新能源汽車電池管理系統(tǒng)設計與關鍵技術

摘 要：電池蓄能是限制新能源汽車規(guī)?；占巴茝V的重要難關，面對該現(xiàn)象，可通過設計電池管理系統(tǒng)而實時把控新能源汽車電池狀態(tài)，強化能源利用?；诖?，文章首先分析新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設計目標，進一步從總體架構、功能設計、拓撲結構、硬件設計、軟件設計五個方面提出新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設計方案及關鍵技術，為確認設計效果，對新能源汽車電池管理系統(tǒng)進行整體測試，最終確定該平臺功能穩(wěn)定，指令響應迅速。

關鍵詞：新能源汽車 電池管理系統(tǒng) 系統(tǒng)設計

0 引言

新能源汽車在環(huán)保、節(jié)能、綠色、低碳等方面具有顯著優(yōu)勢，前景廣闊，而在新能源汽車結構中，電池屬于核心部件，直接影響新能源汽車的性能與續(xù)航，且可影響其安全性與使用壽命。因此，新能源汽車在發(fā)展期間，應以需求為依據(jù)科學化設計電池管理系統(tǒng)，混合運用多種前沿技術，對新能源汽車的電池狀態(tài)進行有效把控，規(guī)避過溫、過放、過充等現(xiàn)象，繼而提高新能源汽車電池的運行穩(wěn)定性，延長使用壽命。

1 新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設計目標

能源問題現(xiàn)已成為全球熱點，使汽車行業(yè)的新能源道路更加明了，但在新能源汽車發(fā)展期間，應重點解決電池壽命及性能的問題，針對該現(xiàn)象，主要可借助電池管理系統(tǒng)加強對新能源汽車電池的控制[1]。對該次新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設計目標進行總結，如下所示：（1）電池均衡管理。新能源汽車電池組內各單體電池在使用壽命、性能參數(shù)等方面存在差異，若出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，則會加重電池組運行負擔，影響整個電池組的壽命及性能，而電池管理系統(tǒng)則可實現(xiàn)單體電池的均衡管理。（2）電池狀態(tài)監(jiān)測。電池管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對新能源汽車電池狀態(tài)的實時監(jiān)測，采集電池參數(shù)，如容量、溫度、電流、電壓等，繼而確認電池狀態(tài)，以免出現(xiàn)電池亞狀態(tài)運行的情況。（3）故障診斷保護。若電池組出現(xiàn)故障將會直接影響新能源汽車的運行，而電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對新能源汽車電池組的實時檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常狀況或突發(fā)故障，將會進行診斷并運行保護措施，實現(xiàn)電池組故障保護。

2 新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設計方案及關鍵技術

2.1 總體架構

本次所設計的新能源汽車電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)多終端同時運行，其結構包括汽車終端、CAN總線、云端服務器、上位監(jiān)控終端構成。（1）汽車終端。包括終端傳感器、終端執(zhí)行器、電池組信息，可實現(xiàn)對新能源汽車電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與展現(xiàn)，若接收到上位機指令則會執(zhí)行相應措施。（2）CAN通信總線。CAN總線用于數(shù)據(jù)交互傳輸，傳感器完成電池數(shù)據(jù)采集后將會由CAN總線完成傳輸，并將上位機指令向傳遞。（3）云端服務器。汽車終端信息由CAN通信總線傳輸至云端服務器，實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)的整合存儲，且云端服務器內具備權限驗證機制，可保障電池數(shù)據(jù)安全性。（4）上位監(jiān)控終端。主要是代表用戶端，用戶可借助不同終端設備進入電池管理系統(tǒng)，獲取電池信息或下達指令，若用戶發(fā)出指令，該指令將會進一步由CAN總線向下傳輸。除此之外，上位機內部具有數(shù)據(jù)分析程序，可輔助用戶完成電池數(shù)據(jù)分析與計算，幫助用戶下達指令[2]。

2.2 功能設計

于正式設計新能源汽車電池管理系統(tǒng)之前，以功能需求為依據(jù)進行功能設計，如下所示。

2.2.1 輔助性功能

要求所設計的新能源汽車電池管理系統(tǒng)具備單體電池均衡、充電控制、熱控制、SMR主繼電器控制的功能，且可實現(xiàn)新能源汽車電池狀態(tài)的精準把控，實時化采集電池溫度數(shù)據(jù)并加以調節(jié)，以免電池出現(xiàn)溫度過高的不良現(xiàn)象，確保新能源汽車能夠在安全條件下穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)主繼電器（SMR）控制，熱控制，充電控制。電池參數(shù)，控制電池的充放電狀態(tài)，實時采集電池測根據(jù)溫點數(shù)據(jù)，控制電池溫度，防止電池溫度過高，保證電池使用過程中的安全、穩(wěn)定。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)測與計算

針對電壓、溫度等關鍵指標進行監(jiān)測，用于實時化了解新能源汽車電池狀態(tài)。在此基礎上，進行SOC電池荷電狀態(tài)（即剩余電量）的計算，用于了解電池電流在特定時期內的變化情況。其計算公式如下：

（1）

式（1）中，SOC為電池荷電狀態(tài)，C1表示長期擱置狀態(tài)下的電池剩余容量，C2表示完全充電狀態(tài)下的電池容量。若經(jīng)公示計算后發(fā)現(xiàn)SOC為1，則意味著新能源汽車電池已充滿，若結果為0，則代表電池放電完全，若為其他數(shù)值，則為電池電量狀態(tài)[3]。

除SOC之外，電池管理系統(tǒng)還將完成SOH、SOP參數(shù)的監(jiān)測，其中SOH表示電池電流參數(shù)在長時間階段內的變化，可表現(xiàn)出新能源汽車電池的健康程度。餓SOP代指電池功率邊界。在該次電池管理系統(tǒng)設計過程中，需以數(shù)據(jù)采集為基礎完成三種關鍵參數(shù)的計算，繼而更好地把握與呈現(xiàn)電池狀態(tài)。

2.2.3 故障自檢診斷

電池管理系統(tǒng)設計過程中，需融入功能識別篩查功能，可實現(xiàn)對電池數(shù)據(jù)的分析處理，一旦發(fā)現(xiàn)功能異常則立即預警，并上報上位機，同時觸發(fā)指示燈，提醒新能源汽車駕駛員注意安全。在該次設計中，將數(shù)據(jù)分析程序編入上位機計算機內。

2.3 拓撲結構

在新能源汽車電池管理系統(tǒng)設計過程中，主要采用集中式、分布式兩種拓撲結構。（1）集中式。是指集成整合所有電氣部件的拓撲結構設計方式，在該結構中，借助菊花鏈通訊方式連接主芯片與采樣芯片。該拓撲結構簡單，成本可控，且可最大限度提高通道利用率，但相對而言安全性不足，僅可在小容量電池包、總電壓低的工況下使用。（2）分布式。是指設置主板的同時增設多個從板，在主板與從板的協(xié)同運用下完成電池采集。該方式適用于多種情況，且芯片通道數(shù)量可滿足不同狀況。在該次新能源汽車電池管理系統(tǒng)設計期間，經(jīng)綜合對比后最終選擇采用分布式拓撲結構，借此實現(xiàn)對電池管理系統(tǒng)的靈活設計[4]。

2.4 硬件設計

2.4.1 CAN通信節(jié)點設計

汽車行業(yè)中，汽車所承載的電子設備基本均可運行Flex Ｒay、LIN、CAN總線通信方式，汽車可依托上述三種總線完成各類數(shù)據(jù)的交互傳輸，相較而言，CAN總線在汽車領域中最為常用，故在本次新能源汽車電池管理系統(tǒng)設計過程中，則選用CAN總線設計通信節(jié)點。

在具體設計過程中，雖運用了配置CAN協(xié)議控制器的STM32芯片，但為保障電池管理系統(tǒng)通信功能成效，在STM32芯片CAN協(xié)議控制器基礎上再次外接CAN總線收發(fā)器。在此期間，為實現(xiàn)電平轉換而選用了TJA1050收發(fā)器芯片，同時在STM32芯片與TJA1050收發(fā)器芯片之間添加高速光耦，型號為ADUM1201，進一步提高數(shù)據(jù)傳輸通信的信號穩(wěn)定性。此外，以CAN節(jié)點引腳連接原理為依據(jù)，運用ADUM1201高速光耦分隔CAN總線的兩個端口，即發(fā)送端、接收端，在該結構中，還可設置去偶電容，起到降低電源噪聲干擾的作用，增強數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在該硬件結果中，TJA1050收發(fā)芯片可實現(xiàn)信號的轉換，完成ＲX信號到CAN總線差分信號的過度，還可按照需求進一步將差分信號轉我TX信號，為不同數(shù)據(jù)傳輸場景創(chuàng)造條件。

2.4.2 網(wǎng)絡模塊設計

網(wǎng)絡模塊硬件設計主要為保障網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性及帶寬性能，在本次新能源汽車電池管理系統(tǒng)設計過程中，則采用TCP/IP完成網(wǎng)絡模塊硬件設計。用于保障數(shù)據(jù)信息傳輸效率與質量。在具體設計過程中，以ENC28J60芯片為核心打造網(wǎng)絡傳輸模塊，并借助中斷引腳、SPI總線接口確保數(shù)據(jù)交互與指令傳輸效果，經(jīng)初步驗算后，該網(wǎng)絡模塊的傳輸速率超10Mb/s。在此基礎上，進一步于芯片預留兩路接口，以此控制LED指示燈閃爍。

2.4.3 采集模塊設計

采集模塊由各類傳感器構成，其溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，主要用于采集新能源汽車電池組的運行狀態(tài)，在實現(xiàn)實時化數(shù)據(jù)采集的同時，可在CAN總線的幫助下完成電池參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸[5]。

2.4.4 均衡控制模塊

主要用于均衡新能源各個單體電池組，用于解決不同單體電池組在定壓、容量等方面的差異。在該次新能源汽車電池管理系統(tǒng)均衡控制模塊設計期間，主要依靠控制器、均衡器完成設計，用于實時化、動態(tài)化監(jiān)測每個單體電池的實際運行狀態(tài)。而在均衡控制期間，在主要借助電荷轉移而實現(xiàn)，使電荷由高電壓電池向低電壓電池轉移，若大總量電池的電荷轉移到小容量電池中，通過電荷轉移完成新能源汽車單體電池狀態(tài)的均衡。

2.4.5 主控制器模塊

屬于電池管理系統(tǒng)的核心模塊，主要用于實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)匯總與存儲，可幫助用戶實時化了解電池組數(shù)據(jù)。主控制器模塊由芯片、微處理器構成，可實現(xiàn)多參數(shù)的計算與電池狀態(tài)的控制。

2.5 軟件設計

新能源汽車電池管理系統(tǒng)需以采集終端作為完成軟件設計的重點，在該項設計任務中可應用N1 LabVIEW嵌入式開發(fā)工具包中的LabVIEW Embedded Module for ARM Microcontrollers模塊，以嵌入式32位精簡指令集運算為控制其為該系統(tǒng)采集終端提供有效的圖形化編程。對這一工具的性能進行深入分析發(fā)現(xiàn)：由于該工具已經(jīng)完成了LabVIEW嵌入式開發(fā)工具包與Keil RealView MDK為控制器的集成，可有效改善用戶對嵌入式編程的應用體驗，確保其銜接的即時性和連續(xù)性。此外，該工具本身還具備CAN局域網(wǎng)通信V1、TCP以太網(wǎng)通訊V1、RSR232串口通信V1等多種硬件通信接口，可使用戶在開發(fā)程序環(huán)節(jié)的工作效率大幅提升。

技術人員在新能源汽車電池管理系統(tǒng)采集終端的軟件設計中，應加強對項目研發(fā)需求的綜合考慮，并將其作為軟件功能設計的重要依據(jù)。在某新能源汽車電池管理系統(tǒng)采集終端軟件設計中，則設置了數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)解析、指令執(zhí)行、服務器登錄與接入等功能，并通過演示系統(tǒng)版本的方式完成所有功能的開發(fā)與設計，并在系統(tǒng)調試環(huán)節(jié)對該軟件的各項具體功能做進一步測試與檢驗，最終得到集成網(wǎng)絡接入、數(shù)據(jù)收發(fā)與解析、終端LCE顯示屏控制程序的采集終端軟件程序。

在此基礎上，新能源汽車電池管理系統(tǒng)在設計階段，應提高對上機位監(jiān)控系統(tǒng)設計的重視程度，選擇第三方數(shù)據(jù)服務平臺作為整個系統(tǒng)運行期間各類數(shù)據(jù)信息的中轉站，要求該服務器應具備中轉、處理、存儲數(shù)據(jù)信息和異常信息告警等綜合性能，同時在該服務平臺中強調API數(shù)據(jù)接口設置的標準性，為系統(tǒng)采集終端與第三方數(shù)據(jù)服務器的信息交互以及平臺功能拓展創(chuàng)造便利條件。在上機位系統(tǒng)設計的工作實踐中，需以具備人機交互功能的LabVIEW2016的前面板為基礎，應用N1提供的網(wǎng)絡通信工具選板與標準工具選板，實現(xiàn)系統(tǒng)后臺與服務器的登錄、連接等基礎功能，通過規(guī)范的操作完成系統(tǒng)登錄與數(shù)據(jù)傳輸。

3 新能源汽車電池管理系統(tǒng)整體測試

為檢驗上述提出的新能源汽車電池管理系統(tǒng)的功能效果，采用整體測試的方式加以檢驗。在整體測試過程中，選擇四塊單體電池進行模擬分析，對整體測試期間所需監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型進行統(tǒng)計，具體可見表1。

結合表1數(shù)據(jù)性質來看，在測試期間選擇狀態(tài)信息、電量信息分別作為開關量類型、數(shù)值類型為樣本測試電池管理系統(tǒng)的功能。電池管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集后，在上位機程序及終端程序的協(xié)同作用下可完成數(shù)據(jù)的編譯處理，并將其導出，最終則可于測試環(huán)境內檢驗電池管理系統(tǒng)的功能。在該次所設計的電池管理系統(tǒng)內，由 MDK開發(fā)工具完成終端程序的編譯，并形成C代碼，經(jīng)由USB接口傳輸至終端硬件設備，完成數(shù)據(jù)下載的則可登錄服務器及終端測試電池關系系統(tǒng)的功能，并實現(xiàn)對終端數(shù)據(jù)的采集。登錄后可實時收發(fā)數(shù)據(jù)，并采用界面顯示的方式展現(xiàn)信息，待數(shù)據(jù)收發(fā)結束后則可執(zhí)行程序動作，將相關數(shù)據(jù)傳輸至服務器，并于汽車終端執(zhí)行指令，與此同時將會采用指示燈方式表現(xiàn)電池狀態(tài)。數(shù)據(jù)服務器在測試過程中良好表現(xiàn)出設備管理、遠程監(jiān)控、報警指示、數(shù)據(jù)轉發(fā)等功能，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉發(fā)與分析，若經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)異常狀況，將會觸發(fā)報警。上位機監(jiān)測平臺經(jīng)檢測后同樣具備應有功能，用戶可便捷化登錄，且用戶可根據(jù)自身需求選擇手動登錄、信息讀取兩種方式完成登錄過程。

整體來看，該次所設計的新能源汽車電池管理系統(tǒng)功能完整、界面清晰明確、響應速度優(yōu)異，具有較高應用價值。

4 結語

綜上所述，為確保新能源汽車能夠真正實現(xiàn)規(guī)?；占?，加速汽車行業(yè)能源體系的變革，應基于現(xiàn)實需求，合理規(guī)劃新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設計方案，做好總體架構設計，多角度設置系統(tǒng)功能，并注意完善拓撲結構、此外，為保障新能源汽車電池管理系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，從硬件與軟件兩個角度出發(fā)進行科學設計。按照本次方案完成新能源汽車電池管理系統(tǒng)設計后，對其整體性能進行測試，確定了電池管理系統(tǒng)功能的可靠性。

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