基于新能源汽車動力電池管理系統的優化設計

張海燕

(湛江科技學院，廣東 湛江 524255)

0 前言

新能源汽車所需動力由多種動力電池組成的動力電池組提供，加強對動力電池組的管理是保障新能源汽車安全運行的基礎。因此，動力電池管理系統的設計優化尤為關鍵。

1 電池管理系統設計的現狀及意義

隨著現代社會對能源的大量消耗，傳統能源越來越不能滿足社會日益增長的能源消耗需求。此外，隨著環境法規的日益嚴格，世界各國也積極尋求新的能源來替代傳統能源。

我國一直致力于新能源技術的開發和運用，新能源逐漸成為社會發展的主要能源，而作為能量來源的動力電池是新能源汽車的核心部件，受到人們的廣泛關注。

現階段，由電池管理系統控制的動力電池充放電效率可達98%以上，有著很好的供電效果。但是，電池管理系統存在不均衡性，在保證動力電池安全的基礎上，應防止電池出現過充電、過放電和過電流等問題。出現上述現象的原因主要有兩方面：一方面是動力電池運行具有較高的復雜性，在一定程度上對于電池管理系統的要求較高；另一方面是電池本身的制造工藝存在差異，很難保證每塊電池性能都完全相同。因此，需要對動力電池管理系統進行優化，以保障動力電池的使用性能。

2 存在的問題

2.1 過充電與過放電

新能源汽車動力電池的主要功能是通過化學反應將化學能轉變為電能。電池過度充電會導致電池在化學反應過程中的還原能力減弱，電池使用壽命縮短。動力電池長時間過度充電會使電極表面半透膜發生破裂，電極材料與電極液接觸發生反應，增加了電解液的反應副產物。此外，電池長時間充電會使電池的溫度升高，在“熱失控”狀態下引發電池過熱或爆炸。

動力電池放電過程是為新能源汽車提供動力的過程。動力電池放電時，會有安全使用的電壓閾值范圍。當電池放電達到設定的電壓閾值后，若電池繼續放電，會出現過放電現象。

電池過度放電會使其內部產生大量熱量，導致電池內部壓力升高，破壞電極活性物質的可逆性，從而加速電池性能的衰退，致使電池組整體性能降低。

2.2 電池系統均衡一致性不佳

電池系統均衡一致性是指動力電池組內所有電池單體的綜合性趨于一致。在電池循環應用過程中，電池單體之間的性能差異會越來越明顯，會影響動力電池組的整體性能。除了電池單體材料和制造工藝造成的單體性能差異外，電池的使用環境、使用壓力和電池管理質量都會影響動力電池組與電池系統之間的一致性。這種不均衡性會產生連鎖效應，從單一電池的失效不斷擴散到整個電池系統的整體失效，從而嚴重影響新能源汽車的使用[1]。

2.3 電池管理系統溫度敏感性差

環境對電池的影響較大，電池系統對溫度的適用性較差，極易影響電池的性能和使用壽命。在低溫狀態下，電池進行充電會因電極材料自身特點而導致電池內部極化增大，無法正常充電。而電池在低溫時放電，又會加速電池性能的衰速。而在高溫狀態下，電池內部則會產生大量不可逆的副反應，導致電池容量快速降低，直至電池失去工作能力。

3 動力電池管理系統優化設計

3.1 系統功能需求

對電池管理系統進行優化設計前，需分析電池管理系統的通用性需求。電池管理系統為集成嵌入式控制單元，具備多路模擬和信息輸入輸出端口，全面覆蓋電池電壓、電流、溫度等數據信息的收集。電池管理系統根據這些信息分析電池的狀態，有效管控電池，使電池始終在最佳狀態下運行，其主要功能包括以下幾個方面。

(1)電氣喚醒功能。設定電池的高低電平，當電氣接口輸入低電平時，不會喚醒電池管理系統，而當監控或整車輸入高電平時，則會喚醒電池管理系統。

(2)系統自檢功能。該功能是電池管理系統的基本管控功能。當接入電源后，電池管理系統會執行自我檢車指令，分析系統各個模塊的運行狀態是否正常，并在車輛顯示屏上顯示正常或故障信息。

(3)預充電功能。電池管理系統具備預充電控制功能。一般情況下，車輛在預充電開啟1.2 s內需要將母線電壓預充95%以上，系統同時對母線電壓和電流進行監測。

(4)狀態轉換功能。電池管理單元(BMU)有電源上電、啟動成功、駕駛模式、緊急斷電(EPO)等數種狀態，系統根據需求進行狀態切換。

(5)溫度管理功能。電池管理系統在收集電池溫度狀況后，可以對電池散熱器、散熱風扇進行管控。

(6)高壓互鎖功能。動力電池由電流環組成，各個單體電池之間存在高壓部件和連接開關，電池管理系統監測所有高壓部件是否連接完好，并判斷輸入輸出電壓的差異，確定高壓回路連接是否正常。

(7)通信功能。各個模塊之間、系統與系統之間都可以通過控制器局域網絡(CAN)通信來實現信息交互。

3.2 系統硬件設計

3.2.1 電氣架構設計

電池管理系統的硬件功能與電氣架構密切相關。當前電池管理系統主要有集中式和主從分布式2種架構。本文主要分析主從分布式架構設計方案。從控裝置和電池可以就近布置，主控系統和從控系統采用汽車專用CAN進行通信連接，確保系統信號傳輸的穩定性。主控模塊與整車控制器、車載充電機、電機控制器進行交互，滿足當前動力系統的電壓采集要求：主控模塊需要具備3路CAN 通信才能滿足整車通信要求，第1路CAN通信線路為主控系統與從控內部系統的通信；第2路CAN通信線路為整車控制器與電機的通信；第3路CAN通信線路為整車與車載充電器的通信。

3.2.2 BMU 模塊

BMU 模塊是電池管理系統中最為重要的系統，由微控制單元(MCU)系統、CAN 通信電路、總電壓采集電路、總電流采集電路等多種電路控制部件組成。BMU 模塊設計主要包含以下幾個方面：①CAN 通信電路設計。通過高速CAN 收發器進行網絡通信。收發器設計有隔離功能，可以隔斷多個通信節點之間的銅線，避免出現節點電壓過高的問題，有效保障通信質量與可靠性。②絕緣電阻檢測電路設計。現階段絕緣電阻檢測方式主要有2種，一種是直流電壓檢測法；另一種是通過輸入低頻信號，分析注入信號的電壓幅值來判斷絕緣狀態，該方式可以實時應用并同時監測信號，且不會改變被測電池的絕緣值。③高壓互鎖電路設計。采用恒流源輸出電路，在輸入端接入100Ω的電阻，通過MCU 收集相應電阻上的分壓，從而實現高壓回路的安全檢測。④總電壓和總電流采集電路設計。電壓采用差分采樣獲取信號，而電流則采用雙通道霍爾電流傳感器進行檢測，在電壓進入傳感器后會放大信號，直接由MCU 進行模擬信號的數據采集，可分為小電流檢測和大電流檢測。⑤高壓控制部件和溫度管理控制的電路設計。該設計主要是對散熱器開關、散熱風扇開關、高壓控制等部件進行驅動控制，一般采用控制驅動芯片，可實現高精度管控[2]。

3.2.3 內存管理單元(MMU)模塊

內存管理單元(MMU)模塊的主要作用是輔助BMU 模塊，獲取更具有針對性的信息，為BMU 模塊提供更加詳細的數據參數。MMU 模塊設計內容主要有：①輔助電源電路設計。由降壓開關穩壓器和外圍電路組成，通過電壓轉換為最小系統供電。②CAN 通信接口電路設計。采用與主控模塊一樣的CAN 收發器進行CAN 通信電路設計，使主控系統和從控系統保持協同。③單體電壓溫度采集電路設計。使用電池檢測集成進行采集，將模擬信號轉換為數字信號，并以高精度電壓為基準。每個采集模塊的最大輸入電壓不得超過60 V，可以同時采集多個電池的電壓值。通過堆疊或聯合的方式監控多個電池組，每個模塊具有獨立的尋址功能，每塊電池擁有獨立的開關器件用于控制電池系統使其均衡一致。

3.3 系統軟件設計

3.3.1 系統自檢和狀態轉換程序

在BMU 模塊上電工作后，系統將進入初始化狀態，BMU 模塊發出指令，為MMU 模塊供電，并同時打開主控與從控系統之間的CAN 通信，系統進行自檢，自檢完畢且沒有出現異常狀態后，系統會根據相應的指令轉換到不同的工作模式，系統也會隨之轉換狀態。例如，在接收到充放電指令后，系統會對預充電模擬信息進行采集和處理，在確認信息無誤后執行充放電指令。若檢測到故障，系統便會進入故障模式，電池進入保護狀態。

當系統所有指令關閉時，BMU 模塊會進入睡眠狀態。在任意一種指令上電后，系統可以喚醒BMU 模塊，并且任意一種模式喚醒主控系統都將進入電源上電模式，系統將會進行自檢。在自檢過后，主控系統方可進入其他狀態。在主控系統接受整車控制命令后，系統進入預上電模式，管理系統控制高壓回路進行預上電，這時系統也會進行檢測，在預上電成功后進入行駛模式；當預上電失敗時，系統則會報警，并進入故障模式[3]。

3.3.2 系統級芯片算法程序(SOC)設計

系統級芯片算法程序(SOC)是電池管理系統的核心，其原理是利用定時中斷的方式，在子程序進入啟動后判斷當前程序是否滿足光學字符驗證(OCV)校準條件。若滿足相關條件，則進行OCV 校準；若不滿足，則會進入下一判斷環節。系統采集電池電壓和電流狀態，并獲取SOC 數據，以判斷SOC 是否需要重啟修正，滿足條件則重啟修正SOC，不滿足則繼續進入下一判斷環節。系統不斷重復此循環，確保電池管理系統獲取最高的SOC 值及最低的SOC 值，實時監控電池管理系統狀態值[4]。

3.3.3 標準作業程序(SOP)算法程序設計

標準作業程序(SOP)，采用定時中斷模式，設定時間和觸發模式與SOC 相同。SOP 子程序啟動需要獲取當前SOC 數據和對應的SOP 數據，然后通過單體電壓獲得最小電壓和單體最大電壓，根據故障情況識別SOP算法是否存在問題，最終系統將根據SOP數據對電池衰減等相關性得出最高SOP值和最小SOP值。

3.3.4 故障安全管理程序設計

電池管理系統故障主要是通過中斷喚醒進行判斷，其流程與SOC 算法程序基本相同，差別在于故障安全必須按照故障優先級進行處理，在系統識別故障狀態后還需增加判斷故障優先級的環節。該方法能夠增強車輛在行駛狀態下控制邏輯的判斷。當車輛處在行駛狀態中，出現“禁止高壓”標識，系統將降低電池功率輸出，進行高壓系統的切斷操作。系統通過故障報警提示和降低動力輸出可以讓駕駛人員意識到車輛出現了故障，駕駛人員可以采取相應的措施，確保人員和車輛的安全[5]。

4 結語

本文通過對新能源汽車動力電池管理系統存在問題進行分析，探究了當前新能源汽車動力電池管理系統應當具備的功能，以此對新能源汽車動力電池管理系統進行優化設計。動力電池管理系統的硬件系統包括電池管理系統的電氣架構、BMU 模塊、MMU模塊，而軟件系統包括系統檢測程序、控制程序、算法程序、故障管理程序的設計。技術人員應全面掌握新能源軟硬件系統相關知識，在動力電池上增強管控效果。