電動汽車動力電池的安全系統(tǒng)研究

鄧釗 劉漢華

摘要：電動汽車動力電池在安全性、高能量密度、高功率密度、長壽命、成本控制等使用性能方面有一定的要求。中央控制單元、電流電壓采集電路、熱管理電路、單體電池均衡電路等硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，對電動汽車動力電池的安全性與充電放電效率有直接的影響。而電動汽車動力電池安全系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括控制實現(xiàn)、電量檢測及上位機軟件等三項內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：電動汽車???動力電池???安全系統(tǒng)???硬件???軟件

中圖分類號：U469.72

Research?on?the?Safety?System?of?the?Power?Batteries?of?Electric?Vehicles

DENG?Zhao??LIU?Hanhua

Liuzhou?Vocational?and?Technical?College，?Liuzhou，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?545000?China

Abstract：?The?power?batteries?of?electric?vehicles?have?certain?requirements?for?performance?such?as?safety，?high?energy?density，?high?power?density，?long?life?and?cost?control.?The?design?quality?of?hardware?structures?such?as?the?central?control?unit，?the?current?and?voltage?collection?circuit，?the?thermal?management?circuit，?and?the?single?battery?equalization?circuit?directly?affects?the?safety?and?charging?and?discharging?efficiency?of?the?power?batteries?of?electric?vehicles.?The?software?design?of?the?safety?system?of?the?power?batteries?of?electric?vehicles?includes?three?aspects：?control?implementation，?electricity?detection?and?upper?computer?software.

Key?Words：?Electric?vehicle;?Power?battery;?Safety?system;?Hardware;?Software

作為汽車領(lǐng)域達成碳達峰與碳中和目標的重要產(chǎn)品，電動汽車運行的安全性成為社會公眾重點關(guān)注的對象。動力電池作為直接影響電動汽車運行質(zhì)量的重要因素，有必要為其設(shè)計一套完善的安全方案，以促進我國電動汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1電動汽車動力電池的基本結(jié)構(gòu)

電動汽車動力電池的基本結(jié)構(gòu)包括電芯、模組及電池包三個部分。（1）電芯。這是動力電池充電放電的基礎(chǔ)元件，能為電池提供氧化還原反應(yīng)條件，可以細分為正負極片、隔膜、電解液等部件。根據(jù)電動汽車動力電池生產(chǎn)單位選擇的生產(chǎn)工藝，可以根據(jù)封裝形式細分為圓柱、方形、軟包等幾種電芯形式。其中的圓柱電芯，尺寸較小，制造成本較低，但是不具備更好的散熱性能，質(zhì)量偏重。方形電芯，擁有良好的散熱性能與可靠性，但是制造成本相對較高。軟包電芯，質(zhì)量較輕，可以根據(jù)動力電池的制造需求，對制造尺寸進行調(diào)整，但是軟包電芯的生產(chǎn)工藝有待提升，制造成本相對較高[1]。（2）模組。模組負責(zé)保護電芯，可以避免受到來自動力電池外部熱因素的影響，從而規(guī)避振動沖擊。需要設(shè)置一個模組框架，若干電芯連接后，將其放置在框架中，即可獲得動力電池的模組。（3）電池包。這是動力電池安裝在電動汽車中的最后形態(tài)，需要在制造模組后，裝載動力電池安全系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及以線束、支架等為代表的各種部件?？梢哉J為，電芯是電動汽車動力電池的基礎(chǔ)單位，由多個電芯配置成一個模組，再由多個模組配置成一個電池包，通過裝載相應(yīng)系統(tǒng)與部件，以動力電池的形式安裝在電動汽車上，為電動汽車提供運行驅(qū)動力。

2電動汽車動力電池的使用性能要求

2.1安全性要求

安全性要求是開發(fā)設(shè)計電動汽車動力電池的首要目標。動力電池需要儲存足夠多的能量，這會導(dǎo)致自身安全性下降，并且，容量越大就更容易發(fā)生安全風(fēng)險，風(fēng)險規(guī)模也會越大。例如工作溫度超過動力電池溫度閾值，電池出現(xiàn)短路、漏液等問題。正因為電動汽車動力電池存在較高標準的安全性要求，所以需要設(shè)計一套更為完善的安全系統(tǒng)。

2.2高能量密度要求

高能量密度要求是動力電池基礎(chǔ)設(shè)計指標，是評價動力電池工作性能的主要內(nèi)容，可以用動力電池的續(xù)航里程表示高能量密度水平。相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車可以利用鋰電池設(shè)計動力電池，利用較小的設(shè)計體積與較高的能量密度，來提升電動汽車的駕駛里程。

2.3高功率密度要求

高能量密度用動力電池的續(xù)航里程表示，而高功率密度則用動力電池單位體積輸出的功率表示，兩者并不存在直接關(guān)系。高功率密度傾向于描述動力電池的倍率性能，以電動汽車的爬坡水平、短距離加速效果等方式進行表達。

2.4長使用壽命要求

較長的使用壽命可以達到電動汽車運行效率的目的。例如，充電放電次數(shù)會加速磨損效果，增加動力電池老化速度。如果長時間處于高溫工作環(huán)境，會極大降低動力電池的使用壽命。為此，就需要設(shè)計良好的安全系統(tǒng)，為動力電池提供一個相對穩(wěn)定的工作環(huán)境，減少電動汽車運行故障。

2.5成本控制要求

動力電池的設(shè)計質(zhì)量影響著電動汽車的生產(chǎn)制造總成本。以純電動汽車為例，因為電動汽車驅(qū)動力均由動力電池提供，所以動力電池的設(shè)計與制造成本幾乎達到純電動汽車生產(chǎn)制造成本的50%左右。為此，應(yīng)在保證動力電池可以為電動汽車提供穩(wěn)定運行性能的基礎(chǔ)上，合理控制生產(chǎn)制造成本。

3電動汽車動力電池安全系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1中央控制單元

中央控制單元是負責(zé)對動力電池安全系統(tǒng)進行全局化控制的重要硬件結(jié)構(gòu)，主要關(guān)系到動力電池的電力參數(shù)、溫度參數(shù)等數(shù)據(jù)接收，并根據(jù)電動汽車當(dāng)前的運行情況，對接收到的數(shù)據(jù)信息進行更為詳細的分析與處理，完成對動力電池剩余電量狀態(tài)（State-of-Charge，SOC）的估算，根據(jù)實際電量與駕駛需求，對動力電池發(fā)出相應(yīng)的運行命令，并展開必要的控制。硬件結(jié)構(gòu)的中央控制單元還需要與軟件系統(tǒng)的上位機進行必要的數(shù)據(jù)信息交流，以此形成軟件、硬件同步運行[2]。利用更為詳細的模塊化設(shè)計工藝，可以為整個硬件結(jié)構(gòu)協(xié)同合作提供便利條件，合理降低動力電池電路系統(tǒng)維護與檢修的時間成本。

3.2電流電壓采集電路

電流電壓采集電路進行數(shù)據(jù)的收集與分析，和中央控制單元一同投入到動力電池SOC的估算。大多數(shù)動力電池使用4節(jié)鋰電池電池組的設(shè)計模式，一節(jié)電池擁有3.2V的工作電壓。對于主控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道接口，其最大承受電壓為3.3V，為合理提升單片轉(zhuǎn)換接口的使用安全性，一般會通過CHV-25閉環(huán)霍爾傳感器測量動力電池電壓數(shù)據(jù)。將CHV-25閉環(huán)霍爾傳感器與動力電池的正負兩端進行連接，對收集的數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)換處理，即可完成信號傳輸?shù)街骺刂破黠@示在上位機的數(shù)據(jù)傳輸過程[3]。設(shè)計動力電池電壓采集電路時，可以考慮應(yīng)用一些使用頻率較高、穩(wěn)定性良好的電壓檢測方法，例如飛渡電容、電阻分壓等。如動力電池采用單體電池設(shè)計模式，可考慮用電阻分壓進行電壓檢測。對于電流采集電路的設(shè)計，可基于閉環(huán)磁補償電流原理，使用匹配動力電池的電流傳感器來增強抗干擾性能，提高電流數(shù)據(jù)采集精度與效率。

3.3熱管理電路

動力電池不斷輸出電力資源，會提高動力電池的工作環(huán)境溫度。在持續(xù)高溫運行條件下，動力電池的工作性能受到較大負面影響。就會減少電力資源的持續(xù)供應(yīng)，這就需要通過熱管理電路系統(tǒng)性地降低高溫影響。在自然環(huán)境溫度偏低時，需要通過熱管理電路激活動力電池的化學(xué)反應(yīng)來生成部分熱量，抵消低溫條件的負面影響[4]。如果動力電池的工作溫度偏高，則要通過熱管理電路啟動必要的降溫方法，例如通過電風(fēng)扇生成氣流，起到降溫效果。也可與相應(yīng)的預(yù)警系統(tǒng)進行組合設(shè)計，在達到預(yù)設(shè)溫度上限或下限時，對駕駛?cè)藛T發(fā)出報警，同步啟動熱管理電路系統(tǒng)，對動力電池做降溫或升溫控制。

3.4單體電池均衡電路

如果電動汽車采用單體電池設(shè)計模式，會面對一個電壓不均衡供應(yīng)的現(xiàn)實問題。據(jù)此設(shè)計的單體電池均衡電路，在電壓達到不均衡狀態(tài)時，會以預(yù)設(shè)電壓上限作為標準，對電壓做出有效控制，確保過余電量得到合理消耗。也可采用分流電阻均衡電路器，通過簡化的開關(guān)進行控制，保障單體電池電壓順利達成均衡供應(yīng)的目標。

4電動汽車動力電池安全系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1控制實現(xiàn)

為有效提升電動汽車動力電池安全水平，順利達成軟件系統(tǒng)控制目標，就需要通過主工作模塊，針對數(shù)據(jù)采集模塊、電池組、故障記錄、充電放電控制等功能模塊展開全面控制。在設(shè)計電池組模塊的軟件控制系統(tǒng)時，要以電動汽車的運動速度為基礎(chǔ)，分析動力電池當(dāng)前工作模式是否滿足電動汽車的運行需求。如果兩者沒有達成一致，則向繼電器發(fā)送相應(yīng)的動作控制指令，對電池組的串并聯(lián)模式進行調(diào)整，以保障動力電池穩(wěn)定運行。在設(shè)計故障記錄模塊的軟件控制系統(tǒng)時，則預(yù)先確認動力電池運行過程中可能發(fā)生的故障，例如電流、高壓、高溫、低溫等，做好故障的梳理。當(dāng)動力電池發(fā)生故障時，首先確認故障類型，再確認發(fā)生故障的硬件結(jié)構(gòu)與工作電路，通過指示燈提示駕駛?cè)藛T及時?？坎⑦M行維修。利用蜂鳴器展示故障類型，通過指示燈確認動力電池故障位置，輔助相應(yīng)的文字提示。在這個過程中，故障記錄模塊將本次故障發(fā)生的事件、類型、位置等進行詳細記錄，便于維修人員開展精準的故障維護[5]。充電放電控制模塊在負載電路控制的基礎(chǔ)上，受到充電機、放電機的控制，可有效提升動力電池的充電放電控制質(zhì)量。

4.2電量檢測

在動力電池安全系統(tǒng)的軟件中，也存在電量檢測相關(guān)內(nèi)容。軟件系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)動力電池電量檢測算法，需要以動力電池生產(chǎn)工藝與設(shè)計模型共同決定。在大多數(shù)情況下，會選擇三階等效動力電池檢測數(shù)據(jù)模型，利用動力電池運行過程中生成的高斯白噪聲，展開更為詳細的電量檢測。但是，在動力電池工作狀態(tài)切換時，會生成一定的噪聲，嚴重情況可能會出現(xiàn)震蕩，這導(dǎo)致電量檢測軟件系統(tǒng)的功能受到負面影響，獲得的電量檢測數(shù)據(jù)存在一定誤差。出于路面平整性、駕駛?cè)藛T操作技術(shù)等原因，駕駛中如出現(xiàn)震動，同樣會對動力電池電量檢測精度造成影響，可以考慮在動力電池電量檢測算法中增設(shè)濾波算法，并根據(jù)工作需求對濾波算法的功能做必要的擴展。在動力電池電量出現(xiàn)變化時，即可對隨機生成的噪聲做有效濾除，從而實現(xiàn)通過軟件系統(tǒng)，提高電量檢測精度的效果。

4.3上位機軟件

上位機軟件是動力電池安全系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller?Area?Network，CAN）的通信節(jié)點，負責(zé)接收主控單元提供的動力電池工作狀態(tài)信息，進行必要的報警信息提示等工作。因為上位機主板不設(shè)置CAN接口，不具備通信功能，所以需要把CAN接口卡和上位機現(xiàn)有的通信接口通過合理方式設(shè)置成用于通信的CAN接口。例如USBCAN-Ⅱ驅(qū)動，就可以將原本的USB接口轉(zhuǎn)化為CAN通信接口，從而獲得連接動力電池安全系統(tǒng)的功能。而且，CAN通信接口可兼容多種開發(fā)環(huán)境，根據(jù)動力電池的運行需求進行功能的二次開發(fā)[6]。在設(shè)計上位機軟件時，需要考慮一些基礎(chǔ)功能。例如針對動力電池工作電壓、溫度等指標的實時顯示，以圖像形式顯示SOC估算數(shù)據(jù)。可通過上位機軟件設(shè)置三種顏色指示燈來輔助故障報警，例如嚴重故障為紅色指示燈，普通故障為黃色指示燈，沒有故障為綠色指示燈。上位機軟件還需要擁有相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲空間，用于存儲動力電池運行數(shù)據(jù)信息，方便后續(xù)的維護?？蔀樯衔粰C軟件提供一定的功能拓展接口，例如將上位機軟件與高精度萬用表同步應(yīng)用，對動力電池安全系統(tǒng)運行精度進行綜合分析，確認運行精度在系統(tǒng)設(shè)計誤差范圍內(nèi)，保障動力電池安全系統(tǒng)正常運行。

5結(jié)語

在設(shè)計電動汽車動力電池的安全系統(tǒng)時，需要根據(jù)電動汽車的性能、動力電池生產(chǎn)需求，對部分細節(jié)內(nèi)容進行優(yōu)化，確保對動力電池可實現(xiàn)全天候、無縫化的安全控制，合理提升動力電池使用壽命，提高電動汽車運行穩(wěn)定性。

參考文獻

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