新能源汽車用動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計

李曉霖 王志強(qiáng) 李春鵬

摘 要：電對于新能源汽車而言，其在運行過程中十分重要的參數(shù)就是電池荷電狀態(tài)（SOC， state-of-charge）。電池荷電狀態(tài)的綜合估算算法主要包括由靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法、動態(tài)安時計量法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法三個部分的結(jié)合。通過實驗得到，對比于普通的算法，綜合估算算法有較高的精確度，其最大誤差不超過2%。另外，利用電子開關(guān)式集中均衡充電網(wǎng)絡(luò)的形式，使得電池組中電池單體之間保持一致性，有效防止個別單體電池出現(xiàn)過充電、過放電的問題，使得電池組的壽命持續(xù)時間更長。

關(guān)鍵詞：新能源;動力;電池管理系統(tǒng)

動力電池組對于電動汽車起著非常大的能源作用。由于電動汽車需要較大的功率，需要很多電池串并聯(lián)的方式形成電池組，面對數(shù)量十分龐大的電池組成的電池組，更要加強(qiáng)對其進(jìn)行相關(guān)管理，保障電動汽車運行的安全性。與此同時，因為電動汽車本身具有較為復(fù)雜的運行情況，在一定程度上加大了對于電磁管理方面的難度。另一方面，可能會出現(xiàn)制造工藝方面的缺陷，無法確保每一個電池都是一致的，這就導(dǎo)致有些電池利用過程中出現(xiàn)過度充電或過度放電的現(xiàn)象，長此以往，這部分電池將使用壽命將會大大降低，不利于整個電池組的使用，甚至可能會有爆炸等潛在性安全隱患，對人的生命安全構(gòu)成一定威脅。因此，需要加強(qiáng)對電池的合理性管，特別是要注重電池性能的一致性。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 概述

本文所描述的分布式電池管理系統(tǒng)，包含了許多個電池管理單元。對于其中的每一個電池管理單元，都能夠?qū)﹄姵氐膯误w電壓、母線電流、母線電壓、節(jié)點溫度進(jìn)行精確的檢測。根據(jù)單體電壓和母線電壓的相關(guān)信息維持其均衡狀態(tài)，而節(jié)點溫度則是對電池組熱方面進(jìn)行管理，主電池管理不僅要具備上述功能，還要對從電池管理單元傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，對電池的荷電狀態(tài)估算，同時，相關(guān)信息需要通過Flash存儲器儲存起來，方便之后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。分布式系統(tǒng)主要由功能相同的多個設(shè)備組成，并使用LIN總線在多個設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)。電池組總線電壓、電池組總線電流、電池組電壓和電池組節(jié)點溫度感測是每個電池管理單元的功能。電流采樣使用霍爾電流傳感器，單節(jié)電壓采樣具有20個通道，MCU內(nèi)置的AD模塊以12位采樣精度使用，節(jié)點溫度由單總線數(shù)字溫度計DS18B20收集。 MCU分析電路采樣結(jié)果以建立合理的控制策略并發(fā)送控制信號，實現(xiàn)電路均衡和溫度保護(hù)電路。

1.2 特點

整個系統(tǒng)設(shè)計特點包括以下幾個方面，首先，電壓采樣模塊和均衡模塊采樣線共同利用。其次，利用單總線數(shù)字式溫度計DS18B20對節(jié)點溫度進(jìn)行收集。從而收集到更加精確的各點溫度，然后利用CRC校驗確保通信更加準(zhǔn)確。最后，外接風(fēng)扇，如果檢測到其中一個節(jié)點溫度過高，其實應(yīng)該馬上打開風(fēng)扇進(jìn)行降溫處理，防止長時間高溫狀態(tài)對電池造成損害。如果風(fēng)扇處理后，其溫度仍然較高，就不能是電池保持在充放電狀態(tài)，這樣可以確保電池正常工作。第四，均衡電池組。利用非耗散式、集中均衡管理電路來具體實施。通過電子式開關(guān)切換均衡電路，避免電磁的干擾。整個過程主要利用DC/DC變換器對每個電池單元都從電池組中重新分配，并傳遞到低能耗電池組，以平衡整個電池組。根據(jù)結(jié)果，使用電子開關(guān)式中央均衡充電模塊可以幫助維持更一致的電池并有效地延長使用壽命。第五，運用類單總線性結(jié)構(gòu)采集電壓，使用MCU發(fā)出控制命令，接收到信號后，每個電池單元都會據(jù)此調(diào)整電路，并在處理后將電壓信號輸入到內(nèi)置在MCU中的12位AD模塊。結(jié)果顯示，采集誤差小于1%，并且霍爾信號傳感器可以采集電流信號，從而使采集結(jié)果更加準(zhǔn)確。第六，電池管理單元的數(shù)據(jù)傳遞是利用LIN通信總線實現(xiàn)的。第七，CAN通信總線的兩大功能：（1）系統(tǒng)調(diào)試過程，運用CAN轉(zhuǎn)USB設(shè)備，把系統(tǒng)和PC機(jī)連接起來，從而可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和電池數(shù)據(jù)的標(biāo)定;（2）具體使用過程，將CAN總線連入整車CAN網(wǎng)，使得電動汽車上各個控制器之間能夠相互通信。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

模塊化設(shè)計師系統(tǒng)軟件的顯著特點，主要包含：系統(tǒng)初始化模塊、均衡控制模塊、電池信息采集模塊、SOC估算模塊、通信模塊和熱管理模塊。利用自頂向下的設(shè)計形式，具體實施過程首先要將頂層模塊之間的執(zhí)行順序確定，然后再進(jìn)行各個模塊內(nèi)部的相關(guān)程序設(shè)計。

在電池管理系統(tǒng)中，電池的SOC估算始終是一個重難點，需要引起重視并且不斷在這方面進(jìn)行深入探索，從而更好地實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的運用。主要是由于電池內(nèi)部有著十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)以及電動汽車運行工況等因素共同影響。本設(shè)計中使用的估計策略主要包括動態(tài)電流測量，靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余功率算法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法主要依賴于大量的實驗數(shù)據(jù)，上一次電池使用時的相關(guān)信息以及對電池實時檢測得到的有關(guān)信息共同結(jié)合，以此為依據(jù)對電池初始的SOC進(jìn)行估計。在使用車輛之前，首先使用靜態(tài)自學(xué)習(xí)剩余容量算法估算電池SOC的初始值。啟動后，電池SOC的實時估計主要通過電流測量方法和擴(kuò)展卡爾曼濾波方法的組合來估計。其中所需要的實驗數(shù)據(jù)主要是指在各個溫度下，電池處于充電狀態(tài)和充電狀態(tài)時開路電壓和SOC的關(guān)系數(shù)據(jù)。這種算法的具體過程包括以下幾點。首先，系統(tǒng)開機(jī)時要收集到上一次電池工作完成時電池所處的狀態(tài)、電池的SOC以及上一次系統(tǒng)斷電時間等各方面信息;其次，記錄啟動時間并計算兩個小時的間隔。再次，通過測量獲得每個電池單元兩端的電壓。最后，通過綜合構(gòu)建使用自適應(yīng)算法獲得的信息來獲得初始電池SOC。在計算出初始SOC之后，將其用作輸入，并使用動態(tài)電流表測量和擴(kuò)展的卡爾曼濾波來交互式實現(xiàn)電池SOC的實時估算。

3 加強(qiáng)電池管理系統(tǒng)的建設(shè)

根據(jù)新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)所運用的硬件裝置，建設(shè)更加合理的軟件管理基礎(chǔ)構(gòu)件，再結(jié)合計算機(jī)軟件技術(shù)的高科技技術(shù)對其管理基本框架進(jìn)行完善和優(yōu)化，對管理指令采取更加科學(xué)規(guī)范的處理方式，有效地確保各個系統(tǒng)功能層在信息傳遞時的獨立狀態(tài)，避免了在多個信息同時反饋時所造成的相互間干擾，造成結(jié)果的較大誤差，保證各功能層能夠準(zhǔn)確的將相關(guān)任務(wù)指令傳達(dá)，使得傳輸過程更加高效且獨立。另外，如果要將動力電池的管理系統(tǒng)軟硬件更好地結(jié)合，需要構(gòu)建兩者之間更緊密的聯(lián)系，在之后的發(fā)展過程中不斷提高和加強(qiáng)。在電池管理系統(tǒng)各個硬件的使用以及軟件指令傳達(dá)和軟件系統(tǒng)的監(jiān)督下，能夠使得各個硬件對自身完成相關(guān)檢測與管理維護(hù)，從而能夠及時的發(fā)現(xiàn)軟件使用過程中可能會出現(xiàn)的故障問題，進(jìn)而能夠被軟件管理系統(tǒng)監(jiān)測到有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并將這些信息通過傳遞存儲的動力電池管理系統(tǒng)中，給使用者提供維修警示。電池供電的安全穩(wěn)定對于新能源汽車正常運行至關(guān)重要，與使用者的生命安全息息相關(guān)，在社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，動力電池生產(chǎn)技術(shù)得到了進(jìn)一步創(chuàng)新與提高，在動力電池溫度所帶來的相關(guān)不利影響方面，已經(jīng)得到了很好的解決，對于新能源汽車動力電池更加穩(wěn)定、高效、安全工作帶來十分積極的影響。

4 結(jié)束語

總結(jié)得到，提高動力電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化與完善工作是當(dāng)前需要著重解決的問題，是促進(jìn)我國新能源汽車行業(yè)更穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵部分之一，也是帶給新能源汽車制造廠帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的前提。其中十分重要的方面就是電池組SOC估算和電池均衡技術(shù)，也是其中需要突破的重難點之一，還介紹了維持電池組中電池的一致性，防止電池單體出現(xiàn)過充電或過放電的問題，導(dǎo)致其使用率下降。此外，還能通過各種算法的結(jié)合，準(zhǔn)確的得到電池組的剩余電量。

資助項目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)校級科研項目（項目編號：KJ1813）。

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