電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

紀(jì)文煜

摘 要：能源危機(jī)和生態(tài)危機(jī)產(chǎn)生的人類生存壓力越來越明顯，汽車產(chǎn)業(yè)受能源危機(jī)和生態(tài)危機(jī)的雙重影響，電動(dòng)汽車的研發(fā)儼然是大趨勢。電動(dòng)汽車的問世減少了環(huán)境污染，緩解了生態(tài)壓力，而其也減少了能源消耗，在解決能源枯竭問題方面有著積極意義。其研發(fā)與應(yīng)用得益于其電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，這也是新型能源汽車研發(fā)中的核心命題。本文主要就電動(dòng)汽車所對應(yīng)的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)方面的系統(tǒng)研究，以通過硬件與軟件的系優(yōu)化設(shè)計(jì)，帶來電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化，帶來電動(dòng)汽車研發(fā)的新革命，使得其性能逐步提升，助力新能源汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 動(dòng)力電池 管理系統(tǒng) 設(shè)計(jì)分析

Design and Research of Power Battery Management System for Electric Vehicles

Ji Wenyu

Abstract：The pressure on human survival caused by the energy crisis and the ecological crisis is becoming more and more obvious. The automobile industry is affected by the dual impact of the energy crisis and the ecological crisis. The research and development of electric vehicles seems to be a general trend. The advent of electric vehicles has reduced environmental pollution and alleviated ecological pressure， and it has also reduced energy consumption， which has a positive significance in solving the problem of energy depletion. Its research and development and application benefit from the design optimization of its battery management system， which is also the core proposition in the research and development of new energy vehicles. This article mainly conducts system research on the design of the battery management system corresponding to electric vehicles， and optimizes the design through the system of hardware and software， which brings about the optimization of the battery management system， brings a new revolution in the research and development of electric vehicles， and makes its performance gradually improved， facilitating the innovative development of the new energy automobile industry.

Key words：electric vehicle， power battery， management system， design analysis

汽車產(chǎn)業(yè)是市場經(jīng)濟(jì)中的一大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其快速發(fā)展的背后也引發(fā)人類關(guān)于生態(tài)性問題、能源利用問題的深刻思考，當(dāng)前生態(tài)危機(jī)加劇，能源緊張的現(xiàn)實(shí)讓部分產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限，而汽車產(chǎn)業(yè)首當(dāng)其沖。鑒于傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不足，研究新能源汽車成為備受矚目的課題，而電動(dòng)汽車的問世無疑為汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來曙光。對于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)研發(fā)和性能發(fā)揮、來說，起核心作用的是電池，而其對應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是重中之重，電池作為其能量源泉，其系統(tǒng)則負(fù)責(zé)能量來源——電池運(yùn)行情況的分析、數(shù)據(jù)的采集、故障的判斷、運(yùn)動(dòng)控制等，系統(tǒng)性能優(yōu)劣對汽車安全性和功能性發(fā)揮的影響是直接而深刻的。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池工作原理

當(dāng)前汽車的動(dòng)力電池多對為金屬燃料，主要構(gòu)成是鋁，基于其材料選擇和性能循環(huán)的優(yōu)化考慮，電池負(fù)極為金屬材料，正極則采用泡沫石墨烯，其電解液主要成分是四氯化鋁，實(shí)現(xiàn)了充放電的有效循環(huán)，即使在常溫條件下也可以正常循環(huán)運(yùn)作。其正極所對應(yīng)的石墨烯材料屬于典型的層狀材料，其能有效容納陽離子，實(shí)現(xiàn)電解液內(nèi)陰離子的容納，讓動(dòng)力電池放電形成良性循環(huán)。

2 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大技術(shù)支持

2.1 參數(shù)檢測與分析

工作參數(shù)檢測是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先要考慮的問題，工作參數(shù)檢測涵蓋多個(gè)方面，從工作電力到電壓再到電溫等，在這些工作參數(shù)檢測的過程中[1]，重點(diǎn)是進(jìn)行單體電池的電壓具體數(shù)值的測量，進(jìn)行電壓穩(wěn)定性分析，以此明確電池工作狀態(tài)。荷電狀態(tài)的估算時(shí)，必須使用單體電池的電壓，以電壓數(shù)據(jù)為支持同步開展其他功能的數(shù)據(jù)計(jì)算。

2.2 SOC初始值估算

SOC算法主要是對電池SOC初始值計(jì)算，當(dāng)前主要是卡爾曼濾波法。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是算法進(jìn)行的保障，大量的數(shù)據(jù)分析中找到電池準(zhǔn)確使用的關(guān)鍵性信息，在明確電池兩端溫度信息集電壓值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行SOC算法計(jì)算[2]，確保數(shù)值高準(zhǔn)確度。初始值之所以為初始值主要是其扮演的是基礎(chǔ)輸入值的角色，在濾波方法的支持下，進(jìn)行SOC數(shù)值的估算。算法中對應(yīng)的計(jì)算公式需要進(jìn)行線性化處理，基于誤差協(xié)方差矩陣，估算出具體的誤差范圍。

2.3 均衡控制設(shè)計(jì)研究

均衡控制技術(shù)被認(rèn)為是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)性能發(fā)揮的主要技術(shù)支持，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，其關(guān)系到電池性能的有效發(fā)揮，其主要起控制作用。一般來說的，單體電池性能最差的部分決定整體電池組的性能穩(wěn)定性，類似于木桶效應(yīng)。如果單體電池的使用狀態(tài)不同，會(huì)導(dǎo)致電容量降低，產(chǎn)生電池過防或者過充的問題，使得電池壽命嚴(yán)重縮短。因此均衡控制致力于電池使用壽命的提升，致力于其使用效率的提升[3]，致力于電池組中電池性能的均衡控制。均衡控制是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)中的投入與關(guān)注必須到位。

3 動(dòng)力電池的性能要求

3.1 安全性要求

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展對汽車的運(yùn)行穩(wěn)定性要求較高，其中安全性要求是處于第一位的。因此是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，也是其設(shè)計(jì)的落腳點(diǎn)。要切實(shí)保證人身安全，鋰電池電池儲(chǔ)存的能量與安全性是反比關(guān)系，電池容量的增加對應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)加大，常引發(fā)溫度超高或者過低、電池短路、漏液等系列問題。因此設(shè)計(jì)中安全的關(guān)注是重中之重。

3.2 高能量密度要求

動(dòng)力電池具有高能量密度要求，而這一指標(biāo)也是電池性能的主要評(píng)判指標(biāo)，其又反映到電池的續(xù)航里程上。因此在動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中必須追求高能量密度，這也是鋰電池的優(yōu)勢所在，加上其體積小，質(zhì)量輕，備受推崇。

3.3 高功率密度要求

高功率密度不同于高能量密度概念，其具體對應(yīng)的是電池單位體積輸出的功率，其與能量密度沒有直接聯(lián)系，更側(cè)重電池倍率性能的反映與描述，表現(xiàn)為汽車的爬坡能力、加速效果等。

3.4 長壽命要求

在電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究中也應(yīng)基于成本因素和維護(hù)便利的考慮，盡可能地關(guān)注到動(dòng)力電池的長壽命要求，減少對其壽命的不利影響因素[4]。電動(dòng)汽車使用中其充放電次數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致電池的磨損，電池老化等，而在高溫等惡劣環(huán)境下，電池的使命壽命會(huì)大大縮短，這也是當(dāng)前電動(dòng)汽車日常推廣效果不理想的主要影響因素，需要在設(shè)計(jì)上不斷創(chuàng)新，突破，以希望有效地克服該問題。

3.5 成本合理控制要求

鑒于電動(dòng)汽車普及推廣的要求，必須關(guān)注其成本合理控制問題。而動(dòng)力電力管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也能影響到成本的控制。對于純電動(dòng)汽車來說，電池成本問題引發(fā)的熱議并不少，其甚至占到了汽車生產(chǎn)總成本的50%，因此在設(shè)計(jì)上追求成本的縮減且性能不變，是設(shè)計(jì)中的重要課題。

4 電池管理系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)研究

當(dāng)前電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多采用分布式結(jié)構(gòu)，其中處于底層的是動(dòng)力電池信息基礎(chǔ)采集模塊，主要承擔(dān)電池工作參數(shù)檢測及電池使用狀態(tài)的信息反饋等任務(wù)。涉及到諸如電流、電壓及溫度的數(shù)據(jù)檢測與分析[5]。而上層主要是主控制器，主要負(fù)責(zé)對底層收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中性的處理，讓底層硬件與主控制器進(jìn)行合理的通信，進(jìn)行SOC的估算，輔助其與上位機(jī)的信息通訊等。

4.1 硬件設(shè)計(jì)研究

硬件電路設(shè)計(jì)研究是動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大主體。其對系統(tǒng)的整體性性能發(fā)揮影響明顯，其又細(xì)分為荷電狀態(tài)估算、電池均衡控制等多個(gè)具體方面，其設(shè)計(jì)成效對電池管理系統(tǒng)性能影響是顯而易見的，具體影響到電池管理系統(tǒng)的安全度、通信效率和放電控制效果等。本文的設(shè)計(jì)研究集中在中央控制單元設(shè)計(jì)、電池電壓電流采集設(shè)計(jì)、單體電池均衡控制設(shè)計(jì)、熱安全管理與上位機(jī)通信設(shè)計(jì)等幾個(gè)較為核心的部分。

4.1.1 中央控制單元設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)中中央控制單元設(shè)計(jì)如它的名字那樣，是起中央控制作用的。具體來說，涉及到電力參數(shù)的接收、電池溫度數(shù)據(jù)的接收等，并對這些接收到的信息進(jìn)行有效的分析與處理，進(jìn)行SOC的估算[6]，以明確電量是否有剩余及具體的剩余情況，及時(shí)發(fā)出運(yùn)行命令進(jìn)行控制，且輔助進(jìn)行其與上位機(jī)的信息交流與共享。當(dāng)前中央控制單元的發(fā)展趨于模塊化設(shè)計(jì)，整體電路系統(tǒng)較為復(fù)雜，以模塊化的設(shè)計(jì)帶來各項(xiàng)功能模塊的分工協(xié)作，也方便后續(xù)的維護(hù)與檢修。

4.1.2 電池電流與電壓采集電路設(shè)計(jì)

在中央控制設(shè)計(jì)之外，要重視電流、電壓采集，相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)必不可少，這也是電池SOC估算的參數(shù)保證。當(dāng)前電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，其性能要求提高，對應(yīng)的采集電路精度要求提高。多數(shù)電池組采用的是4節(jié)鋰電池的布局模式，單節(jié)電池電壓為3.2V，對應(yīng)的電壓上限時(shí)3.65V，因?yàn)橹骺刂破鞯腁/D轉(zhuǎn)換通道接口能承受的最高電壓時(shí)3.3V，為保證單片轉(zhuǎn)換接口安全，精確度必須有保障，因此常選用CHV-25閉環(huán)霍爾傳感器，以進(jìn)行電壓的有效測量。傳感器與電池組的正負(fù)兩端分別相連，采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)信號(hào)到主控制器的傳輸，最后在上位機(jī)上顯示出來。在總電壓采集電路的設(shè)計(jì)中需要明確當(dāng)前應(yīng)用較為常見的電壓檢測方法，如電阻分壓、飛渡電容、運(yùn)算放大器差分放大法等，電阻分壓更適用于單體電池的電壓采集，雖然其累積誤差無法避免，但其不利影響可以忽略不計(jì)。電流采集電路設(shè)計(jì)與電壓采集設(shè)計(jì)相似，其對應(yīng)的電流傳感器型號(hào)為WCS275，以閉環(huán)磁補(bǔ)償電流原理為設(shè)計(jì)導(dǎo)向，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且輔助實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)獲取。

4.1.3 熱管理電路設(shè)計(jì)

電池組長期在高溫環(huán)境下作業(yè)是不允許的，會(huì)降低電池性能，不利于其穩(wěn)定供電，因此必須引入熱管理電路設(shè)計(jì)，以該控制系統(tǒng)減少或者規(guī)避高溫對電池組的負(fù)面影響。在外界溫度較低時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一定熱量，以實(shí)現(xiàn)外界低溫壓力的緩解。而電池溫度較高時(shí)則啟動(dòng)降溫措施，如電風(fēng)扇降溫，使得溫度在合理范圍內(nèi)。特別是其有預(yù)警與自動(dòng)工作閾值設(shè)定，當(dāng)溫度達(dá)到閾值限制，熱管理電器自動(dòng)運(yùn)作，進(jìn)行電池組的降溫處理。

4.1.4 單體電池均衡電路

均衡電路設(shè)計(jì)的初衷是解決單體電池電壓不均衡的問題。若不均衡時(shí)，自動(dòng)對電池組中超過設(shè)定閾值的電壓進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)過余電量的有效消耗，讓單體電池處于均衡狀態(tài)。要取得電路均衡控制的理想效果，往往需要進(jìn)行分流電阻均衡電路器的開關(guān)控制設(shè)計(jì)，其也能帶來電路的設(shè)計(jì)簡化與高效運(yùn)作。

4.2 軟件設(shè)計(jì)研究

對于電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，硬件設(shè)計(jì)之外，軟件設(shè)計(jì)也不能缺位與疏忽。軟件設(shè)計(jì)相較于硬件設(shè)計(jì)來說，設(shè)計(jì)的內(nèi)容較少，主要集中在控制、電量檢測、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)三大方面。

4.2.1 軟件設(shè)計(jì)中的控制實(shí)現(xiàn)

在電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中，要讓軟件設(shè)計(jì)控制目標(biāo)有效達(dá)成，主要是借助主模塊對采集模塊、電池組、SOC估算、故障記錄等模塊進(jìn)行有效控制。其中進(jìn)行電池組模塊的控制設(shè)計(jì)時(shí)需要對電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)有著充分的認(rèn)識(shí)，了解到其具體的運(yùn)動(dòng)速度，判斷電池的工作模式是否與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的模式相一致[7]，在發(fā)現(xiàn)不一致后繼電器收到動(dòng)作命令，使得電池組在合理的串并聯(lián)模式下有效運(yùn)行。而其就故障記錄模塊的控制設(shè)計(jì)主要是利用軟件系統(tǒng)，將電池使用中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行一一列舉，進(jìn)行電流故障、高壓故障、低壓故障、高溫故障、低溫故障等不同故障類型的梳理，明確故障類型后找到其對應(yīng)的硬件電路，進(jìn)行指示燈的合理設(shè)置。若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，可以借助鳴蜂器明確故障類型，讓故障指示燈顯示預(yù)警，做好單體電池的定位分析，并表現(xiàn)為文字標(biāo)簽式的提示?？刂颇K設(shè)計(jì)中也必須增加對故障類型的記錄設(shè)計(jì)功能，方便后期的維護(hù)查看等。充放電的控制模塊功能受充電機(jī)和負(fù)載電路的雙重控制，控制效果更理想。

4.2.2 軟件設(shè)計(jì)中的電量檢測

在軟件設(shè)計(jì)中也涉及到電量檢測的問題，電量檢測的算法設(shè)計(jì)要根據(jù)電池模型決定，常用的是三階等效模型，基于其高階特點(diǎn)及使用中可能產(chǎn)生的高斯白噪聲等，進(jìn)行電量的檢測分析。電池狀態(tài)切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的噪聲，甚至有一定的震蕩現(xiàn)象，會(huì)在一定程度上影響到軟件設(shè)計(jì)中的電量檢測準(zhǔn)確度，有明顯的誤差存在。在車輛運(yùn)動(dòng)中如果出現(xiàn)震動(dòng)問題，也干擾到電池的電量檢測，因此要想解決這一問題，需要在設(shè)計(jì)上下功夫，可以將嵌入式及電池檢測濾波算法融入其中，進(jìn)行濾波算法的合理擴(kuò)展，在電池電量發(fā)生變化時(shí)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)噪聲的濾除。

4.2.3 軟件設(shè)計(jì)中上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)關(guān)注

在汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)也不容忽視，其作為電池管理系統(tǒng)的CAN通信節(jié)點(diǎn)，需要接收主控單元發(fā)送的電池組狀態(tài)信息，及時(shí)獲得報(bào)警信息提示等，其上位機(jī)的主板不具備CAN接口，其無法進(jìn)行通信，因此需要將CAN接口卡與上位機(jī)已經(jīng)有的通信接口轉(zhuǎn)化為CAN可通信接口，以USBCAN-II為例，其能將USB接口轉(zhuǎn)化為CAN接口，使其有效接入到電池管理系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，其該接口具備二次開發(fā)函數(shù)庫的作用，能兼容多種開發(fā)環(huán)境。上位機(jī)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注相應(yīng)基礎(chǔ)功能的實(shí)現(xiàn)。如對電壓、溫度及總電壓等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)行SOC估算狀態(tài)及繼電器狀態(tài)顯示等[8]。如故障報(bào)警分析，一般紅燈對應(yīng)有故障且故障為一級(jí)，黃燈表示有故障且故障等級(jí)為二級(jí)，綠燈表示無故障存在。如下位機(jī)發(fā)送電池生產(chǎn)的相關(guān)信息，發(fā)送電池管理系統(tǒng)自身運(yùn)作產(chǎn)生的諸多信息等，下位機(jī)接收到這些信息后及時(shí)將其存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間中。這些電池組運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)將為電池組的后續(xù)維護(hù)檢修提供指導(dǎo)與參考。設(shè)計(jì)完成配合電池管理系統(tǒng)的精度測試，進(jìn)行上位機(jī)記錄的數(shù)據(jù)和高精度萬用表測量數(shù)據(jù)的綜合分析，對比研究，在反復(fù)試驗(yàn)后確保其誤差范圍合理，確保其高采集精度。

5 結(jié)語

積極做好電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)系到電池的使用壽命，關(guān)系到電動(dòng)汽車運(yùn)行安全性等，也關(guān)系到生態(tài)環(huán)境，關(guān)系到能源保護(hù)，需要引起足夠的關(guān)注。而新能源、純電動(dòng)汽車的研發(fā)趨勢更明顯，這離不開專業(yè)的創(chuàng)新的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，只有深入該課題的研究與探討，指導(dǎo)專業(yè)的設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)到位，電池管理系統(tǒng)性能發(fā)揮更穩(wěn)定，電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景也將更廣闊。在電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的創(chuàng)新研究上，依然是任重而道遠(yuǎn)，需要我們持續(xù)的研究關(guān)注與不斷的研究投入。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉亞運(yùn).鋰離子電池SOC估計(jì)與電池組均衡技術(shù)研究[D].安徽理工大學(xué)，2019.

[2]李欣陽.基于STM32的分體式BMS主控單元設(shè)計(jì)[D].青島大學(xué)，2019.

[3]張寶利.基于功能安全的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)，2019.

[4]翁志福.新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué)，2019.

[5]方揚(yáng)帆.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)檢測平臺(tái)研究[D].中國計(jì)量大學(xué)，2019.

[6]何忠霖.純電動(dòng)車鋰離子動(dòng)力電池組SOC估算及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西華大學(xué)，2019.

[7]王正義.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組均衡管理策略研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].蘇州大學(xué)，2019.

[8]李仁政.基于平板熱管的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池液冷式熱管理系統(tǒng)散熱性能研究[D].江蘇大學(xué)，2019.