新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研究

吳丹

咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省咸陽市 712000

從2012年我國國務(wù)院辦公廳頒布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》至去年發(fā)布的符合《新能源汽車廢舊動(dòng)力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》企業(yè)名單位（第二批）看，我國動(dòng)力電池的回收利用管理政策相對(duì)健全。為新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了較好的政策支持。根據(jù)新能源汽車動(dòng)力電池發(fā)展情況看，我國去年上半年新能源汽車銷售總量累計(jì)達(dá)到了120.7萬輛。同比增長201.4%，滲透率已經(jīng)超過了12.8%。新能源汽車動(dòng)力電池裝車輛因累計(jì)52.5GW·h，其中，磷酸鐵鋰電池與三元電池的裝車輛分別為22.3GW·h、30.2GW·h，同比增長42.3%、139.1%。因此，在高質(zhì)量發(fā)展階段，十分有必要結(jié)合其發(fā)展趨勢(shì)，增強(qiáng)新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研發(fā)。下面先對(duì)其工作原理做出說明。

1 新能源汽車動(dòng)力電池工作原理概述

從構(gòu)成要素看，新能源汽車動(dòng)力電池中以金屬燃料為主，當(dāng)使用金屬鋁時(shí)充電與放電之間的循環(huán)較難完成?，F(xiàn)階段應(yīng)用了石墨烯材料，它不僅具有與鋰離子相似的功能，而且能夠透過該材料的層狀結(jié)構(gòu)達(dá)到對(duì)陰離子與陽離子的較好容納。從工作原理上看，主要是在動(dòng)力電池的正極選擇泡沫石墨烯材料，在其負(fù)極正常應(yīng)用四氯化鋁金屬材料。當(dāng)電解液為負(fù)極陰離子時(shí)，能夠于常溫條件下，保障充放電的可逆性，從而實(shí)現(xiàn)充電與放電之間的高效循環(huán)，最終保障整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 新能源汽車動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)分析

在新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用過程中，牽涉到多項(xiàng)技術(shù)。由于常規(guī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用時(shí)主要按照模塊化處理方案，分設(shè)各個(gè)管理模塊，因此，在檢測(cè)模塊、估算模塊、均衡模塊相對(duì)重要的情況下，其中比較關(guān)鍵的技術(shù)也集中到了工作參數(shù)檢測(cè)、SOC算法、均衡控制等方面。分述如下：

2.1 工作參數(shù)檢測(cè)

在動(dòng)力電池管理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要設(shè)置多項(xiàng)參數(shù)保障系統(tǒng)正常工作。其中，主要包括：（1）電池電壓；（2）工作電流；（3）溫度等。通常在對(duì)此類工作參數(shù)進(jìn)行具體檢測(cè)時(shí)，往往集中在數(shù)據(jù)采集與分析方面，旨在借助數(shù)據(jù)管理達(dá)到對(duì)其所處狀態(tài)的預(yù)判目的。例如，在對(duì)上述工作參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要先完成對(duì)單體電池電壓測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，再通過對(duì)該數(shù)據(jù)的分析，預(yù)判動(dòng)力電池所處的工作狀態(tài)。再如，在荷電狀態(tài)估算方面，只有對(duì)單體電池使用時(shí)的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集與有效分析，才能為其估算提供必要條件。

2.2 SOC算法

對(duì)動(dòng)力電池SOC初始值進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般會(huì)借助靜態(tài)學(xué)習(xí)方式選擇殘余電量計(jì)算方法（靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余功率算法），動(dòng)態(tài)電流測(cè)量方法，以及在SOC算法方面選擇擴(kuò)展卡爾曼濾波法。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，應(yīng)用靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余功率算法計(jì)算SOC初始值時(shí)，需要積累大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能得到相對(duì)精準(zhǔn)的電池使用信息。同時(shí)，要求計(jì)算人員對(duì)電池電壓值與電池兩端溫度信息進(jìn)行有效控制與關(guān)聯(lián)使用。由于運(yùn)算時(shí)使用的公式屬于非線性方程，因而在使用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的實(shí)踐過程中，計(jì)算人員還需要對(duì)其進(jìn)行線性化處理并結(jié)合估算值與誤差協(xié)方差矩陣完成對(duì)誤差范圍的估算，從而達(dá)到對(duì)SOC估算值的校準(zhǔn)。

2.3 均衡控制

在新能源動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，均衡控制一直是難點(diǎn)中的難點(diǎn)，當(dāng)均衡控制策略失當(dāng)時(shí)，不僅不能達(dá)到預(yù)期的系統(tǒng)管理目標(biāo)，也會(huì)使管理系統(tǒng)性發(fā)揮偏差，出現(xiàn)管理漏洞。從整體電池組性能的使用情況看，與“木桶短板原理”十分相似，整體性能的優(yōu)良與否，由最差的單體電池性能部分決定。因而，當(dāng)單體電池性能使用時(shí)的狀態(tài)出現(xiàn)不一致的情況時(shí)，會(huì)引發(fā)過度充放現(xiàn)象，從而降低整體電池組的使用性能，減少其使用壽命。從此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的均衡控制經(jīng)驗(yàn)看，需要將控制重點(diǎn)放在整體電池組上。

3 新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

目前，我國新能源汽車動(dòng)力電池種類相對(duì)較多，主要包括：（1）三元電池；（2）磷酸鐵鋰電池；（3）鋰離子電池；（4）鉛酸電池；（5）鎳氫電池等，裝車中的動(dòng)力電池多由單體電池串聯(lián)組合而成。隨著電池使用時(shí)間的延長，單體電池與單體電池之間會(huì)形成一定的容量，并且，在電壓與溫度等方面發(fā)生較大差異，當(dāng)其高于標(biāo)準(zhǔn)范圍之后會(huì)對(duì)電池使用性能與壽命產(chǎn)生直接影響。所以，在此類動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)單體電池的工作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果合理控制工作參數(shù)等。本次研究中主要根據(jù)這種實(shí)際需求，構(gòu)建了以單體電池、單片機(jī)核心電路、充放電控制、CANBUS為主要組成部分的系統(tǒng)架構(gòu)，具體如下圖1所示：

圖1 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

其中，工作參數(shù)檢測(cè)主要集中在對(duì)單體電池1、單體電池2、……、單體電池n的溫度檢測(cè)與電壓檢測(cè)，以及充放電時(shí)的電流變化檢測(cè)方面。并以檢測(cè)獲取的工作參數(shù)為依據(jù)，對(duì)整體電池組中的SOC荷電進(jìn)行估算，從而對(duì)剩余電量做出精準(zhǔn)計(jì)算。同時(shí)，通過動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)信息庫，可以對(duì)工作狀態(tài)實(shí)施有效控制。尤其在傳輸電池狀態(tài)方面通過對(duì)CAN-BUS的運(yùn)用，能夠?qū)?dòng)力電池單片機(jī)控制單元中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)剑囕v總控單元、電機(jī)控制單元，保障各單元之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，考慮到動(dòng)力電池管理系統(tǒng)物理層面的實(shí)際需求，設(shè)置了檢測(cè)電路、采集電路、轉(zhuǎn)換電路。其中檢測(cè)電路又與電量估算、管理方式進(jìn)行同步設(shè)置。分述如下：

首先，在檢測(cè)電路方面，控制芯片選擇了常用且容易進(jìn)行編程操作的單片機(jī)，從而借助“通信電路+充放電電路”構(gòu)成檢測(cè)電路控制系統(tǒng)?？紤]到整體電池組電壓在上百伏特以上的因素，能夠借助電阻分壓辦法，在該檢測(cè)電路控制系統(tǒng)下完成對(duì)單體電池電壓的檢測(cè)。

其次，在該系統(tǒng)估算剩余電荷量方面，選擇了電流時(shí)間積分法。為了保障該方法獲得有效運(yùn)用，需要滿足電流充放電數(shù)值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。電流數(shù)據(jù)采集工作流程如下：（1）確定采集電阻；（2）轉(zhuǎn)換充放電電流；（3）獲得電壓數(shù)據(jù)；（4）數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)接口。由于電流采集時(shí)電池組存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因而在保障其安全方面，應(yīng)對(duì)單體電池實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與檢驗(yàn)，本次研究中配置了電池溫度傳感器，將其直接安裝在單體電池表面，以此達(dá)到對(duì)實(shí)時(shí)溫度的有效監(jiān)測(cè)。具體連接方面，主要通過數(shù)據(jù)線，將傳感器單線接口與微處理器連接起來，并保障雙向通訊功能的暢通。考慮到從零下70℃～140℃之間電阻值隨溫度升高而增加的基本情況后，選擇了Pt100溫度傳感器。反復(fù)實(shí)驗(yàn)后的溫度與電阻值對(duì)照表如下表1所示。

表1 溫度與電阻值對(duì)照表

第三，在整體電池組的管理形式選擇方面，根據(jù)預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)方案選擇了分布式形式，根據(jù)主從分布的結(jié)構(gòu)形式對(duì)各類工作參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、SOC值估算、過度充放電現(xiàn)象控制等。具體設(shè)置方面：（1）主要是將整車通信系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、上位機(jī)串口、CAN接口等全部連接到控制板模塊。（2）將主控板模塊獨(dú)立功能、采集板模塊獨(dú)立功能關(guān)聯(lián)起來，這樣能夠在主從分布管理方案下，通過采集板模塊完成單體電池工作參數(shù)檢測(cè)，同時(shí)利用主控制板模塊完成電流采集、數(shù)據(jù)分析、SOC估算。（3）在二者聯(lián)合功能下，借助對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用，使動(dòng)力電池控制模塊、主控板模塊、上位機(jī)通信模塊實(shí)現(xiàn)全面連接。并形成以“電池組—傳感器—采集板模塊—主控板模塊—上位機(jī)通信模塊—人機(jī)交互界面模塊”為基本環(huán)節(jié)的主從分布管理方案。

在采集電路方面重點(diǎn)要預(yù)防外部環(huán)境產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，本次研究中考慮到隔離方案下采集電路的復(fù)雜性問題，結(jié)合實(shí)際情況選擇了CHB-200SF霍爾電流傳感器，用于對(duì)系統(tǒng)電流的集中采集。具體設(shè)計(jì)中，主要結(jié)合“電磁感應(yīng)”原理，在電流傳感器內(nèi)部穿過電源線，從而得到電流值。

動(dòng)力電池組設(shè)置后要求配置配套的輔助電源，通常使用此類電源時(shí)的電壓以12V為主。為了保障該電壓能夠順利轉(zhuǎn)換到不同的供電模塊，本次研究中首先設(shè)置了工作時(shí)供電電壓為5V的MCU芯片、3.3V/5V的隔離芯片，以及保障電壓獲得時(shí)的轉(zhuǎn)換芯片。其中，轉(zhuǎn)換芯片共分為三類：（1）TPS73233低壓穩(wěn)定芯片滿足隔離芯片轉(zhuǎn)換需求；（2）LM2596穩(wěn)壓芯片滿足MCU芯片轉(zhuǎn)換需求；（3）LM2574穩(wěn)壓芯片滿足電流采集電路供電電壓需求（±12V）。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

在控制策略方面，本次研究中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以主從分布控制為主，除主控制模塊外，其余的分控制模塊包括：（1）采集模塊；（2）電池組模塊；（3）故障記錄模塊；（4）充放電控制模塊；（5）SOC算法模塊；（6）人機(jī)交互模塊等。在該方案下主要是通過主控制模塊控制（1）～（6）中的模塊。

以電池組模塊控制為例，控制時(shí)的重點(diǎn)放在新能源電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)狀態(tài)，與電池管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)模式的一致性判斷方面，其中的核心集中在汽車運(yùn)動(dòng)速度上。當(dāng)預(yù)判結(jié)果顯示為不一致時(shí)，則可以通過管理繼電器發(fā)出的動(dòng)作，合理的將電池組控制在串并聯(lián)模式下使其處于安全運(yùn)行狀態(tài)。具體設(shè)計(jì)時(shí)采用Code Warrior v8.3軟件，不僅滿足語言編譯，也能夠?qū)Υa錯(cuò)誤進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，提高編程效率。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程主要包括如下步驟：新建工程—代碼編寫（系統(tǒng)程序初始化、主程序、中斷程序、各子程序）—編譯（自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)誤代碼后返回）—下載到目標(biāo)板—程序運(yùn)行—調(diào)試（不滿足要求時(shí)返回代碼編寫）—軟件設(shè)計(jì)完成。由于每個(gè)具體模塊采用了一體化封裝，因而在具體的程序編寫時(shí)，可以借助該軟件中的數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能、PWM輸出功能、Capture計(jì)數(shù)功能等，使軟件系統(tǒng)獲得簡(jiǎn)化，進(jìn)而提高軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，并在節(jié)省編程時(shí)間的情況下，保障編程質(zhì)量。Code Warrior v8.3軟件開發(fā)環(huán)境如下圖2所示。

圖2 Code Warrior v8.3軟件開發(fā)環(huán)境示意（局部）

4 結(jié)語

總之，新能源汽車中的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，在車輛能源供給、安全使用、高效運(yùn)行等方面，均發(fā)揮著重大作用，為了化解續(xù)航里程短、研發(fā)成本高的實(shí)際問題，在新時(shí)期應(yīng)充分結(jié)合高質(zhì)量發(fā)展需求，增強(qiáng)對(duì)該系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)能力。通過以上初步分析可以看出，在實(shí)踐過程中，一方面應(yīng)結(jié)合新材料、新技術(shù)、新方法，科學(xué)合理的構(gòu)建與有利于解決上述問題，提高新能源汽車動(dòng)力電池使用效用的設(shè)計(jì)方案。另一方面則需要根據(jù)現(xiàn)階段實(shí)踐中已經(jīng)確立的標(biāo)準(zhǔn)研究程序，從工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、方案研發(fā)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，開展具體實(shí)踐，從而提高此類管理系統(tǒng)的研發(fā)效率與設(shè)計(jì)水平。