高可靠智能型兩/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉祥，許楊，曾國(guó)建

（安徽銳能科技有限公司，安徽合肥， 230009）

0 引言

近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和共享經(jīng)濟(jì)的快速崛起，共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展如火如荼，共享電動(dòng)自動(dòng)車(chē)作為其中重要的組成部分對(duì)居民的觀念和生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保的共享出行已演變?yōu)榫用窠煌ǖ闹匾绞街籟1]。此外，數(shù)據(jù)顯示截至2021年底，我國(guó)外賣(mài)用戶規(guī)模已達(dá)到5.44億，約為我國(guó)網(wǎng)民數(shù)量的一半，并且規(guī)模還在持續(xù)不斷上升，巨大的需求對(duì)于外賣(mài)配送的效率提出了極高的要求。截至2020年我國(guó)郵政全行業(yè)業(yè)務(wù)總量為21053.2億元，“十三五”期間的年均增速高達(dá)29.9%[2]。疫情期間，我國(guó)網(wǎng)上實(shí)物商品零售仍保持正增長(zhǎng)，同時(shí)，直播帶貨等新型銷(xiāo)售業(yè)態(tài)的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)在“十四五”期間，我國(guó)快遞業(yè)務(wù)量仍將保持25%～35%的增長(zhǎng)速度。

隨著快遞、外賣(mài)、共享出行等行業(yè)的快速發(fā)展，電動(dòng)二/三輪車(chē)行業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展迅速。2018年12月，GB/T36972-2018《電動(dòng)自行車(chē)用鋰離子蓄電池》正式發(fā)布[3]，2019年4月，《GB 17761-2018 電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規(guī)范》（即電動(dòng)自行車(chē)新國(guó)標(biāo)）正式實(shí)施，電動(dòng)自行車(chē)鋰電池淘汰鉛酸電池的進(jìn)程正式拉開(kāi)帷幕。換電式電動(dòng)二/三輪車(chē)具備使用成本低、“無(wú)限”續(xù)航等獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以滿足快遞、外賣(mài)、共享出行等行業(yè)高周轉(zhuǎn)率的要求，因此得到了快速發(fā)展，成為上述行業(yè)首選的交通工具與運(yùn)行模式。

在電動(dòng)二/三輪車(chē)動(dòng)力電池?fù)Q電業(yè)務(wù)中，電池系統(tǒng)及其管理是其核心動(dòng)力來(lái)源和控制模塊[4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)于動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)的研究，多面向單件價(jià)值高的道路汽車(chē)產(chǎn)品，少有研究系統(tǒng)性的關(guān)注小型二/三輪車(chē)用換電動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題[5]。為此，本文根據(jù)快遞、外賣(mài)、共享出行等行業(yè)的特點(diǎn)，提出并設(shè)計(jì)了適合電動(dòng)二/三輪車(chē)換電動(dòng)力鋰電池技術(shù)需求的電池管理系統(tǒng)方案，為上述行業(yè)提供了高可靠、智能化的電池管理系統(tǒng)。

1 電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)二/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示，主要包括微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）、電源模塊、模擬前端（Analog Front End，AFE）、均衡電路、充放電及預(yù)充電路、溫度及電流檢測(cè)電路、通訊模塊及接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real Time Clock，RTC）、電池正負(fù)極接口、輸出正負(fù)極接口、DET接口等，各模塊功能說(shuō)明如下：

圖1 電動(dòng)二/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

(1) 微控制單元

電池管理系統(tǒng)的核心控制模塊，用于電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）、能量狀態(tài)（State of Energy,SOE）、健康狀態(tài)（State of Health, SOH）的在線估計(jì)與校準(zhǔn)；接收并完成整車(chē)控制器（Vehicle Control Unit, VCU）指令，同時(shí)向VCU反饋鋰電池與BMS狀態(tài)信息；采集動(dòng)力鋰電池各種狀態(tài)信號(hào)，完成電池系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能。

(2) 電源模塊

主要包括DC-DC與低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator, LDO），用于電池管理系統(tǒng)中微控制單元、模擬前端芯片、通信芯片等供電，通常采用DC-DC將電池電壓降低12V，用于通信系統(tǒng)供電，再采用LDO轉(zhuǎn)換電壓至3.3V用于MCU與EEPROM等芯片的供電。

(3) 模擬前端

模擬前端芯片可以根據(jù)工作模式的不同，處于保護(hù)模式或者采集模式。其中保護(hù)模式主要是單獨(dú)使用該芯片，提供電池PACK的硬件保護(hù)功能，如電池的過(guò)充、過(guò)放、高溫、低溫、短路、斷線等保護(hù)。在本文的電動(dòng)二/三輪車(chē)換電系統(tǒng)中，模擬前端芯片工作在采集模式，采集電芯的電壓、溫度及電流，配合MCU完成電池PACK的管理，同時(shí)為電池PACK提供硬件保護(hù)功能。

(4) 均衡電路

由于電池組生產(chǎn)過(guò)程與使用過(guò)程中難以避免的不一致性，通常需要在BMS中增加均衡電路消除不一致性引起的負(fù)面影響，以實(shí)現(xiàn)電池組的主動(dòng)均衡或被動(dòng)均衡。綜合考慮技術(shù)難度、實(shí)現(xiàn)成本與均衡性能，電動(dòng)二/三輪車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)多采用被動(dòng)均衡方式，即可滿足產(chǎn)品的技術(shù)需求。

(5) 充放電及預(yù)充電路

充放電電路用于電池系統(tǒng)的充電與放電控制，預(yù)充電路用于電池PACK外部直流電容的預(yù)充電。電動(dòng)二/三輪車(chē)BMS一般采用MOSFET作為充放電回路及預(yù)充回路的控制元件，并由AFE配合相應(yīng)的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電池正端的充放電與預(yù)充控制。

(6) 通訊模塊及接口

實(shí)現(xiàn)與VCU之間的通訊，接收VCU發(fā)送的指令，并將電池系統(tǒng)狀態(tài)信息發(fā)送給VCU，同時(shí)也可以根據(jù)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)方的需要提供統(tǒng)一的故障診斷服務(wù)，實(shí)現(xiàn)故障的診斷、復(fù)位與歷史記錄等功能，便于車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)方的售后維修保養(yǎng)，其中常用的協(xié)議有CAN、RS-485等。此外，為了實(shí)現(xiàn)車(chē)聯(lián)網(wǎng)等方面的功能，通常還需要配合4G或5G網(wǎng)絡(luò)通訊。

(7) 溫度及電流檢測(cè)電路

在動(dòng)力鋰電池中，由于多個(gè)動(dòng)力電池串聯(lián)使用，通常僅需要檢測(cè)串聯(lián)后的電池總電流，通過(guò)采集電池的充放電電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)電池SOC、SOE與SOH的在線估計(jì)，因而電流檢測(cè)的精度與采樣頻率對(duì)于電池SOC的在線估計(jì)與系統(tǒng)安全性至關(guān)重要。此外，還需要采用NTC熱敏電阻對(duì)環(huán)境溫度、電池箱溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電池運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)高低溫情況的安全保護(hù)，同時(shí)，在電池SOC估計(jì)中也應(yīng)考慮溫度對(duì)其影響，提高電池SOC的估計(jì)精度。

(8) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

主要功能是為BMS提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，并根據(jù)車(chē)輛的技術(shù)要求，定時(shí)喚醒BMS監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)是否存在異常，同時(shí)可為歷史故障記錄功能提供參考時(shí)間，便于后期維護(hù)與故障分析。

(9) 輸出正負(fù)極接口與DET接口

輸出正負(fù)極接口是動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的充放電接口，DET接口則用于判斷輸出正負(fù)極接口是否與車(chē)輛完好連接。

2 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)二/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)的軟件功能模塊如圖2所示，根據(jù)車(chē)輛的技術(shù)需求，將應(yīng)用層劃分為狀態(tài)機(jī)、電池狀態(tài)估計(jì)、控制策略、通訊等功能模塊，各功能模塊說(shuō)明如下：

圖2 電動(dòng)二/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)的軟件功能模塊圖

(1) 狀態(tài)機(jī)模塊

狀態(tài)機(jī)模塊是BMS協(xié)調(diào)各種狀態(tài)與信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制的核心，BMS的狀態(tài)機(jī)根據(jù)VCU發(fā)送的指令、系統(tǒng)的狀態(tài)信息與檢測(cè)的輸入輸出信號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的工作狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，完成BMS的充電與放電、休眠與喚醒控制流程，實(shí)現(xiàn)不同工況下的充放電控制，同時(shí)使BMS具備低功耗的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

(2) 電池狀態(tài)估計(jì)模塊

電池狀態(tài)估計(jì)模塊主要根據(jù)采集的充放電電流、電池溫度、電池電壓等信息，采用安時(shí)法并結(jié)合在線修正算法，實(shí)現(xiàn)精確的電池SOC、SOH與SOE估計(jì)，同時(shí)，根據(jù)電池的狀態(tài)信號(hào)，完成電池SOC等的在線校準(zhǔn)，提升電池剩余電量指示的用戶體驗(yàn)。

(3) 控制策略模塊

控制策略模塊涉及電池功率限制、電池均衡、故障診斷與保護(hù)功能。其中功率限制主要根據(jù)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)、電池的狀態(tài)信息等，對(duì)電池PACK的峰值充放電電流、持續(xù)充放電電流進(jìn)行限制，保證電池在不同的工況與電池性能約束條件下，提供相應(yīng)的輸出能力。均衡模塊根據(jù)電池系統(tǒng)所處運(yùn)行狀態(tài)、電池檢測(cè)電壓、電芯壓差等信息，實(shí)現(xiàn)電芯之間的快速均衡。故障診斷與保護(hù)模塊根據(jù)電池系統(tǒng)的狀態(tài)信息，完成電池PACK與電池單體的過(guò)充、過(guò)放、高溫、低溫、短路、斷線故障，充放電回路故障，通訊故障，輸出端短路故障等的在線診斷，并執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的保護(hù)策略，保證電池系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

(4) 通訊模塊

通訊模塊主要功能是采用CAN或者RS-485協(xié)議，完成與VCU、云端服務(wù)器之間的交互通訊，同時(shí)具備售后人員所需對(duì)于電池系統(tǒng)的故障診斷與故障歷史記錄功能。

3 基于熱平衡的可充放電功率估計(jì)方法

兩/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池的功率狀態(tài)（State of Power，SOP）指的是電池正常工作情況下，接下來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的峰值放電或充電功率，其估計(jì)精度對(duì)于加速或起步工況下最大化輸出功率、充電工況下縮短充電時(shí)間和制動(dòng)工況下最大化制動(dòng)能量回收都具有重要的意義，直接影響車(chē)輛的安全可靠運(yùn)行。但是，對(duì)于兩/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)其工作在大功率放電狀態(tài)時(shí)，由于電池容量低，放電電流大，此時(shí)電池端電壓劇烈下降，但SOC和溫度瞬間變化率較小，使得估計(jì)的可放電功率還是維持在較高水平，容易導(dǎo)致電池端電壓低于過(guò)放保護(hù)電壓，從而觸發(fā)放電保護(hù)，或者估計(jì)可放電功率斷崖式下降，使得車(chē)輛動(dòng)力性能顯著降低，影響客戶體驗(yàn)；反之，在電池充電時(shí)，由于電池容量低，充電電流大，此時(shí)電池端電壓劇烈上升，但SOC和溫度瞬間變化率較小，使得估計(jì)的可充電功率還是維持在較高水平，容易導(dǎo)致電池端電壓高于過(guò)充保護(hù)電壓，從而觸發(fā)充電保護(hù)，或者估計(jì)可充電功率斷崖式下降，回饋能量無(wú)法完全回收。

由于SOP與電池的SOC、溫度直接相關(guān)，因此通常基于電池當(dāng)前SOC和溫度的二維SOP表進(jìn)行可充放電功率的估計(jì)，但是，兩/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)可能存在連續(xù)峰值功率運(yùn)行等復(fù)雜工況，因此，本文根據(jù)動(dòng)力電池系統(tǒng)的發(fā)熱與散熱物理過(guò)程，提出了基于熱平衡的可充放電功率估計(jì)方法，以保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

定義鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱預(yù)算初值為

其中Hinitial_budget是動(dòng)力電池系統(tǒng)的初始熱預(yù)算；Ipeak_limit和Icontinuous_limt分別是根據(jù)SOC與溫度查找SOP表所獲得的峰值限制電流與連續(xù)限制電流；Tprediction_window是熱預(yù)算預(yù)測(cè)時(shí)間窗口。

如果動(dòng)力電池系統(tǒng)的工作電流超過(guò)連續(xù)限制電流Icontinuous_limt，則說(shuō)明動(dòng)力電池系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)額外產(chǎn)生更多的熱量，此時(shí)需要通過(guò)降低動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱預(yù)算降低系統(tǒng)的限制電流。

其中，Hbudget是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)熱預(yù)算；Hpre_budget是系統(tǒng)上一采樣周期的實(shí)時(shí)熱預(yù)算，其初始值為Hinitial_budget；Tsampling_time是系統(tǒng)的采樣時(shí)間。

反之，若動(dòng)力電池系統(tǒng)的工作電流低于連續(xù)限制電流Icontinuous_limt，則系統(tǒng)的熱預(yù)算應(yīng)逐漸恢復(fù)，增加系統(tǒng)的限制電流。

由于實(shí)時(shí)熱預(yù)算與動(dòng)力電池系統(tǒng)的SOP直接相關(guān)，因此，需要將其限制在零與熱預(yù)算初值之間。

最終獲得動(dòng)力電池系統(tǒng)的允許輸出電流為：

假設(shè)某一運(yùn)行工況下Ipeak_limit和Icontinuous_limt分別為21A與8.4A，Tprediction_window為120s，Tsampling_time為120ms，動(dòng)力電池系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，設(shè)定連續(xù)放電電流分別為16A至20A，在不對(duì)放電電流施加約束的情況下，不同連續(xù)放電電流與動(dòng)力電池系統(tǒng)允許輸出電流關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出，動(dòng)力電池系統(tǒng)以恒定電流放電，熱預(yù)算逐漸降低，允許輸出電流也逐漸降低，直至連續(xù)限制電流8.4A為止。同時(shí)，連續(xù)放電的電流越大，動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱預(yù)算下降速度越快，允許輸出電流達(dá)到連續(xù)限制電流的時(shí)間越短。

圖3 動(dòng)力電池系統(tǒng)允許輸出電流與不同連續(xù)放電電流關(guān)系圖

在Matlab/Simulink中建立基于熱平衡的可充放電功率估計(jì)方法的軟件仿真模型，在不對(duì)放電電流施加約束的情況下，設(shè)定動(dòng)力電池系統(tǒng)的輸出電流，獲得系統(tǒng)仿真的結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在完整運(yùn)行工況中，當(dāng)輸出電流超過(guò)連續(xù)限制電流時(shí)，熱預(yù)算降低，反之，當(dāng)輸出電流低于連續(xù)電流限制時(shí)，熱預(yù)算增加。從160s至460s，輸出電流持續(xù)超過(guò)連續(xù)限制電流，熱預(yù)算不斷降低直至0%，此時(shí)，動(dòng)力電池的允許輸出電流降低至8.4A。在460s后，隨著輸出電流持續(xù)低于連續(xù)限制電流，熱預(yù)算逐漸上升恢復(fù)到100%，動(dòng)力電池的允許輸出電流變?yōu)?1A。

圖4 基于熱平衡的可充放電功率估計(jì)方法仿真結(jié)果(輸出電流無(wú)約束)

在對(duì)放電電流施加約束的情況下，設(shè)定動(dòng)力電池系統(tǒng)的輸出電流，獲得系統(tǒng)仿真的結(jié)果如圖5所示。通過(guò)與圖4對(duì)比發(fā)現(xiàn)，圖5中對(duì)系統(tǒng)輸出電流增加了峰值限制電流的約束，從160s至460s，輸出電流持續(xù)超過(guò)連續(xù)限制電流，由于熱預(yù)算不斷降低，峰值限制電流也不斷降低，并限制了動(dòng)力電池系統(tǒng)的輸出電流。

圖5 基于熱平衡的可充放電功率估計(jì)方法仿真結(jié)果(輸出電流有約束)

4 工程應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)與建議

從目前哈啰、滴滴、中國(guó)鐵塔等共享電單車(chē)、快遞車(chē)輛百萬(wàn)級(jí)投放運(yùn)營(yíng)的售后數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，由于共享和快遞車(chē)輛常年暴露于街頭巷尾，其工況極惡劣，存在電池系統(tǒng)嚴(yán)重濫用的情況，電池系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)普遍存在系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)防水性能差、電池成組耐振動(dòng)性差、外殼材料易老化、電池SOC計(jì)量不準(zhǔn)確、電池管理系統(tǒng)故障率高、電池系統(tǒng)質(zhì)量缺陷問(wèn)題頻發(fā)等問(wèn)題。當(dāng)前，在此領(lǐng)域中，其電池管理技術(shù)方面，則多使用無(wú)冗余安全保護(hù)設(shè)計(jì)的低成本保護(hù)板產(chǎn)品，其穩(wěn)定性、可靠性以及SOC精準(zhǔn)度較差；在電池成組技術(shù)方面，換電式電池系統(tǒng)需要更多關(guān)注本體的材料老化、防水、防塵、抗震、抗跌落等特性，同時(shí)應(yīng)盡可能標(biāo)準(zhǔn)化和緊湊化，提升電池系統(tǒng)的性價(jià)比，以適配多種車(chē)型，這對(duì)產(chǎn)品量產(chǎn)工藝難度與效率形成了挑戰(zhàn)。除此之外，由于電池循環(huán)壽命（5～8年）遠(yuǎn)超過(guò)電單車(chē)（3年左右）的設(shè)計(jì)壽命，需通過(guò)電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，在電池可用能量還可滿足短距離日常出行的情況下，老電池配新車(chē)重新投放到出行里程較短的小城市區(qū)域，實(shí)現(xiàn)電池全生命周期內(nèi)能量的有效利用；另外通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化模組產(chǎn)品的串并聯(lián)組合，可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心UPS電源等多種儲(chǔ)能場(chǎng)景的靈活應(yīng)用。

5 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)兩/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)，通過(guò)結(jié)合道路車(chē)輛級(jí)的BMS開(kāi)發(fā)和電池系統(tǒng)的總成技術(shù)，本文從硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件功能模塊設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)際工程應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)與建議幾方面給出了完整的系統(tǒng)技術(shù)方案，并提出了基于熱平衡的可充放電功率估計(jì)方法，解決了電動(dòng)兩/三輪車(chē)換電式動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)運(yùn)行電流精確估計(jì)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)峰值與連續(xù)運(yùn)行的平滑切換，所設(shè)計(jì)的BMS具備完善的控制與保護(hù)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的電池狀態(tài)估計(jì)，研發(fā)出滿足電動(dòng)兩/三輪車(chē)換電需求的BMS標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，獲得了大量終端客戶的廣泛推廣與應(yīng)用。