新能源汽車產(chǎn)業(yè)中計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐

李 江 濤

（濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，河南 濮陽 457000）

在新能源汽車產(chǎn)業(yè)中計(jì)算機(jī)技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，從汽車的控制系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)再到動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)技術(shù)都為行車安全和行車可靠性做出了重要貢獻(xiàn)。本文分析了新能源汽車電池儲(chǔ)能的原理及過程，探討新能源汽車產(chǎn)業(yè)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐，并通過分析未來技術(shù)的發(fā)展趨勢，討論新能源汽車在節(jié)約不可再生能源等方面的突出作用，以此來推動(dòng)新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

新能源技術(shù)的發(fā)展為汽車行業(yè)帶來了新的生機(jī)。電動(dòng)汽車是新能源系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，在“雙碳”背景下，由于風(fēng)電光伏的不穩(wěn)定要求建設(shè)與之相對應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)來解決電力供需不匹配的問題，電化學(xué)儲(chǔ)能被認(rèn)為是當(dāng)前解決電力“消納難”的關(guān)鍵技術(shù)。相比于傳統(tǒng)燃油汽車，新能源汽車的電路組織更加復(fù)雜，涉及的計(jì)算機(jī)技術(shù)更多，比如電力驅(qū)動(dòng)汽車有三大關(guān)鍵領(lǐng)域，分別是電池、電控和電機(jī)。動(dòng)力電池組作為汽車的核心能源裝置，不僅需要計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)分析其工作狀態(tài)，還需要通過計(jì)算機(jī)程序來精準(zhǔn)控制每個(gè)電芯的充放電過程，以此來達(dá)到最理想最穩(wěn)定的工作效果。下文將深入分析新能源汽車產(chǎn)業(yè)中計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐。

1 新能源汽車電池儲(chǔ)能的原理及過程

儲(chǔ)能是雙碳背景下重要的靈活性調(diào)節(jié)資源，儲(chǔ)能技術(shù)解決可再生清潔能源波動(dòng)性與間歇性等瓶頸問題，在配電側(cè)實(shí)現(xiàn)發(fā)電與負(fù)荷的動(dòng)態(tài)平衡。2021年全球汽車電池管理系統(tǒng)市場規(guī)模達(dá)33.41億美元，較上年增長94.4%。MCU 為新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，其由多個(gè)模塊組成，在汽車運(yùn)行過程中，MCU 負(fù)責(zé)時(shí)刻監(jiān)測動(dòng)力電池組的工作狀態(tài)，并根據(jù)行車指令等智能調(diào)整動(dòng)力電池的放電行為。MCU 通過通信模塊、存儲(chǔ)模塊、智控模塊完成對汽車電流、電壓等各項(xiàng)參數(shù)的收集與分析，按照既定的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)智能控制，對于行車安全性和行車穩(wěn)定性至關(guān)重要。

1.1 電池儲(chǔ)能及控制

利用計(jì)算機(jī)完成動(dòng)力電池系統(tǒng)的管理依賴于電池信息的實(shí)時(shí)收集，由各類傳感器收集所得的信號經(jīng)通信系統(tǒng)輸入到控制單元，然后再分別進(jìn)行均衡、模式管理以及繼電器控制，在此過程中會(huì)涉及狀態(tài)估計(jì)(SOC/SOH/SOP/SOE)、電氣防護(hù)、充電管理、通訊、信號采集、診斷等技術(shù)，控制完成之后由系統(tǒng)輸出信號，再由信號來控制電池組的各項(xiàng)行為。在新能源汽車中，除去電池包外力受損原因，大部分的自燃現(xiàn)象都是由于電池過充而引起，所以新能源汽車廠家在設(shè)計(jì)電池包時(shí)都會(huì)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)準(zhǔn)確估算電池內(nèi)部的狀態(tài)量，通過電子電路來實(shí)現(xiàn)過分保護(hù)。由于新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)更加復(fù)雜，快充狀態(tài)下的充電功率較大，所以簡單的電子電路很難做到對過充現(xiàn)象的精準(zhǔn)判斷，而是需要使用更為復(fù)雜的計(jì)算機(jī)技術(shù)來盡可能估算充電過程中電池的內(nèi)部實(shí)際電量。

1.2 新能源汽車電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成

新能源汽車電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括電池組、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲(chǔ)能變流器(PCS)等部分。電池組是儲(chǔ)能系統(tǒng)最核心的構(gòu)成部分，而電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、儲(chǔ)能變流器(PCS)則起到協(xié)同配合作用。

電池管理系統(tǒng)是儲(chǔ)能+新能源車的核心，其擁有廣泛的市場成長空間。電池管理系統(tǒng)（BMS）主要功能是實(shí)現(xiàn)電池單元的智能化管理及維護(hù)，通過狀態(tài)監(jiān)測、異常故障保護(hù)等方法，監(jiān)管電池狀態(tài)，延長電池使用壽命，已在各類電子電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。新能源汽車及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)BMS整體市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。

能量管理系統(tǒng)EMS 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和能量調(diào)度等，具體而言包括設(shè)備層、通訊層、信息層和應(yīng)用層。設(shè)備層完成能量采集變換；通訊層包括鏈路、協(xié)議、傳輸?shù)?；信息層主要包括緩存中間件、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器，其中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和重要?dú)v史數(shù)據(jù)；應(yīng)用層功能涵蓋能量變換決策、能源數(shù)據(jù)傳輸和采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測控制、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制等。

儲(chǔ)能變流器PCS 的主要功能為控制儲(chǔ)能電池組的充電和放電過程，進(jìn)行交直流的變換。

2 新能源汽車產(chǎn)業(yè)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

2.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在電池儲(chǔ)能中的應(yīng)用

推進(jìn)BMS/EMS 向數(shù)據(jù)賦能、智能化方向發(fā)展。首先，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的深度挖掘，提升儲(chǔ)能運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維，儲(chǔ)能價(jià)值挖掘。其次，基于大數(shù)據(jù)與AΙ等技術(shù)，完成自主診斷、自主修復(fù)，簡化運(yùn)維流程并提升儲(chǔ)能安全。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算等，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)診斷能力、告警能力、控制能力以及決策能力。

信息化賦能儲(chǔ)能系統(tǒng)，提升產(chǎn)品數(shù)字化水平。首先，能夠完成智能化賦能儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、異常告警、故障診斷、消防安全資源一體化協(xié)調(diào)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)加密。其次，在運(yùn)維方面，實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化、故障自恢復(fù)等。最后，完成數(shù)字化仿真等技術(shù)賦能儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過大數(shù)據(jù)分析、AΙ、邊緣計(jì)算等技術(shù)賦能策略優(yōu)化。

2.2 計(jì)算機(jī)技術(shù)在行車電腦中的應(yīng)用

隨著汽車智能化的發(fā)展，行車電腦（ECU）的功能越來越復(fù)雜，如今的行車電腦已經(jīng)不僅僅是一個(gè)電子控制單元，除了燃油車中控制噴油量、油氣混合比等功能外，新能源中的行車電腦還會(huì)配合車機(jī)系統(tǒng)讓駕駛實(shí)現(xiàn)對汽車的智能操控，比如汽車中所有的電氣設(shè)備、油門剎車系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)等都可以由行車電腦來控制。傳統(tǒng)基于蓄電池為動(dòng)力基礎(chǔ)的新能源車輛在運(yùn)行中，極易出現(xiàn)車輛在運(yùn)行過程中電能耗盡且不能得到及時(shí)補(bǔ)充的情況，嚴(yán)重影響了車輛的正常使用，而通過BMS 系統(tǒng)的控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電氣連接，從而為新能源汽車儲(chǔ)能創(chuàng)造條件。

2.3 計(jì)算機(jī)技術(shù)在電子診斷中的應(yīng)用

目前的新能源汽車維修都需要借助于各類計(jì)算機(jī)設(shè)備，如動(dòng)平衡機(jī)、解碼器等等，不同于以往的汽車維修手段，在電子診斷技術(shù)的幫助下，新能源汽車的維修將擁有更可靠的質(zhì)量，故障點(diǎn)定位及故障排除更加精準(zhǔn)。

新能源汽車的動(dòng)力電池組是核心能量系統(tǒng)，汽車的行車安全很大程度上都依賴于動(dòng)力電池組的運(yùn)行穩(wěn)定性，為了讓動(dòng)力電池時(shí)刻保持在正常的工作狀態(tài)，新能源汽車通常需要對其進(jìn)行定期的維修檢測。目前市面上流行的汽車動(dòng)力電池芯類型為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種，除此之外還有燃料電池等其他小眾化新能源電池，不同的電池種類在故障檢測等方面也存在著較為明顯的差別，所以在動(dòng)力電池的保養(yǎng)及維修過程中會(huì)用到計(jì)算機(jī)診斷等故障點(diǎn)定位技術(shù)。以鋰電池安全診斷為例，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠針對電芯自加熱熱失控、過充/短路/加熱熱失控、針刺/擠壓熱失控、電芯比熱容測試、導(dǎo)熱系數(shù)等問題進(jìn)行安全診斷，從而提升電池儲(chǔ)能能力，為新能源汽車正常運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

目前絕大部分的新能源汽車都配備有智能化元素，如自動(dòng)駕駛技術(shù)、360°影像輔助、智能車燈系統(tǒng)、智能中控臺(tái)等，這些智能系統(tǒng)讓新能源汽車的電路組成更加復(fù)雜，檢修難度也會(huì)隨之增加。與傳統(tǒng)的燃油汽車不同，燃油汽車的電子電路故障通常不會(huì)影響汽車的正常駕駛，只會(huì)使汽車的某一項(xiàng)輔助功能失去作用，而新能源汽車由于其能源系統(tǒng)為動(dòng)力電池組，當(dāng)汽車的電路發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)引起電池輸出功率異常，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)火災(zāi)，對行車安全構(gòu)成威脅。為此，應(yīng)構(gòu)建新能源汽車有效儲(chǔ)能系統(tǒng)，規(guī)模化推進(jìn)智能化充電基礎(chǔ)設(shè)施建立，建立“電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化”的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施，為防范及解決電路系統(tǒng)問題創(chuàng)造條件。

3 結(jié) 語

計(jì)算機(jī)技術(shù)在新能源汽車中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，新能源汽車結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)可以幫助駕駛員更好地控制汽車，同時(shí)也通過對汽車各項(xiàng)參數(shù)的收集時(shí)刻保持汽車行駛穩(wěn)定性，保證行車安全。隨著5G 技術(shù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，未來的新能源汽車必然會(huì)向著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，汽車中所運(yùn)用的計(jì)算機(jī)技術(shù)也將越來越豐富。