智能汽車領(lǐng)域中嵌入式鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張昊 楊磊 張麗

（1.山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 山西省大同市 037009 2.機(jī)器人與智能控制大同市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西省大同市 037009）

嵌入式鋰離子電池在智能汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，使其電池消費(fèi)量及報(bào)廢量逐漸成正比關(guān)系。如果不能正確使用鋰離子電池，不僅會(huì)嚴(yán)重危害我們的身體健康，還會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的威脅。因此，鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要合理的保護(hù)參數(shù)及均衡策略為支撐。只有這樣，才能有效防止電池在使用過程中的濫用、濫丟棄現(xiàn)象，進(jìn)而促進(jìn)鋰離子電池在智能汽車領(lǐng)域中的持續(xù)發(fā)展。

1 嵌入式鋰離子電池的選型

在智能汽車領(lǐng)域中大多數(shù)采用的是嵌入式鋰離子電池作為主要能量來源，鋰離子電池的使用性能直接關(guān)系到智能汽車的行駛里程及安全性能。因此，對(duì)鋰離子電池的選擇必須要同時(shí)滿足以下幾個(gè)條件：即使用性能好、充電技術(shù)完善、經(jīng)濟(jì)與實(shí)惠。嵌入式鋰離子電池與其他類型的普通電池相比，還具有能量密度高、電壓輸出高等的顯著性優(yōu)勢(shì)，近些年來，在各行業(yè)領(lǐng)域中得到了迅速的推廣與普及。如果從正極材料的使用上來劃分：嵌入式鋰離子電池可以分為磷酸鐵鋰電池、鉻酸鐵鋰電池和三元鋰電池這三種類型，而這三種不同類型的鋰離子電池在能量密度、使用壽命及安全性能又是不盡相同的。其中，三元鋰電池是目前智能汽車研究領(lǐng)域中最理想的選擇，因?yàn)椋c其他兩種類型的鋰離子電池相比，具備了更高的能量密度和更好的使用性能。

2 鋰離子電池的使用特性

鋰離子電池的充電及放電次數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，外界環(huán)境溫度、充放電電流、電池老化等的因素都會(huì)對(duì)電池的剩余電量估算具有極其重要的影響。因此，在電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及SOC 估算精度，采用安時(shí)積分法對(duì)鋰離子電池的剩余電量進(jìn)行合理的估算，并使用完整的充放電法再結(jié)合電池的循環(huán)次數(shù)，對(duì)電池內(nèi)剩余電量進(jìn)行修正，以此來提升SOC 估算的準(zhǔn)確度。

（1）鋰離子電池的溫度特性。雖然說鋰離子電池的應(yīng)用范圍比較廣泛，但是外部環(huán)境、溫度等的因素對(duì)電池的剩余電量依然具有較大影響。相關(guān)研究表明：其中溫度是影響電池SOC 估算準(zhǔn)確程度的一個(gè)重要因素，它主要影響鋰離子電池中電極材料活性成分以及電解液的電遷移速率。比如某型號(hào)容量為12AH 的鋰離子電池，電池容量與溫度關(guān)系如圖1所示。如果將該型號(hào)的鋰離子電池剩余電量的變化及溫度之間的關(guān)系采用二次曲線進(jìn)行擬合的話，可以得到如下修正函數(shù)：

C=-0.0067T2+0.0967T+8.5704

R2=0.9967

式中，C 表示電池容量：T 表示溫度：R2表示擬合的相關(guān)系數(shù)

圖1：某型號(hào)12AH 鋰離子電池容量與溫度的關(guān)系曲線圖

（2）嵌入式鋰離子的容量、內(nèi)阻與其循環(huán)壽命之間還存在著一定的函數(shù)關(guān)系。在通常情況下，是根據(jù)電池的容量與內(nèi)阻值來確定電池的健康狀況的。但是，目前對(duì)電池內(nèi)阻的在線測(cè)量依然存在著諸多方面的困難。所以，通常采用的是電池測(cè)試的方式來建立電池容量與電池健康狀況數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系的。電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅需要對(duì)電池的充放電循環(huán)次數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)算，然后通過查詢對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)電池的總?cè)萘窟M(jìn)行修正即可。大量實(shí)踐證明：在電池管理系統(tǒng)中使用合理的充放電結(jié)合法并結(jié)合電池充放電累計(jì)次數(shù)對(duì)電池容量進(jìn)行修正，可以提高電池容量的估算精度，為電池的合理使用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 數(shù)據(jù)信息的采集

嵌入式鋰離子電池對(duì)單體電池、電池組中各項(xiàng)信息的采集是其管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基本依據(jù)。所采集的數(shù)據(jù)中包括電壓、溫度、絕緣電阻等方面的信息，為鋰離子管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確且及時(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

3.2 SOS估算

SOS 估算可以準(zhǔn)確的了解鋰離子電池的剩余電量，是電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的核心技術(shù)之一。通常情況下，對(duì)SOS 估算會(huì)采用安時(shí)積分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法或者是卡爾曼濾波等的算法。其中，安時(shí)積分法主要是通過對(duì)電池電流進(jìn)行實(shí)踐積分來估算電量的剩余情況的，一方面由于沒有考慮到電池在使用過程中的所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，另一方面其在使用的過程中還有可能會(huì)受到來自外界因素的干擾和影響，因此，對(duì)其的估算結(jié)果有著較大的誤差，而這個(gè)誤差只會(huì)增加不會(huì)降低。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法主要是通過模擬人腦系統(tǒng)來設(shè)計(jì)鋰離子電池非線性特征，雖然自身的適應(yīng)性較強(qiáng)，但是需要大量的數(shù)據(jù)信息為支撐才能降低誤差的可能；卡爾曼濾波算法指的是通過建立狀態(tài)方程的方式來對(duì)鋰離子電池動(dòng)態(tài)系統(tǒng)描述的一個(gè)過程，卡爾曼濾波算法可以對(duì)鋰離子電池復(fù)雜的系統(tǒng)做出最合理的估算，比較適用于鋰離子電池線性系統(tǒng)方面的研究。誠(chéng)然，鋰離子電池作為高密度的非線性系統(tǒng)，需要通過衍生擴(kuò)張卡爾曼濾波算法對(duì)鋰離子電池的剩余電量進(jìn)行估算，這樣才能有效地降低估算的誤差。

3.3 安全保護(hù)

安全保護(hù)不論是對(duì)嵌入式鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還是智能汽車的長(zhǎng)足發(fā)展都發(fā)揮著不容忽視的重要作用。比如當(dāng)智能汽車發(fā)生過壓、高壓或者是欠壓等故障時(shí)，安全保護(hù)就可以結(jié)合智能汽車故障發(fā)生的嚴(yán)重程度，及時(shí)作出限制功率輸出、下電這樣的措施，給予鋰離子電池和智能汽車安全保護(hù)。再比如，某一智能汽車在高溫環(huán)境中給電池進(jìn)行充電的過程中，電池管理系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)分析電芯、液冷進(jìn)出口等方面的信息，還會(huì)自動(dòng)開啟液冷系統(tǒng)幫助其進(jìn)行散熱，減少和降低由于溫度過高而造成的智能汽車安全隱患與事故的發(fā)生。

3.4 能量管理

合理的電池管理系統(tǒng)可以對(duì)智能汽車的充電及放電等的操作進(jìn)行管理，充電時(shí)，電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)電池的電芯溫度來計(jì)算充電功率等的參數(shù)，確定允許的充電電流，并合理按照適配器的電壓、電流及充電方法向智能汽車進(jìn)行充電，并能立即估算出充電所需要的時(shí)間；放電時(shí)，結(jié)合已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)、放電功率等的參數(shù)信息，調(diào)整放電功率，完成放電。與此同時(shí)，為了有效減少單體電壓的壓差，保持電芯放電的一致性，還需要充分利用已儲(chǔ)備的能量，采取主動(dòng)均衡管理措施或者是被動(dòng)均衡管理措施對(duì)智能汽車的能量進(jìn)行管理。其中，主動(dòng)均衡管理措施主要是將電壓高的單體能量轉(zhuǎn)移至電壓低的單體電池中；被動(dòng)均衡管理措施指的是在高電壓?jiǎn)误w處，通過并聯(lián)電阻的方式來消耗部分能量，以達(dá)到均衡的要求。雖然說，被動(dòng)均衡管理措施電路簡(jiǎn)單，但耗能較高、發(fā)熱量大。而主動(dòng)均衡管理措施電路復(fù)雜、耗能低、發(fā)熱量低，因此，二者各有優(yōu)劣之處。

3.5 故障系統(tǒng)

根據(jù)電池電芯提供的參數(shù)來設(shè)計(jì)和制定智能汽車的故障閾值表，通過對(duì)故障閾值表的分析可準(zhǔn)確得出：電池的使用時(shí)間、檢測(cè)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施，故障閾值表不僅可以對(duì)電池管理系統(tǒng)起到重要的保護(hù)作用，還可結(jié)合電池故障的嚴(yán)重程度劃分出等級(jí)，再通過結(jié)合UDS故障診斷功能與鋰離子電池的診斷服務(wù)系統(tǒng)相連接，方便維修人員對(duì)電池故障的排查與診斷。

4 嵌入式鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

鋰離子電池組、主控模塊、信息采集模塊、通信模塊是嵌入式鋰離子電池管理系統(tǒng)必不可少的硬件組成部分。比如信息采集模塊主要是對(duì)電池的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行采集。信息采集模塊又由霍爾電流傳感器與分流器組成。其中霍爾電流傳感器主要是通過霍爾閉環(huán)原理，將被檢測(cè)電池的電壓與電流進(jìn)行檢測(cè)，在成本、經(jīng)濟(jì)以及安全方面都具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，霍爾電流傳感器已經(jīng)成為了當(dāng)前形勢(shì)下對(duì)鋰離子電池電壓進(jìn)行測(cè)量的一種主要器件。再如，對(duì)通信模塊硬件的設(shè)計(jì)，必須是借助在信息采集周期內(nèi)大量電池電壓及電流傳輸?shù)幕A(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)，將通信采集板與SOI 總線相連接，其中主控器與信息采集模塊之間也可通過對(duì)SPI 總線的時(shí)鐘、電流電壓地輸出及輸入線相互連接，并共用這三條總線路。主控模塊通過片選信號(hào)與SPI 接口連接，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通信技術(shù)。相反地，未實(shí)現(xiàn)信息采集的數(shù)據(jù)還會(huì)被保存至信號(hào)采集芯片內(nèi)。在電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中，HIA 需要借助CAN 的通信方式，才能實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的互相連接，進(jìn)而將電池信息系統(tǒng)內(nèi)的信息，完整地提供給智能汽車的控制器，來幫助用戶進(jìn)行分析與決策。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可通過模塊化程序來完成設(shè)計(jì)，鋰離子電池的最底層部分主要由外圍設(shè)備與工作電路組成的硬件環(huán)境。軟件驅(qū)動(dòng)則主要由CAD 驅(qū)動(dòng)文件、內(nèi)存讀寫驅(qū)動(dòng)組成。軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)鋰離子電池多任務(wù)及程序調(diào)度方面的工作，其應(yīng)用程序也主要由信息采集模塊、狀態(tài)估算表、顯示器以及均衡控制器等模塊構(gòu)成。軟件操作系統(tǒng)環(huán)境安全可靠，還可對(duì)擴(kuò)展鋰離子電池的使用功能，基本上滿足了鋰離子電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本需求。軟件系統(tǒng)在不斷運(yùn)行過程中，從電池的通電-系統(tǒng)啟動(dòng)-系統(tǒng)優(yōu)化都需要通過硬件接口完成，待系統(tǒng)初始化完成之后，讀取系統(tǒng)在停機(jī)之前的各類參數(shù)信息，再結(jié)合鋰離子電池正常狀態(tài)下的系統(tǒng)信息，來估算電池的健康狀態(tài)。

4.3 軟、硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

在對(duì)嵌入式鋰離子電池管理系統(tǒng)完成軟、硬件設(shè)計(jì)之后，還需要檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，通過搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)鋰離子電池的使用性能完成檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容主要包括電池管理系統(tǒng)的主控板、測(cè)控版、電池組、觸摸屏等部件，以此來確保各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足智能電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。以電池管理系統(tǒng)硬件中的數(shù)據(jù)信息采集模塊的功能為例，對(duì)該模塊的電壓精度進(jìn)行檢測(cè)主要通過以下方式完成：先分別對(duì)電池單體電壓、總電壓進(jìn)行檢測(cè)，再利用愛德克斯充放電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)單體電池和總電池的電壓值進(jìn)行檢測(cè)，最后與電池管理系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，來驗(yàn)證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確程度，保證信息采集可以滿足電池系統(tǒng)管理涉及的基本要求。

5 結(jié)語

綜上所述，嵌入式鋰離子電池已經(jīng)成為了智能汽車電池的首要選擇。因此，做好電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)，隨著5G 時(shí)代、大數(shù)據(jù)以及人工智能模式的到來，鋰離子電池管理系統(tǒng)還結(jié)合智能汽車的運(yùn)行參數(shù)、用戶習(xí)慣以及路況等的信息進(jìn)一步優(yōu)化電池的使用性能，實(shí)時(shí)調(diào)整電池的參數(shù)信息。在今后，更加安全、可靠以及完善的技術(shù)將會(huì)得到大力的推廣與應(yīng)用，智能汽車的安全性、可靠性以及智能水平也會(huì)向著更好的方向不斷發(fā)展。