電動汽車動力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計探究

摘要：隨著電動汽車的普及，動力電池成為電動汽車的核心部件之一。電池管理系統(tǒng)的設(shè)計對于電動汽車的性能和安全至關(guān)重要。據(jù)此，首先闡述了電動汽車動力電池工作原理，其次描述了電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計的三大技術(shù)支持，最后提出了電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計研究及軟件設(shè)計研究。研究結(jié)論可為電動汽車電池管理系統(tǒng)的開發(fā)和研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車；動力電池；電池管理系統(tǒng)；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

中圖分類號：U469.72 收稿日期：2023-04-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.004

1 電動汽車動力電池工作原理

電動汽車的動力電池是其關(guān)鍵部件之一，它負(fù)責(zé)儲存電能，提供動力。動力電池的工作原理是基于化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)的，將正極、負(fù)極等組成電池芯片，通過串聯(lián)、并聯(lián)等方式組成電池組，并通過電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)對電池組的監(jiān)測和管理[1]。

2 電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計的三大技術(shù)支持

2.1 參數(shù)檢測與分析

參數(shù)檢測與分析是電動汽車電池管理系統(tǒng)中的一個重要技術(shù)支持，它對電池的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對其進行參數(shù)分析，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施。在電動汽車電池管理系統(tǒng)中，參數(shù)檢測主要涉及電池組的電壓、電流、溫度等參數(shù)的檢測，以及對這些參數(shù)進行實時監(jiān)測和記錄。通過這些數(shù)據(jù)的分析和處理，可以實現(xiàn)電池組的狀態(tài)估計、容量估算、SOC（State of Charge）估算、SOH（State of Health）估算等功能，進而提高電池組的使用壽命和性能表現(xiàn)。

在參數(shù)檢測與分析技術(shù)的支持下，電池管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能，實時監(jiān)測電池組的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)措施，從而保證電池組的安全運行；通過對電池組電壓、電流、溫度等參數(shù)的檢測和分析，實現(xiàn)對電池組狀態(tài)的估算，為電池組的維護和管理提供依據(jù)；通過對電池組容量和SOC等參數(shù)的估算，可以為車輛續(xù)航里程的計算和預(yù)測提供基礎(chǔ)；通過對電池組的均衡控制和熱管理等功能，可以提高電池組的使用壽命和性能表現(xiàn)。

2.2 SOC初始值估算

SOC指的是電池的充電狀態(tài)，即電池中已充電電量占總電量的比例。在電動汽車電池管理系統(tǒng)中，估算電池的SOC是十分重要的，它可以為車輛提供更加準(zhǔn)確的續(xù)航里程信息，也可以保證電池的安全和壽命。為了估算電池的SOC，電池管理系統(tǒng)一般采用基于開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）和電池內(nèi)阻的方法。其中，OCV指的是電池在不供電、不充電狀態(tài)下的電壓值，它與電池的SOC之間存在著一定的關(guān)系。

當(dāng)電池的SOC較高時，OCV相對較高；當(dāng)電池的SOC較低時，OCV相對較低。因此，通過測量電池的OCV值，可以大致估算出電池的SOC。在進行SOC估算時，還需要考慮電池內(nèi)阻的影響。電池內(nèi)阻會使得電池的OCV值發(fā)生變化，從而影響SOC的估算。因此，在估算SOC時，要考慮電池的內(nèi)阻對OCV值的影響，并對其進行補償。

另外，在電池使用過程中，由于電池的化學(xué)性質(zhì)會隨著充放電而發(fā)生變化，電池的OCV和內(nèi)阻也會相應(yīng)發(fā)生變化，因此還需要進行周期性的校準(zhǔn)，以保證SOC的準(zhǔn)確估算。

2.3 均衡控制設(shè)計研究

均衡控制是電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計的另一個重要技術(shù)支持，它是為了解決電池組充放電不均勻而進行的。在使用過程中，由于各個電池單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和使用環(huán)境等差異，電池單體之間往往會出現(xiàn)不同程度的容量衰減，導(dǎo)致電池組中的電池單體容量出現(xiàn)差異。若不進行均衡控制，則電池組中電池單體之間容量差異將越來越大，最終導(dǎo)致電池組整體性能下降，甚至引發(fā)電池組失效。均衡控制需要對電池組中各個電池單體的狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，使得每個電池單體的容量得到平衡。

常見的均衡控制方法有被動均衡和主動均衡兩種。被動均衡方法主要是通過在充電過程中加入平衡電阻等方式來消耗電池單體之間的電荷差異，使得電池單體的電荷狀態(tài)逐漸趨于平衡。這種方法相對簡單，但會消耗一定的能量，影響電池組整體效率。

主動均衡方法則是通過控制電池單體之間的充放電狀態(tài)來實現(xiàn)均衡控制。在充電時，對于容量較小的電池單體，可以控制其放電速率比其他電池單體快一些，從而使得其充電時間更長，容量得到充分補充。在放電時，則可以控制容量較大的電池單體先放電，以使其電荷狀態(tài)降低到與其他電池單體相同的水平。這種方法需要更為復(fù)雜的控制算法，但能夠有效減少能量損失，提高電池組整體效率。

3 動力電池的性能要求

3.1 安全性要求

電動汽車動力電池的安全性是關(guān)鍵要素之一。電池組需要具備防爆、防火、防漏液等多重安全防護措施，以確保在各種極端情況下都能保持穩(wěn)定安全的運行。

3.2 高能量密度要求

高能量密度是電動汽車動力電池的重要性能指標(biāo)之一。高能量密度意味著能夠儲存更多的電能，從而實現(xiàn)更長的續(xù)航里程。

3.3 高功率密度要求

高功率密度是電動汽車動力電池的另一個重要性能指標(biāo)。高功率密度意味著電池組可以在短時間內(nèi)輸出更大的功率，從而實現(xiàn)更好的加速和性能表現(xiàn)。

3.4 長壽命要求

電動汽車動力電池的壽命需要長達數(shù)年，因此需要具備較長的使用壽命。電池組的使用壽命受多個因素影響，包括電池化學(xué)、充放電方式、環(huán)境溫度、使用條件等。因此，需要采用合適的設(shè)計和管理措施來延長電池組的使用壽命。

3.5 成本合理控制要求

電動汽車動力電池的成本是一個重要考慮因素。需要采用合適的材料、制造工藝和設(shè)計方案來控制電池組的成本，以確保電動汽車的市場競爭力和可持續(xù)發(fā)展性。此外，也需要考慮電池組的回收和再利用，以降低整個電動汽車生命周期的環(huán)境成本[2]。

4 電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計研究

4.1 中央控制單元設(shè)計

電動汽車動力電池管理系統(tǒng)中的中央控制單元（Battery Management System，BMS）是電池管理系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)電池組的狀態(tài)監(jiān)測、控制和保護。中央控制單元一般由微處理器、存儲器、通信接口、電源管理電路、硬件保護電路等組成，可以實現(xiàn)對電池組的監(jiān)控、控制和通信。

在中央控制單元的設(shè)計中，需要考慮以下因素：a.處理器選型，選擇適合電池管理系統(tǒng)應(yīng)用的處理器，并考慮處理器的性能、功耗和可靠性等因素；b.存儲器，選擇適合應(yīng)用場景的存儲器類型，如閃存、EEPROM等，并考慮存儲器的容量和可靠性等因素；c.通信接口，選擇適合應(yīng)用場景的通信接口，如CAN總線、LIN總線、RS232、RS485等，并考慮通信速率、帶寬和可靠性等因素；d.電源管理電路，為處理器、存儲器和通信接口等提供穩(wěn)定的電源，并考慮功耗和效率等因素；e.硬件保護電路，考慮電池組的安全性和可靠性，設(shè)計適當(dāng)?shù)挠布Ｗo電路，包括過流、過壓、過溫等保護功能。

總之，中央控制單元的設(shè)計需要考慮處理器選型、存儲器、通信接口、電源管理電路和硬件保護電路等多個因素，以確保電池管理系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和安全。

4.2 電池電流與電壓采集電路設(shè)計

電池電流與電壓采集是電池管理系統(tǒng)中的重要功能之一，它能夠?qū)崟r監(jiān)測電池組的電流和電壓，從而實現(xiàn)對電池組狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制。因此，設(shè)計合適的電池電流與電壓采集電路對電池管理系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。在電池電流與電壓采集電路的設(shè)計中，需要考慮以下因素：

a.采集電路的精度和靈敏度。采集電路的精度和靈敏度直接影響到電流和電壓的采集精度，因此需要選擇高精度、高靈敏度的電路組件，如高精度模擬運算放大器和ADC芯片等。電流7giFI74z2yLUTI/39BCnpQ==采集電路的設(shè)計中，電流采集電路需要使用高精度的電流傳感器，并考慮傳感器的額定電流范圍和靈敏度等因素。同時，電流采集電路還需要考慮對電池組的影響，如電池內(nèi)阻等。電壓采集電路的設(shè)計中，電壓采集電路需要使用高精度的電壓測量電路，可以使用分壓電路或者差分放大電路等，同時需要考慮對電池組的影響，如電壓測量電路的負(fù)載等。

b.采集電路的濾波和去抖動。采集電路需要考慮對噪聲和抖動的過濾，可以使用低通濾波器和去抖動電路等。

c.采集電路的耐受性和安全性，采集電路需要具備一定的耐受性和安全性，能夠承受電池組的過流、過壓等異常情況，同時需要考慮電路的絕緣和防護等?？傊?，電池電流與電壓采集電路設(shè)計需要考慮電路的精度、靈敏度、耐受性和安全性等多個因素，以確保采集電路能夠穩(wěn)定、可靠和安全地工作，實現(xiàn)對電池組狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測和控制。

4.3 熱管理電路設(shè)計

熱管理電路設(shè)計是電池管理系統(tǒng)中不可或缺的部分。電池在工作時會產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時散熱，會影響電池的性能和壽命，甚至引發(fā)安全事故。因此，設(shè)計一個有效的熱管理系統(tǒng)對于保證電池的安全和穩(wěn)定運行至關(guān)重要。熱管理電路通常由溫度傳感器、控制芯片、風(fēng)扇、散熱片等組成。溫度傳感器可以實時監(jiān)測電池組的溫度，控制芯片可以根據(jù)溫度變化調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速來加強或減弱散熱效果，散熱片則可以將電池組的熱量快速散發(fā)出去。在設(shè)計熱管理電路時，需要考慮以下幾個因素：

a.散熱效果，需要根據(jù)電池組的功率和溫度等參數(shù)來確定散熱片的尺寸和材質(zhì)，以確保散熱效果良好。

b.電路的穩(wěn)定性，需要考慮溫度傳感器和控制芯片的精度和穩(wěn)定性，以避免誤差對電池組的影響。

c.系統(tǒng)的安全性，需要在電路中加入保險絲、過壓保護、過流保護等安全措施，以確保在異常情況下能夠及時切斷電路，避免安全事故的發(fā)生?？傊O(shè)計一個高效、穩(wěn)定、安全的熱管理電路對于電池管理系統(tǒng)的正常運行至關(guān)重要。

4.4 單體電池均衡電路

單體電池均衡電路是電池管理系統(tǒng)中非常重要的一部分，它可以有效地解決電池組單體電池之間電性能不一致的問題，提高整個電池組的性能表現(xiàn)。單體電池均衡電路的基本原理是將每個電池單體的電量控制在相同的水平上，以確保電池組中每個電池單體的使用壽命相同。在電池組充電和放電的過程中，不同單體電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)都會發(fā)生變化，均衡電路就是通過控制這些參數(shù)，使得所有單體電池的電量保持在相同的水平上。

均衡電路的實現(xiàn)方式主要包括被動均衡和主動均衡兩種。被動均衡是通過在電池組中串聯(lián)電阻或開關(guān)來實現(xiàn)，但這種方法的效率較低，均衡效果也不太理想。主動均衡則是通過控制電池組中的電路，將電池組中電量低的單體電池放電，將電量高的單體電池充電，從而實現(xiàn)均衡的效果。單體電池均衡電路的設(shè)計需要考慮多個因素，包括均衡的效率、成本、可靠性、功耗等。同時，均衡電路的設(shè)計也需要根據(jù)電池組的不同特點進行針對性的優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳的均衡效果。

5 電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計研究

5.1 軟件設(shè)計中的控制實現(xiàn)

在電動汽車動力電池管理系統(tǒng)中，軟件設(shè)計的控制實現(xiàn)是至關(guān)重要的。電池組的充放電過程需要嚴(yán)格的控制和管理，以確保電池組的安全和穩(wěn)定性?？刂茖崿F(xiàn)的方法可以采用各種控制算法，如PID控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

在軟件設(shè)計中，需要考慮多種因素，包括電池組的溫度、SOC等。這些因素的變化會影響電池組的充放電特性，因此需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整和優(yōu)化?？刂茖崿F(xiàn)的過程需要對電池組進行精確的監(jiān)控和控制，以保證電池組的性能和壽命。通過合理的控制算法和參數(shù)設(shè)置，可以實現(xiàn)最佳的控制效果，并最大限度地提高電池組的效率和性能。

此外，在軟件設(shè)計中，還需要考慮軟件的穩(wěn)定性和可靠性。軟件應(yīng)該能夠在各種工作環(huán)境下正常運行，并且能夠快速響應(yīng)各種異常情況，保證電池組的安全和穩(wěn)定性。因此，在軟件設(shè)計中，需要對軟件進行充分的測試和驗證，以確保軟件的穩(wěn)定性和可靠性。

5.2 軟件設(shè)計中的電量檢測

在電動汽車的電池管理系統(tǒng)中，電量檢測是至關(guān)重要的功能。電量檢測的主要任務(wù)是實時監(jiān)測電池組的電量，提供準(zhǔn)確的電量信息，以保證駕駛員能夠及時掌握電池組的狀態(tài)并做出相應(yīng)的駕駛決策。電量檢測通常通過采集電池組的電壓、電流和溫度等參數(shù)，結(jié)合電池組的特性曲線以及電池組內(nèi)部的均衡控制算法，計算出電池組的電量信息。

在軟件設(shè)計中，需要設(shè)計相應(yīng)的算法，實現(xiàn)電量計算功能，并確保算法的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，在電量檢測的過程中，需要考慮到各種異常情況的處理，如電池組單體電池失效、電壓異常等。對于這些異常情況，需要在軟件設(shè)計中設(shè)置相應(yīng)的保護機制，避免電池組受到損害。

總的來說，電量檢測在電動汽車的電池管理系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，要求軟件設(shè)計具備高度的精準(zhǔn)性和可靠性，同時還需要具備強大的異常處理能力，以保證電池組的安全和穩(wěn)定運行。

5.3 軟件設(shè)計中上位機軟件的設(shè)計關(guān)注點

在電動汽車電池管理系統(tǒng)中，上位機軟件的設(shè)計關(guān)注點是非常重要的，它承擔(dān)著與用戶進行交互的重要角色。下面列出了幾個上位機軟件設(shè)計的關(guān)注點：

a.上位機軟件需要支持實時數(shù)據(jù)的顯示，例如電池組的電量、電壓、電流等信息。此外，還需要支持歷史數(shù)據(jù)的查看，以便用戶對電池組的運行狀態(tài)進行更全面的了解。其次，上位機軟件需要支持對電池管理系統(tǒng)進行控制和調(diào)節(jié)，例如控制均衡電路的開關(guān)、調(diào)整充電和放電電流等。這樣用戶可以根據(jù)需要對電池組進行細致的控制，以達到更好的性能和壽命。

b.上位機軟件還需要支持故障診斷和報警。當(dāng)電池組出現(xiàn)異常情況時，上位機軟件應(yīng)該及時發(fā)出警報并提供詳細的故障診斷信息，以便用戶及時采取措施。

c.上位機軟件應(yīng)該具備友好的用戶界面和操作方式，讓用戶可以輕松地掌握和使用系統(tǒng)的各項功能。同時，也需要支持多語言和多平臺的使用，以滿足不同用戶的需求[3]。

6 結(jié)語

電動汽車電池管理系統(tǒng)是電動汽車的重要組成部分，對于提高電動汽車的性能、安全性以及使用壽命有著至關(guān)重要的作用。本文系統(tǒng)地介紹了電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)，包括參數(shù)檢測與分析、SOC初始值估算、均衡控制設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計等方面。在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計中，安全性、高能量密度、高功率密度、長壽命和成本合理控制等性能指標(biāo)都需要得到充分考慮和保障。本文的研究結(jié)論可為電動汽車行業(yè)的從業(yè)人員和相關(guān)技術(shù)愛好者提供良好的參考價值。

參考文獻：

[1]柴業(yè)鵬，孔為，趙國華，等.純電動汽車動力電池自然冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021，57（4）：110-112.

[2]郭偉偉.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)常見故障及處理方法[J].技術(shù)與市場，2020，27（5）：95-96.

[3]錢超.淺談電動汽車動力電池管理系統(tǒng)[J].汽車博覽，2022（14）：127-129.

作者簡介：

任崇，男，1992年生，助理工程師，研究方向為汽車設(shè)計。