新能源汽車電池管理系統研究

黃關山

（珠海城市職業技術學院機電工程學院，廣東 珠海 519070）

21 世紀是科學技術飛速發展的時代，隨著不可再生能源的消耗越來越大，人們對新型可再生能源的需求也越來越高。電力是一種典型的可再生能源，它是一種潔凈的能源。在全球范圍內，特別是發達國家和發展中國家，燃料車的數量日益增加，造成了越來越多的汽車尾氣排放。所以，用電作為動力的新能源汽車已經成為未來的發展方向。新能源汽車最大的優點在于它對環境的保護，以及對環境的依賴性，可以減少對環境的污染，但是它的缺點就是需要很長的時間，而且需要大量的電池。

1 新能源汽車動力電池關鍵技術分析

在新能源汽車的動力電池管理系統的設計和應用中，涉及許多技術問題。傳統的系統設計和應用都是以模塊化的方式來劃分，所以在檢測、估算、均衡等模塊相對較為重要的時候，重點是工作參數檢測、SOC 算法、均衡控制等。

1.1 工作參數檢測

為了保證系統的正常工作，必須設定多個參數。（1）蓄電池的電壓；（2）工作電流；（3）溫度等。

一般在對這類工作參數進行具體檢測時，往往側重于數據的收集和分析，以便通過數據管理來預測其運行狀況。比如，在測量上述工作參數時，必須首先采集單元的電壓測量數據，然后對其進行分析；對蓄電池工作狀況進行預測。又比如，在電力系統中，要準確地獲取和分析單體電池的電壓，就必須對其進行準確的估計。

1.2 SOC 算法

在計算動力電池SOC 的初始值時，通常采用靜態學習的方法來確定剩余電量（靜態的自學習）、動態電流的測量、SOC 的擴展卡爾曼濾波器。據相關實踐結果表明，在 SOC 初始數值的基礎上，使用靜態自學習算法，要得到更準確的電力需求，必須有大量的實驗數據。另外，還要求電腦能夠對蓄電池的電壓及兩端的溫度進行有效的監控與聯系。在實踐中，卡爾曼濾波器的線性化是因為使用的方程都是非線性的。并將估計值和誤差協方差矩陣結合起來，以實現SOC 估計的標定。

1.3 均衡控制

在新能源汽車電池管理系統的設計中，平衡控制是最難解決的問題之一，如果采用不當的平衡控制策略，不但無法實現系統的管理目的；還會導致管理體系的運行偏離，產生管理上的漏洞。從電池的總體性能來看，這和“木桶弱點”有異曲同工之妙，綜合性能好壞，取決于電池的性能。因此，在使用過程中，如果電池在使用中的狀態不一致，就會導致過充放電，導致整個電池組的工作性能下降，縮短了電池組的使用壽命。從這類系統的平衡控制經驗來看，要把控制的重心放在整體的電池上。

2 新能源汽車動力電池管理內容

2.1 電池測試驗證

在電池生產中，應依據電池的特性、工藝特點以及國家有關規范，合理選擇和應用試驗驗證的方法，避免由于電池的安全標準單一而造成的問題；要使這些方法的價值效果得到充分發揮。在這一背景下，要從國外的先進經驗出發，結合我國的工作特點，對其進行科學的檢驗與驗證，從而提高工作質量。另外，常規的電池制造方法存在單一化的缺陷，缺乏科學的探測手段，在電池組開啟后，冷卻管路將會自動運行，以降低電池組的溫度。另外，為了準確地獲取電池的溫度、電壓等信息，還必須在機箱的前端設置一條CAN 總線。

2.2 充電安全管理

為了加強對蓄電池的安全管理，必須持續改進管理方式，加強對蓄電池使用的規范指導，并對用戶進行相關的安全培訓，把充電注意事項，充電操作要求等列為重點，并提醒用戶不要私自更換電池。同時，要加強對電池維護、故障排查等方面的指導，讓用戶認識到存在的安全問題，及時發現異常情況。當出現底盤刮傷、遭遇強烈撞擊、被雨水浸泡時，應及時通知用戶到鄰近的網點進行檢查和修理，并指導用戶正確地發現充電時存在的安全隱患，并加大控制力度,確保安全使用電池。強化充電樁、充電系統等基礎設施建設，確保符合國家有關標準。

2.3 電池報廢與更換

為了防止電池在使用中出現老化、損壞等問題，對電池的安全性能造成一定的影響，相關單位要加強對電池的報廢管理和更換，以消除安全隱患。有關的電池，如不適宜再用，應立即回收，當電池的使用性能下降30%或更多時，可采取梯次使用的形式，將其拆卸，再利用到街燈上，既可防止新能源汽車的電池安全問題，而且還可以有效降低資源的損耗。在提高節能效益的前提下，應遵循經濟性、環保性原則，對廢棄電池進行合理回收利用，并對重金屬進行特殊處理，以減少對環境的污染。

3 新能源汽車動力電池管理系統設計

3.1 方案設計

當前，在新能源汽車上，有三元電池、磷酸鐵鋰、鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等，在裝運過程中，大多數的動力電池都是用串聯的方式組成。要想有效延長汽車電池的使用壽命，就需要使電池組的容量進一步擴大，同時還要嚴格控制電池的電壓和溫度。超過標準值后，將直接影響電池的工作性能和使用壽命。因此，在研制和開發這類電力電池管理系統時，必須對其運行參數進行測試，并依據測試結果對其工作參數進行適當的調整。通過測量獲得的運行參數，可以估計整個電池的SOC 負載，從而精確地計算出剩余電量。同時，通過建立了一個參數信息數據庫，可以對電池的工作狀態進行有效的監控。尤其是在蓄電池的輸送方面，采用CANBUS 技術，能夠將蓄電池控制單元的信息進行實時的傳遞，使各單元之間能夠保持良好的動態連接。

3.2 硬件設計

（1）在檢測電路中，采用了通用的、易于編程的單片機作為檢測電路，利用“通訊、充電、放電”的方法組成了一套檢測電路。由于整個電池組的電壓都超過了上百伏特，所以可以利用電阻分壓方法來實現單元的電壓檢測。

（2）利用電流時間積分方法對系統的剩余電量進行估計。為保證這種方法的應用，必須對電流充放電進行實時監控和檢測。電流數據的采集過程包括：①選擇采集電阻；②對充電/放電電流進行變換；③獲取電壓數據；④向MCU 內部接口傳送數據。由于電池組在采集電流時會有一些危險，所以為了保證其安全性，必須對電池的溫度進行實時監控和檢測。它可以直接安裝在電池的表面，從而實現對電池的實時溫度監控。在連接上，主要采用數據線路，將單線傳感器和微處理器相連，保證了雙向通信的通暢。在此基礎上，根據溫度在-70 ～140℃的變化規律，選用Pt100 型溫敏元件。

（3）在電池的管理方式上，按照預先設定的設計方案，采用分布式方式，檢測各種工作參數，評估SOC，對過量排放進行有效的管理。詳細的結構設計如下：①主要由全車通信、蓄電池管理、主機串行接口組成；CAN 全部連接到控制臺總成。②將主面板組件的獨立函數和采集面板組件的獨立的功能結合起來，使得在主/從配置的管理方式下，利用采集面板的模塊來完成單元的工作，并完成電流采集、數據分析以及 SOC 估計。③將兩者結合起來，利用 CAN 網絡，實現了電池控制模塊、主控板模塊和上位機通訊模塊的完全互聯。在此基礎上，建立了以電池組件-傳感器-數據采集板-主控板-PC通訊-HMI 接口-主從分配管理方案。

在采集電路時，應注意防止外界環境的干擾，在此基礎上，根據實際需要，選用CHB-200SF 霍爾電流傳感器，以實現對系統電流的集中采集。在具體的設計中，采用了“電磁感應”的方法，通過電源線將電流傳感器的電流輸出。蓄電池在安裝后，需要配備相應的備用電源，一般采用這種電源時，其電壓主要是12V。本論文首先設定了5V 工作時的MCU 芯片，3.3V/5V 的隔離芯片，并在此基礎上提供了一種用于保證電源電壓穩定的轉換芯片。主要包括以下三大類：（1）為適應絕緣片轉換需求而設計的TPS73233 低壓穩壓器；（2）采用LM2596 型調制解調器，可以對 MCU 進行芯片轉換；（3）LM2574 型電壓調節器可以實現電壓信號的輸出（-12V）。

3.3 軟件設計

以電池組模塊化控制為例，著重于新能源電動車的動力特性，以及與電池管理系統的預置方式的一致性判定。在預測值與實際值不符的情況下，可以根據繼電器的動作進行合理的調整，在串并聯方式下進行電池的安全操作。在具體的設計中，使用了CodeWarriorv8.3，它既可以實現程序的編譯，又可以自動地識別代碼的錯誤，從而大大地提高了程序的工作效率。系統的軟件設計過程主要由以下幾個步驟組成：新項目-代碼編寫（初始化、主程序、中斷程序）；（每個子程序）-編譯（自動識別錯誤代碼）-下載至目標板-運行程序-調試（當不符合時返回代碼編寫）-軟件設計。因為各個模塊都是集成的，所以在編寫特定的程序時，可以利用軟件中的數字/模擬、PWM 輸出、Capture 計數等功能，從而大大簡化了軟件的設計，進一步提高了軟件的開發速度，節約了開發時間，保證了編程的質量。

4 結語

綜上所述，對新能源汽車的動力電池管理系統進行研究，進一步優化和改進電池管理系統，對于新能源汽車的安全駕駛以及此行業的健康發展具有十分重要的意義。為了解決新能源汽車以往存在的續航里程短、研發成本高等問題，設計人員需要依據行業發展需求，不斷完善新能源汽車動力電池管理系統。根據上述的初步分析，一方面，在研發新材料、新技術、新方法的同時，要對新材料、新技術、新方法進行科學、合理的應用，以達到更好的應用效果。另一方面，要按照目前在實際工作中建立的標準研發流程，從工作原理、關鍵技術、方案研發等方面進行，在硬件設計、軟件設計等方面進行了具體的實施，以提高開發效率和設計水平。總之，要加強對電池安全問題的重視，積極采取相應的技術措施將電池安全問題徹底消除，促進新能源電動汽車行業的健康發展。