 劉巖，尹艷萍，黃倩，等.我國新能源汽車動力電池安全現狀分析與探討[J].電池工業，2022（6）：309-312，320.

[6] 尹麗瓊，韋安定，韋財金.大數據下電動汽車動力電池故障診斷技術現狀與發展趨勢[J].時代汽車，2023（13）：154-156.