基于新能源電池安全的控制系統(tǒng)研究

梁雪松

（吉林北斗航天汽車研究院有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

新能源汽車逐步的發(fā)展，新能源電池的創(chuàng)新也越來越多，受益于政策扶持和環(huán)保轉(zhuǎn)型的大方向，新能源電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展一直較為迅速，產(chǎn)量和銷量同樣持續(xù)快速增長。多數(shù)電動(dòng)汽車應(yīng)用的是磷酸鐵鋰電池，這種電池技術(shù)成熟、安全，但缺點(diǎn)是能量密度底，導(dǎo)致電動(dòng)汽車的續(xù)航里程短，難以滿足消費(fèi)者的要求；對(duì)于鈷酸鋰電池而言，雖然能量密度大，但安全性較低，且成本高，所以新能源電池的安全性是導(dǎo)致新能源汽車事故的多發(fā)原因。為了解決新能源電池的短路等安全性的問題，本文基于對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)新能源電池的控制系統(tǒng)做了研究，主要由電池系統(tǒng)，終端系統(tǒng)，云端系統(tǒng)相互組合，實(shí)現(xiàn)安全控制系統(tǒng)，使新能源電池的安全性，可靠性得到提高。

1 電池系統(tǒng)的控制管理

電池管理系統(tǒng)為一套保護(hù)新能源電池使用安全的控制系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài)，通過必要措施緩解電池組的不一致性，為新能源電池的使用安全提供保障。電池管理系統(tǒng)主要有電池充放電控制功能，總電壓及總電流監(jiān)控功能，單體電壓監(jiān)控功能，單體電池均衡功能，電池SOC評(píng)估功能，電池組溫度管控功能，電池組安全控制功能，故障診斷和處理等功能。

電池內(nèi)短路是最復(fù)雜、最難確定的熱失控誘因，是目前電池安全領(lǐng)域的國際難題，可導(dǎo)致災(zāi)難性后果。在本文的研究中利用對(duì)稱環(huán)形電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相關(guān)算法，可以在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)多節(jié)電池單體進(jìn)行批量內(nèi)短路檢測(cè)，能夠識(shí)別出0–100 kΩ量級(jí)的內(nèi)短路并準(zhǔn)確估算內(nèi)短阻值，電池管理系統(tǒng)通過短時(shí)間的驗(yàn)證結(jié)果，周期性循環(huán)檢測(cè)，以報(bào)文形式發(fā)送給終端，遠(yuǎn)程管理人員實(shí)時(shí)獲取短路信息，如果發(fā)現(xiàn)有短路現(xiàn)象，通知電池使用者直接停止使用此電池或遠(yuǎn)程管理人員遠(yuǎn)程關(guān)閉電池，提高電池的安全性。

2 終端系統(tǒng)控制管理

打造多功能，低功耗，滿足國標(biāo)要求的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備，基于PKI技術(shù)、密碼學(xué)技術(shù)及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，構(gòu)建功能完善、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的數(shù)據(jù)安全防護(hù)系統(tǒng)和運(yùn)行管理機(jī)制，保證端到端的服務(wù)安全，為新能源電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控提供了高性價(jià)比終端系統(tǒng)控制管理解決方案。

終端分集成式終端和單體式終端，集成式終端是集成設(shè)計(jì)在車輛其他裝置或系統(tǒng)內(nèi)的裝置，本文設(shè)計(jì)的終端就是集成式終端，和電池管理系統(tǒng)集成的設(shè)備；單獨(dú)設(shè)計(jì)為獨(dú)立的裝置或系統(tǒng)的終端為單體式終端，大多作為車載終端使用。

終端系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的前端設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)電池信息的采集，存儲(chǔ)，傳輸及控制；終端系統(tǒng)通過CAN BUS總線和電池管理系統(tǒng)通信，也可把終端系統(tǒng)硬件集成到電池管理系統(tǒng)中，更加便于接收數(shù)據(jù)，終端系統(tǒng)集成了GPS，網(wǎng)絡(luò)通信等無線通信模塊，主要實(shí)現(xiàn)信息的智能錄入，數(shù)據(jù)采集，車輛定位，遠(yuǎn)程控制，安防服務(wù)等功能。

終端系統(tǒng)對(duì)電池管理系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析及保存電池及系統(tǒng)部件的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；終端對(duì)電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，頻次不低于次/500 ms，終端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分發(fā)，處理時(shí)間應(yīng)小于500 ms，最后將采集整理的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

存儲(chǔ)在終端內(nèi)的數(shù)據(jù)及與云端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是可加密的，加密數(shù)據(jù)具有完整性，準(zhǔn)確性和不可否認(rèn)性；提供時(shí)間和日期，時(shí)間精確到秒，日期精確到日，與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相比時(shí)間誤差24h內(nèi)±5s，車載終端應(yīng)按照最大不超過30s時(shí)間間隔將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)中，當(dāng)電池出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，終端應(yīng)按照最大不超過1s時(shí)間間隔將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)中。終端內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)容量應(yīng)滿足至少7d的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，終端內(nèi)部存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)滿時(shí)，應(yīng)具備內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的自動(dòng)循環(huán)覆蓋功能，終端內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)具有可讀性，終端斷電停止工作時(shí)，應(yīng)完整保存斷電前保存在內(nèi)部介質(zhì)的數(shù)據(jù)不丟失。協(xié)議設(shè)計(jì)可參照電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范國標(biāo)協(xié)議。

3 云端控制管理

云端控制主要核心功能是將終端發(fā)送上來的原始數(shù)據(jù)通過各種數(shù)據(jù)分析的手段轉(zhuǎn)換成對(duì)用戶有意義的信息； 針對(duì)各種數(shù)據(jù)類型，提供相應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析功能和安全控制功能，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)解析，遠(yuǎn)程控制等功能組成，遠(yuǎn)程掌握電池動(dòng)態(tài)信息，包括電池運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息等，實(shí)時(shí)、無縫的與部署在云架構(gòu)上的管理后臺(tái)互聯(lián)，利用大數(shù)據(jù)挖掘和分析等技術(shù)，為客戶帶來獨(dú)創(chuàng)的遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程控制等集成的高科技體驗(yàn)，為用戶提供智能、安全、節(jié)能、高效的綜合服務(wù)。

在云端接收到電池有短路數(shù)據(jù)，根據(jù)協(xié)議遠(yuǎn)程服務(wù)向終端發(fā)送控制命令，終端對(duì)接收到的命令進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)校驗(yàn)無誤時(shí)，終端向遠(yuǎn)程服務(wù)返回應(yīng)答并執(zhí)行控制命令，立即切斷短路電路及發(fā)出報(bào)警，通知電池使用人員，以免造成危險(xiǎn)。

本文在云端采用的控制策略是基于XACML的，XACML是可擴(kuò)展訪問控制標(biāo)記語言，用于決定請(qǐng)求/響應(yīng)的通過訪問控制策略語言和執(zhí)行授權(quán)策略的框架，對(duì)云端分布式系統(tǒng)的資源訪問控制由單一管理方式變成了分布式管理方式，分布式的接口調(diào)用采用是Spring Cloud Feign，Spring Cloud Feign是 基 于Netflix feign實(shí)現(xiàn)，整合了Spring Cloud Ribbon和Spring Cloud Hystrix，除了提供這兩者的強(qiáng)大功能外，還提供了一種聲明式的Web服務(wù)客戶端定義的方式，支持負(fù)載均衡。云端和終端發(fā)送的數(shù)據(jù)為加密方式，每次控制命令下發(fā)采用加密方式，提供軟硬結(jié)合型密碼模塊，支持主流密碼算法，基于密碼模塊為關(guān)鍵數(shù)據(jù)提供機(jī)密性和完整性防護(hù)；提供隱私保護(hù)、用戶數(shù)據(jù)訪問特權(quán)保護(hù)，防止隱私泄露和命令篡改。

對(duì)基于電池短路數(shù)據(jù)的運(yùn)行方式如下：

（1）上報(bào)流程；電池管理系統(tǒng)收集單電池狀態(tài)信息，時(shí)刻對(duì)電池之間的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和上報(bào)，電池管理系統(tǒng)得到短路信息后上報(bào)給終端，同時(shí)提示屏中提示，以便在場的工作人員查看，檢修；終端獲取到短路信息數(shù)據(jù)傳輸給云端，云端經(jīng)過驗(yàn)證數(shù)據(jù)異?；螂姵爻霈F(xiàn)短路現(xiàn)象，通過短信、微信等情況通知相關(guān)人員，此時(shí)電池系統(tǒng)，終端，云端的上報(bào)工作結(jié)束。

（2）控制流程：控制流程分手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，手動(dòng)控制主要是一些非緊急情況下的流程控制，例如參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)升級(jí)等。自動(dòng)控制指緊急狀態(tài)下的流程控制，例如電池出現(xiàn)重大事故，自燃等電池緊急狀態(tài)；不論是那種控制流程，首先云端通過控制策略進(jìn)行下發(fā)預(yù)定的控制策略，當(dāng)云端判斷電池出現(xiàn)短路，立即下發(fā)高級(jí)別控制策略，一是發(fā)送信息給相關(guān)管理人員；二是遠(yuǎn)端直接控制電池狀態(tài)，云端通過和終端的身份驗(yàn)證，發(fā)送控制命令給電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)，確認(rèn)命令后，切斷短路電路，發(fā)送報(bào)警，改變電池使用狀態(tài)，至此控制流程結(jié)束。

4 結(jié)束語

本文主要從電池系統(tǒng)，終端系統(tǒng)，云端系統(tǒng)的組合上對(duì)新能源電池安全的控制系統(tǒng)做了深入研究，通過理論研究結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)的形式將生產(chǎn)出更加安全的新能源電池，上述運(yùn)行方式中的所有情況都需在控制流程中測(cè)試無誤，在運(yùn)行到出產(chǎn)的電池產(chǎn)品中。隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路承載容量在許多城市已達(dá)到飽和，交通安全、出行效率、環(huán)境保護(hù)等問題日益突出。新能源電池作為新一代的能源，安全環(huán)保是至關(guān)重要的，所以做好新能源電池的安全保障是必不可少的。

云端作為能源信息化與工業(yè)化深度融合的重要領(lǐng)域，對(duì)促進(jìn)汽車、能源、信息通信產(chǎn)業(yè)的融合和升級(jí)，及相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)和價(jià)值鏈體系的重塑具有重要意義。當(dāng)前，正處于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展關(guān)鍵時(shí)期，能源行業(yè)的安全及行業(yè)法律法規(guī)的完善是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)健康發(fā)展的保障。核心的技術(shù)和應(yīng)用應(yīng)是物聯(lián)網(wǎng)需要重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)和應(yīng)用，而這些技術(shù)和應(yīng)用細(xì)分下去是非常龐大的技術(shù)體系，因此需要許多電池廠商一起合作來共同打造這個(gè)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。本文以淺顯的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和新能源電池做了有機(jī)的結(jié)合，也符合當(dāng)下及未來行業(yè)發(fā)展路線，5G時(shí)代的到來，基于云端的新能源電池安全問題將得到更好的解決。