基于新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張海燕

(湛江科技學(xué)院，廣東 湛江 524255)

0 前言

新能源汽車所需動(dòng)力由多種動(dòng)力電池組成的動(dòng)力電池組提供，加強(qiáng)對動(dòng)力電池組的管理是保障新能源汽車安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化尤為關(guān)鍵。

1 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及意義

隨著現(xiàn)代社會(huì)對能源的大量消耗，傳統(tǒng)能源越來越不能滿足社會(huì)日益增長的能源消耗需求。此外，隨著環(huán)境法規(guī)的日益嚴(yán)格，世界各國也積極尋求新的能源來替代傳統(tǒng)能源。

我國一直致力于新能源技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用，新能源逐漸成為社會(huì)發(fā)展的主要能源，而作為能量來源的動(dòng)力電池是新能源汽車的核心部件，受到人們的廣泛關(guān)注。

現(xiàn)階段，由電池管理系統(tǒng)控制的動(dòng)力電池充放電效率可達(dá)98%以上，有著很好的供電效果。但是，電池管理系統(tǒng)存在不均衡性，在保證動(dòng)力電池安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)防止電池出現(xiàn)過充電、過放電和過電流等問題。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要有兩方面：一方面是動(dòng)力電池運(yùn)行具有較高的復(fù)雜性，在一定程度上對于電池管理系統(tǒng)的要求較高；另一方面是電池本身的制造工藝存在差異，很難保證每塊電池性能都完全相同。因此，需要對動(dòng)力電池管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以保障動(dòng)力電池的使用性能。

2 存在的問題

2.1 過充電與過放電

新能源汽車動(dòng)力電池的主要功能是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。電池過度充電會(huì)導(dǎo)致電池在化學(xué)反應(yīng)過程中的還原能力減弱，電池使用壽命縮短。動(dòng)力電池長時(shí)間過度充電會(huì)使電極表面半透膜發(fā)生破裂，電極材料與電極液接觸發(fā)生反應(yīng)，增加了電解液的反應(yīng)副產(chǎn)物。此外，電池長時(shí)間充電會(huì)使電池的溫度升高，在“熱失控”狀態(tài)下引發(fā)電池過熱或爆炸。

動(dòng)力電池放電過程是為新能源汽車提供動(dòng)力的過程。動(dòng)力電池放電時(shí)，會(huì)有安全使用的電壓閾值范圍。當(dāng)電池放電達(dá)到設(shè)定的電壓閾值后，若電池繼續(xù)放電，會(huì)出現(xiàn)過放電現(xiàn)象。

電池過度放電會(huì)使其內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高，破壞電極活性物質(zhì)的可逆性，從而加速電池性能的衰退，致使電池組整體性能降低。

2.2 電池系統(tǒng)均衡一致性不佳

電池系統(tǒng)均衡一致性是指動(dòng)力電池組內(nèi)所有電池單體的綜合性趨于一致。在電池循環(huán)應(yīng)用過程中，電池單體之間的性能差異會(huì)越來越明顯，會(huì)影響動(dòng)力電池組的整體性能。除了電池單體材料和制造工藝造成的單體性能差異外，電池的使用環(huán)境、使用壓力和電池管理質(zhì)量都會(huì)影響動(dòng)力電池組與電池系統(tǒng)之間的一致性。這種不均衡性會(huì)產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，從單一電池的失效不斷擴(kuò)散到整個(gè)電池系統(tǒng)的整體失效，從而嚴(yán)重影響新能源汽車的使用[1]。

2.3 電池管理系統(tǒng)溫度敏感性差

環(huán)境對電池的影響較大，電池系統(tǒng)對溫度的適用性較差，極易影響電池的性能和使用壽命。在低溫狀態(tài)下，電池進(jìn)行充電會(huì)因電極材料自身特點(diǎn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部極化增大，無法正常充電。而電池在低溫時(shí)放電，又會(huì)加速電池性能的衰速。而在高溫狀態(tài)下，電池內(nèi)部則會(huì)產(chǎn)生大量不可逆的副反應(yīng)，導(dǎo)致電池容量快速降低，直至電池失去工作能力。

3 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能需求

對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前，需分析電池管理系統(tǒng)的通用性需求。電池管理系統(tǒng)為集成嵌入式控制單元，具備多路模擬和信息輸入輸出端口，全面覆蓋電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)信息的收集。電池管理系統(tǒng)根據(jù)這些信息分析電池的狀態(tài)，有效管控電池，使電池始終在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，其主要功能包括以下幾個(gè)方面。

(1)電氣喚醒功能。設(shè)定電池的高低電平，當(dāng)電氣接口輸入低電平時(shí)，不會(huì)喚醒電池管理系統(tǒng)，而當(dāng)監(jiān)控或整車輸入高電平時(shí)，則會(huì)喚醒電池管理系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)自檢功能。該功能是電池管理系統(tǒng)的基本管控功能。當(dāng)接入電源后，電池管理系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行自我檢車指令，分析系統(tǒng)各個(gè)模塊的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，并在車輛顯示屏上顯示正常或故障信息。

(3)預(yù)充電功能。電池管理系統(tǒng)具備預(yù)充電控制功能。一般情況下，車輛在預(yù)充電開啟1.2 s內(nèi)需要將母線電壓預(yù)充95%以上，系統(tǒng)同時(shí)對母線電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測。

(4)狀態(tài)轉(zhuǎn)換功能。電池管理單元(BMU)有電源上電、啟動(dòng)成功、駕駛模式、緊急斷電(EPO)等數(shù)種狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)需求進(jìn)行狀態(tài)切換。

(5)溫度管理功能。電池管理系統(tǒng)在收集電池溫度狀況后，可以對電池散熱器、散熱風(fēng)扇進(jìn)行管控。

(6)高壓互鎖功能。動(dòng)力電池由電流環(huán)組成，各個(gè)單體電池之間存在高壓部件和連接開關(guān)，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測所有高壓部件是否連接完好，并判斷輸入輸出電壓的差異，確定高壓回路連接是否正常。

(7)通信功能。各個(gè)模塊之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間都可以通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)通信來實(shí)現(xiàn)信息交互。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)的硬件功能與電氣架構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)前電池管理系統(tǒng)主要有集中式和主從分布式2種架構(gòu)。本文主要分析主從分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。從控裝置和電池可以就近布置，主控系統(tǒng)和從控系統(tǒng)采用汽車專用CAN進(jìn)行通信連接，確保系統(tǒng)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。主控模塊與整車控制器、車載充電機(jī)、電機(jī)控制器進(jìn)行交互，滿足當(dāng)前動(dòng)力系統(tǒng)的電壓采集要求：主控模塊需要具備3路CAN 通信才能滿足整車通信要求，第1路CAN通信線路為主控系統(tǒng)與從控內(nèi)部系統(tǒng)的通信；第2路CAN通信線路為整車控制器與電機(jī)的通信；第3路CAN通信線路為整車與車載充電器的通信。

3.2.2 BMU 模塊

BMU 模塊是電池管理系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)，由微控制單元(MCU)系統(tǒng)、CAN 通信電路、總電壓采集電路、總電流采集電路等多種電路控制部件組成。BMU 模塊設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)方面：①CAN 通信電路設(shè)計(jì)。通過高速CAN 收發(fā)器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。收發(fā)器設(shè)計(jì)有隔離功能，可以隔斷多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間的銅線，避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓過高的問題，有效保障通信質(zhì)量與可靠性。②絕緣電阻檢測電路設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段絕緣電阻檢測方式主要有2種，一種是直流電壓檢測法；另一種是通過輸入低頻信號，分析注入信號的電壓幅值來判斷絕緣狀態(tài)，該方式可以實(shí)時(shí)應(yīng)用并同時(shí)監(jiān)測信號，且不會(huì)改變被測電池的絕緣值。③高壓互鎖電路設(shè)計(jì)。采用恒流源輸出電路，在輸入端接入100Ω的電阻，通過MCU 收集相應(yīng)電阻上的分壓，從而實(shí)現(xiàn)高壓回路的安全檢測。④總電壓和總電流采集電路設(shè)計(jì)。電壓采用差分采樣獲取信號，而電流則采用雙通道霍爾電流傳感器進(jìn)行檢測，在電壓進(jìn)入傳感器后會(huì)放大信號，直接由MCU 進(jìn)行模擬信號的數(shù)據(jù)采集，可分為小電流檢測和大電流檢測。⑤高壓控制部件和溫度管理控制的電路設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要是對散熱器開關(guān)、散熱風(fēng)扇開關(guān)、高壓控制等部件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，一般采用控制驅(qū)動(dòng)芯片，可實(shí)現(xiàn)高精度管控[2]。

3.2.3 內(nèi)存管理單元(MMU)模塊

內(nèi)存管理單元(MMU)模塊的主要作用是輔助BMU 模塊，獲取更具有針對性的信息，為BMU 模塊提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)參數(shù)。MMU 模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有：①輔助電源電路設(shè)計(jì)。由降壓開關(guān)穩(wěn)壓器和外圍電路組成，通過電壓轉(zhuǎn)換為最小系統(tǒng)供電。②CAN 通信接口電路設(shè)計(jì)。采用與主控模塊一樣的CAN 收發(fā)器進(jìn)行CAN 通信電路設(shè)計(jì)，使主控系統(tǒng)和從控系統(tǒng)保持協(xié)同。③單體電壓溫度采集電路設(shè)計(jì)。使用電池檢測集成進(jìn)行采集，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并以高精度電壓為基準(zhǔn)。每個(gè)采集模塊的最大輸入電壓不得超過60 V，可以同時(shí)采集多個(gè)電池的電壓值。通過堆疊或聯(lián)合的方式監(jiān)控多個(gè)電池組，每個(gè)模塊具有獨(dú)立的尋址功能，每塊電池?fù)碛歇?dú)立的開關(guān)器件用于控制電池系統(tǒng)使其均衡一致。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 系統(tǒng)自檢和狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序

在BMU 模塊上電工作后，系統(tǒng)將進(jìn)入初始化狀態(tài)，BMU 模塊發(fā)出指令，為MMU 模塊供電，并同時(shí)打開主控與從控系統(tǒng)之間的CAN 通信，系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢完畢且沒有出現(xiàn)異常狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的指令轉(zhuǎn)換到不同的工作模式，系統(tǒng)也會(huì)隨之轉(zhuǎn)換狀態(tài)。例如，在接收到充放電指令后，系統(tǒng)會(huì)對預(yù)充電模擬信息進(jìn)行采集和處理，在確認(rèn)信息無誤后執(zhí)行充放電指令。若檢測到故障，系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)入故障模式，電池進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)所有指令關(guān)閉時(shí)，BMU 模塊會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在任意一種指令上電后，系統(tǒng)可以喚醒BMU 模塊，并且任意一種模式喚醒主控系統(tǒng)都將進(jìn)入電源上電模式，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行自檢。在自檢過后，主控系統(tǒng)方可進(jìn)入其他狀態(tài)。在主控系統(tǒng)接受整車控制命令后，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)上電模式，管理系統(tǒng)控制高壓回路進(jìn)行預(yù)上電，這時(shí)系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行檢測，在預(yù)上電成功后進(jìn)入行駛模式；當(dāng)預(yù)上電失敗時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)報(bào)警，并進(jìn)入故障模式[3]。

3.3.2 系統(tǒng)級芯片算法程序(SOC)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)級芯片算法程序(SOC)是電池管理系統(tǒng)的核心，其原理是利用定時(shí)中斷的方式，在子程序進(jìn)入啟動(dòng)后判斷當(dāng)前程序是否滿足光學(xué)字符驗(yàn)證(OCV)校準(zhǔn)條件。若滿足相關(guān)條件，則進(jìn)行OCV 校準(zhǔn)；若不滿足，則會(huì)進(jìn)入下一判斷環(huán)節(jié)。系統(tǒng)采集電池電壓和電流狀態(tài)，并獲取SOC 數(shù)據(jù)，以判斷SOC 是否需要重啟修正，滿足條件則重啟修正SOC，不滿足則繼續(xù)進(jìn)入下一判斷環(huán)節(jié)。系統(tǒng)不斷重復(fù)此循環(huán)，確保電池管理系統(tǒng)獲取最高的SOC 值及最低的SOC 值，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池管理系統(tǒng)狀態(tài)值[4]。

3.3.3 標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序(SOP)算法程序設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序(SOP)，采用定時(shí)中斷模式，設(shè)定時(shí)間和觸發(fā)模式與SOC 相同。SOP 子程序啟動(dòng)需要獲取當(dāng)前SOC 數(shù)據(jù)和對應(yīng)的SOP 數(shù)據(jù)，然后通過單體電壓獲得最小電壓和單體最大電壓，根據(jù)故障情況識別SOP算法是否存在問題，最終系統(tǒng)將根據(jù)SOP數(shù)據(jù)對電池衰減等相關(guān)性得出最高SOP值和最小SOP值。

3.3.4 故障安全管理程序設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)故障主要是通過中斷喚醒進(jìn)行判斷，其流程與SOC 算法程序基本相同，差別在于故障安全必須按照故障優(yōu)先級進(jìn)行處理，在系統(tǒng)識別故障狀態(tài)后還需增加判斷故障優(yōu)先級的環(huán)節(jié)。該方法能夠增強(qiáng)車輛在行駛狀態(tài)下控制邏輯的判斷。當(dāng)車輛處在行駛狀態(tài)中，出現(xiàn)“禁止高壓”標(biāo)識，系統(tǒng)將降低電池功率輸出，進(jìn)行高壓系統(tǒng)的切斷操作。系統(tǒng)通過故障報(bào)警提示和降低動(dòng)力輸出可以讓駕駛?cè)藛T意識到車輛出現(xiàn)了故障，駕駛?cè)藛T可以采取相應(yīng)的措施，確保人員和車輛的安全[5]。

4 結(jié)語

本文通過對新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)存在問題進(jìn)行分析，探究了當(dāng)前新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備的功能，以此對新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)的電氣架構(gòu)、BMU 模塊、MMU模塊，而軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)檢測程序、控制程序、算法程序、故障管理程序的設(shè)計(jì)。技術(shù)人員應(yīng)全面掌握新能源軟硬件系統(tǒng)相關(guān)知識，在動(dòng)力電池上增強(qiáng)管控效果。