汽車電池狀態(tài)檢測裝置的研究及應(yīng)用

劉凌飛， 翟慧穎

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 鄭州 450046）

0 引言

新能源電動車電池有三種：鋰離子電池、鉛酸電池和鎳氫電池。由于鋰離子電池相較于其他兩種具備能量密度高、工作電壓平臺高、充電快、使用周期長等特點，因此被廣泛應(yīng)用[1]。作為電動汽車的動力源，鋰離子電池的健康狀態(tài)是車輛安全運行的重要影響因素之一，因此電池的檢測維護是車輛維護的一項重要內(nèi)容。

1 電池線下檢測分析系統(tǒng)概述

整車狀態(tài)獲取電池數(shù)據(jù)主要渠道有兩個渠道：OBD（車載自動診斷系統(tǒng)）診斷接口以及新能源監(jiān)控平臺。OBD 診斷接口安裝于汽車上，在線監(jiān)測，通過診斷接口及車輛CAN 總線獲取數(shù)據(jù)，通信協(xié)議要匹配，不同品牌、型號的車輛通信方式和協(xié)議不同，導(dǎo)致診斷維護時，要根據(jù)通信協(xié)議配備多種診斷裝置，維護工作量和成本比較高。新能源監(jiān)控平臺由智能車載終端、企業(yè)平臺以及公共平臺組成[2]。智能車載終端在車輛上獲取車輛數(shù)據(jù)信息，本地保存并上傳數(shù)據(jù)至企業(yè)平臺，企業(yè)平臺接收管理本車廠整車數(shù)據(jù)并對接城市公共平臺，公共平臺對地方車輛情況進行監(jiān)控管理[3]。系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)精度問題，主要原因有：上傳數(shù)據(jù)延時較長；老舊車系統(tǒng)不完善，有數(shù)據(jù)缺失；USIM 卡續(xù)費不及時或不續(xù)費，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。僅能初步判斷電池狀態(tài)，不能精確監(jiān)測。

2 電池狀態(tài)檢測裝置方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)前文對電池檢測管理系統(tǒng)的分析，提出設(shè)計電池狀態(tài)檢測裝置對電池進行檢測管理。該裝置能夠?qū)崟r獲取電池單體電壓、溫度、SOC 等信息，進一步控制充電裝置產(chǎn)生特定充電電流。同時利用云平臺大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析電池狀態(tài)，提示故障，形成報告及維護建議。

汽車電池狀態(tài)檢測裝置是基于車輛維修場景、線下檢測的運維平臺，系統(tǒng)由充電檢測控制系統(tǒng)和云平臺數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)組成。充電檢測控制系統(tǒng)為前端系統(tǒng)，占地面積小，能被方便地搭建在充電樁現(xiàn)場，由智能控制模塊、充電- 監(jiān)測控制模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊組成，完成電池數(shù)據(jù)的采集上傳，根據(jù)分析結(jié)果控制充電電流。云平臺數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)接收前端傳來的數(shù)據(jù)，計算分析電池狀態(tài)，形成電池長時間尺度的充放電數(shù)據(jù)庫，同時對電池故障進行精確的分析評估，形成檢測報告并給出檢修建議。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

充電監(jiān)測控制系統(tǒng)由智能控制模塊、充電監(jiān)測控制模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊組成。其中數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊由主控芯片CPU、CAN 通信模塊、外部存儲器、GPRS 模塊等部分構(gòu)成，見圖1。系統(tǒng)主控制器采用ZLG 致遠公司的A287-W128LI 無線核心板，利用USB 接口驅(qū)動4G模塊高速傳輸數(shù)據(jù)，具備兩路CAN 總線收發(fā)功能，完成數(shù)據(jù)監(jiān)測裝置與整車CAN 和內(nèi)部CAN 的通信。

2.2.2 電路設(shè)計

電源電路的設(shè)計。數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊的電源由OBD接口電路提供，12 V，此外，系統(tǒng)各芯片電源為3.3 V，因此電路設(shè)計思路為：OBD 接口提供12 V 電壓，之后穩(wěn)壓為5 V，再利用線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成3.3 V。

主控制器電路設(shè)計。主控芯片集成復(fù)位監(jiān)控電路、存儲電路、以及各種外設(shè)為一個模塊，電源3.3 V，設(shè)置啟動、復(fù)位按鍵等，同時主控芯片自帶看門狗復(fù)位電路，完成系統(tǒng)意外崩潰后的自復(fù)位。

2.3 軟件功能

系統(tǒng)軟件部分是基于虛擬機Linux 操作系統(tǒng)采用C++語言開發(fā)設(shè)計的，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、指令響應(yīng)及云平臺信息交互的功能。數(shù)據(jù)采集功能即與車輛電池端進行信息交互，如電池系統(tǒng)信息、故障代碼等，電池的關(guān)鍵信息包括電池組總電壓、電流，SOC，單體電池電壓、電流，電池采樣點溫度等。指令響應(yīng)是指數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊接收指令并執(zhí)行相應(yīng)操作，如實時監(jiān)控電池充放電數(shù)據(jù)指令、更新車型協(xié)議指令、記錄數(shù)據(jù)指令等。

3 工業(yè)應(yīng)用

以某電動汽車為對象，應(yīng)用測試電池狀態(tài)監(jiān)測裝置。為保證測試的準(zhǔn)確性，確保測試車輛電量在20%以下，并且關(guān)閉車輛高壓系統(tǒng)以及空調(diào)、車燈等耗電設(shè)備，但鑰匙檔位需置于ON 擋，測試流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)檢測流程

將檢測控制裝置的數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊接入車輛OBD接口，電源指示燈亮起，約30 s 后監(jiān)測模塊開始工作。監(jiān)測完成后，打開智能控制終端，登錄管理界面可觀察終端與監(jiān)測模塊連接狀態(tài)，監(jiān)測模塊被檢測狀態(tài)，在控制單元面板輸入車輛信息，如車型、車牌號、電池編碼等。

啟動設(shè)備開始測試，智能終端根據(jù)車輛信息將匹配的通訊協(xié)議推送至監(jiān)測模塊，監(jiān)測模塊下載更新協(xié)議，啟動數(shù)據(jù)記錄功能，然后連接車輛充電口與充電設(shè)備開始充電。智能終端的監(jiān)控界面可以查看監(jiān)測電池的實時數(shù)據(jù)，即電壓、電流、SOC 等，根據(jù)數(shù)據(jù)是否異常，進而分析電池是否異常。設(shè)備未記錄數(shù)據(jù)期間，可以通過文件信息查看本地保存的測試數(shù)據(jù)，車輛信息及充電數(shù)據(jù)信息會上傳至云管理平臺。

檢測結(jié)束后，云管理平臺通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)計算分析測試數(shù)據(jù)，形成含有電池單體充電趨勢、單體充電容量、單體內(nèi)阻等電池狀態(tài)關(guān)鍵信息的報告。還可根據(jù)檢測結(jié)果，給出相應(yīng)的維修建議，如表1 所示，根據(jù)表中信息可知，測試車輛的電池單體間存在內(nèi)阻不一致問題，內(nèi)阻不同而充電電流相同會導(dǎo)致內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱嚴(yán)重，進而導(dǎo)致電池劣化加快，進一步增加內(nèi)阻值，形成惡性循環(huán)，最終影響電池使用壽命，因此給出更換12 號、52 號單體的維修建議。

表1 檢測結(jié)果

4 經(jīng)濟性分析

電池狀態(tài)檢測裝置是應(yīng)用于整車環(huán)境，基于車輛維修場景、線下檢測的運維平臺，占地面積小，安裝操作便捷，可以在有充電設(shè)施的場所快速搭建并投入使用，也可應(yīng)用于4S 店及各種實際生活場景，可以隨時隨地方便快捷地對電池進行準(zhǔn)確監(jiān)測評估并形成報告及維修建議，具有良好的經(jīng)濟效益，主要體現(xiàn)在：

1）應(yīng)用場景靈活廣泛，不必專門在4S 店或車廠進行，且在整車狀態(tài)下檢測，不必拆卸電池組，有效節(jié)約檢測成本。

2）檢測過程快速且精確。經(jīng)檢測能精確定位故障信息至電池單體地，根據(jù)結(jié)果更換電池單體而非更換電池組整體，能有效降低配件成本。

3）車輛電池故障經(jīng)過檢測能被及時準(zhǔn)確地反饋出來，避免了由電池故障而引發(fā)的未知問題，提高了車輛安全性能，延長了電池使用壽命，有效控制了車輛配套件成本以及維護成本。

5 結(jié)論

1）分析當(dāng)前汽車電池數(shù)據(jù)獲取方式OBD 診斷接口以及新能源監(jiān)控平臺存在通訊協(xié)議難兼容，數(shù)據(jù)不精確等問題。

2）提出基于車輛維修場景、線下檢測的電池狀態(tài)檢測方案，介紹裝置的構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計及軟件功能。

3）以某電動汽車為對象進行應(yīng)用測試，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)電池故障，并根據(jù)維修建議對車輛電池進行了維修。根據(jù)試用過程分析其經(jīng)濟效益，結(jié)果表明，該裝置在控制檢測成本、電池成本及維修成本方面有突出效果。