新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)探究
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摘要：隨著生態(tài)文明思想的確立，我國進一步增強了對新能源的開發(fā)與管理，由此推動了新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展。由于新能源汽車動力電池研發(fā)設(shè)計方面的成本投入較大，動力電池本身的續(xù)航里程較短，阻礙了新能源汽車向高質(zhì)量方向的轉(zhuǎn)型升級，因而在新時期動力電池生產(chǎn)制造企業(yè)紛紛增強了動力電池管理系統(tǒng)開發(fā)工作。本文以此為背景，概述了新能源動力電池的工作原理，剖析了與其設(shè)計及使用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。并以此為基礎(chǔ)，分別從方案設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計三個方面對其管理系統(tǒng)設(shè)計進行了具體討論。
關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；管理系統(tǒng)
從2012年我國國務(wù)院辦公廳頒布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012~2020年）》至去年發(fā)布的符合《新能源汽車廢舊動力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范條件》企業(yè)名單位（第二批）看，我國動力電池的回收利用管理政策相對健全。為新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計提供了較好的政策支持。根據(jù)新能源汽車動力電池發(fā)展情況看，我國去年上半年新能源汽車銷售總量累計達到了120.7萬輛。同比增長201.4%，滲透率已經(jīng)超過了12.8%。新能源汽車動力電池裝車輛因累計52.5GW·h，其中，磷酸鐵鋰電池與三元電池的裝車輛分別為22.3GW·h、30.2GW·h，同比增長42.3%、139.1%。因此，在高質(zhì)量發(fā)展階段，十分有必要結(jié)合其發(fā)展趨勢，增強新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)研發(fā)。下面先對其工作原理做出說明。
1新能源汽車動力電池工作原理概述
從構(gòu)成要素看，新能源汽車動力電池中以金屬燃料為主，當使用金屬鋁時充電與放電之間的循環(huán)較難完成?，F(xiàn)階段應(yīng)用了石墨烯材料，它不僅具有與鋰離子相似的功能，而且能夠透過該材料的層狀結(jié)構(gòu)達到對陰離子與陽離子的較好容納。從工作原理上看，主要是在動力電池的正極選擇泡沫石墨烯材料，在其負極正常應(yīng)用四氯化鋁金屬材料。當電解液為負極陰離子時，能夠于常溫條件下，保障充放電的可逆性，從而實現(xiàn)充電與放電之間的高效循環(huán)，最終保障整個動力電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
2新能源汽車動力電池關(guān)鍵技術(shù)分析
在新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計及使用過程中，牽涉到多項技術(shù)。由于常規(guī)的系統(tǒng)設(shè)計及使用時主要按照模塊化處理方案，分設(shè)各個管理模塊，因此，在檢測模塊、估算模塊、均衡模塊相對重要的情況下，其中比較關(guān)鍵的技術(shù)也集中到了工作參數(shù)檢測、SOC算法、均衡控制等方面。分述如下：
2.1工作參數(shù)檢測
在動力電池管理系統(tǒng)運行時，需要設(shè)置多項參數(shù)保障系統(tǒng)正常工作。其中，主要包括：（1）電池電壓；（2）工作電流；（3）溫度等。通常在對此類工作參數(shù)進行具體檢測時，往往集中在數(shù)據(jù)采集與分析方面，旨在借助數(shù)據(jù)管理達到對其所處狀態(tài)的預(yù)判目的。例如，在對上述工作參數(shù)進行測量時，需要先完成對單體電池電壓測量數(shù)據(jù)的采集，再通過對該數(shù)據(jù)的分析，預(yù)判動力電池所處的工作狀態(tài)。再如，在荷電狀態(tài)估算方面，只有對單體電池使用時的電壓數(shù)據(jù)進行精準采集與有效分析，才能為其估算提供必要條件。
2.2SOC算法
對動力電池SOC初始值進行計算時，一般會借助靜態(tài)學習方式選擇殘余電量計算方法（靜態(tài)自學習剩余功率算法），動態(tài)電流測量方法，以及在SOC算法方面選擇擴展卡爾曼濾波法。實踐經(jīng)驗表明，應(yīng)用靜態(tài)自學習剩余功率算法計算SOC初始值時，需要積累大量的實驗數(shù)據(jù)才能得到相對精準的電池使用信息。同時，要求計算人員對電池電壓值與電池兩端溫度信息進行有效控制與關(guān)聯(lián)使用。由于運算時使用的公式屬于非線性方程，因而在使用擴展卡爾曼濾波算法的實踐過程中，計算人員還需要對其進行線性化處理并結(jié)合估算值與誤差協(xié)方差矩陣完成對誤差范圍的估算，從而達到對SOC估算值的校準。2.3均衡控制在新能源動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計時，均衡控制一直是難點中的難點，當均衡控制策略失當時，不僅不能達到預(yù)期的系統(tǒng)管理目標，也會使管理系統(tǒng)性發(fā)揮偏差，出現(xiàn)管理漏洞。從整體電池組性能的使用情況看，與“木桶短板原理”十分相似，整體性能的優(yōu)良與否，由最差的單體電池性能部分決定。因而，當單體電池性能使用時的狀態(tài)出現(xiàn)不一致的情況時，會引發(fā)過度充放現(xiàn)象，從而降低整體電池組的使用性能，減少其使用壽命。從此類系統(tǒng)設(shè)計中的均衡控制經(jīng)驗看，需要將控制重點放在整體電池組上。
3新能源汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計
3.1方案設(shè)計
目前，我國新能源汽車動力電池種類相對較多，主要包括：（1）三元電池；（2）磷酸鐵鋰電池；（3）鋰離子電池；（4）鉛酸電池；（5）鎳氫電池等，裝車中的動力電池多由單體電池串聯(lián)組合而成。隨著電池使用時間的延長，單體電池與單體電池之間會形成一定的容量，并且，在電壓與溫度等方面發(fā)生較大差異，當其高于標準范圍之后會對電池使用性能與壽命產(chǎn)生直接影響。所以，在此類動力電池管理系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計過程中，需要對單體電池的工作參數(shù)進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果合理控制工作參數(shù)等。本次研究中主要根據(jù)這種實際需求，構(gòu)建了以單體電池、單片機核心電路、充放電控制、CAN-BUS為主要組成部分的系統(tǒng)架構(gòu)，具體如下圖1所示：其中，工作參數(shù)檢測主要集中在對單體電池1、單體電池2、……、單體電池n的溫度檢測與電壓檢測，以及充放電時的電流變化檢測方面。并以檢測獲取的工作參數(shù)為依據(jù)，對整體電池組中的SOC荷電進行估算，從而對剩余電量做出精準計算。同時，通過動力電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)信息庫，可以對工作狀態(tài)實施有效控制。尤其在傳輸電池狀態(tài)方面通過對CAN-BUS的運用，能夠?qū)恿﹄姵貑纹瑱C控制單元中的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)剑囕v總控單元、電機控制單元，保障各單元之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)。
3.2硬件設(shè)計
在硬件設(shè)計方面，考慮到動力電池管理系統(tǒng)物理層面的實際需求，設(shè)置了檢測電路、采集電路、轉(zhuǎn)換電路。其中檢測電路又與電量估算、管理方式進行同步設(shè)置。分述如下：3.2.1檢測電路。首先，在檢測電路方面，控制芯片選擇了常用且容易進行編程操作的單片機，從而借助“通信電路+充放電電路”構(gòu)成檢測電路控制系統(tǒng)?？紤]到整體電池組電壓在上百伏特以上的因素，能夠借助電阻分壓辦法，在該檢測電路控制系統(tǒng)下完成對單體電池電壓的檢測。其次，在該系統(tǒng)估算剩余電荷量方面，選擇了電流時間積分法。為了保障該方法獲得有效運用，需要滿足電流充放電數(shù)值的實時監(jiān)測與檢驗?zāi)繕恕ｋ娏鲾?shù)據(jù)采集工作流程如下：（1）確定采集電阻；（2）轉(zhuǎn)換充放電電流；（3）獲得電壓數(shù)據(jù)；（4）數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)接口。由于電流采集時電池組存在一定的風險，因而在保障其安全方面，應(yīng)對單體電池實時溫度進行監(jiān)測與檢驗，本次研究中配置了電池溫度傳感器，將其直接安裝在單體電池表面，以此達到對實時溫度的有效監(jiān)測。具體連接方面，主要通過數(shù)據(jù)線，將傳感器單線接口與微處理器連接起來，并保障雙向通訊功能的暢通?？紤]到從零下70℃~140℃之間電阻值隨溫度升高而增加的基本情況后，選擇了Pt100溫度傳感器。反復實驗后的溫度與電阻值對照表如下表1所示。第三，在整體電池組的管理形式選擇方面，根據(jù)預(yù)設(shè)的設(shè)計方案選擇了分布式形式，根據(jù)主從分布的結(jié)構(gòu)形式對各類工作參數(shù)進行檢測、SOC值估算、過度充放電現(xiàn)象控制等。具體設(shè)置方面：（1）主要是將整車通信系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、上位機串口、CAN接口等全部連接到控制板模塊。（2）將主控板模塊獨立功能、采集板模塊獨立功能關(guān)聯(lián)起來，這樣能夠在主從分布管理方案下，通過采集板模塊完成單體電池工作參數(shù)檢測，同時利用主控制板模塊完成電流采集、數(shù)據(jù)分析、SOC估算。（3）在二者聯(lián)合功能下，借助對CAN網(wǎng)絡(luò)的運用，使動力電池控制模塊、主控板模塊、上位機通信模塊實現(xiàn)全面連接。并形成以“電池組—傳感器—采集板模塊—主控板模塊—上位機通信模塊—人機交互界面模塊”為基本環(huán)節(jié)的主從分布管理方案。3.2.2采集電路。在采集電路方面重點要預(yù)防外部環(huán)境產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象，本次研究中考慮到隔離方案下采集電路的復雜性問題，結(jié)合實際情況選擇了CHB-200SF霍爾電流傳感器，用于對系統(tǒng)電流的集中采集。具體設(shè)計中，主要結(jié)合“電磁感應(yīng)”原理，在電流傳感器內(nèi)部穿過電源線，從而得到電流值。3.2.3轉(zhuǎn)換電路。動力電池組設(shè)置后要求配置配套的輔助電源，通常使用此類電源時的電壓以12V為主。為了保障該電壓能夠順利轉(zhuǎn)換到不同的供電模塊，本次研究中首先設(shè)置了工作時供電電壓為5V的MCU芯片、3.3V/5V的隔離芯片，以及保障電壓獲得時的轉(zhuǎn)換芯片。其中，轉(zhuǎn)換芯片共分為三類：（1）TPS73233低壓穩(wěn)定芯片滿足隔離芯片轉(zhuǎn)換需求；（2）LM2596穩(wěn)壓芯片滿足MCU芯片轉(zhuǎn)換需求；（3）LM2574穩(wěn)壓芯片滿足電流采集電路供電電壓需求（±12V）。
3.3軟件設(shè)計
在控制策略方面，本次研究中設(shè)計的系統(tǒng)，以主從分布控制為主，除主控制模塊外，其余的分控制模塊包括：（1）采集模塊；（2）電池組模塊；（3）故障記錄模塊；（4）充放電控制模塊；（5）SOC算法模塊；（6）人機交互模塊等。在該方案下主要是通過主控制模塊控制（1）~（6）中的模塊。以電池組模塊控制為例，控制時的重點放在新能源電動汽車動態(tài)狀態(tài)，與電池管理系統(tǒng)預(yù)設(shè)模式的一致性判斷方面，其中的核心集中在汽車運動速度上。當預(yù)判結(jié)果顯示為不一致時，則可以通過管理繼電器發(fā)出的動作，合理的將電池組控制在串并聯(lián)模式下使其處于安全運行狀態(tài)。具體設(shè)計時采用CodeWarriorv8.3軟件，不僅滿足語言編譯，也能夠?qū)Υa錯誤進行自動識別，提高編程效率。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程主要包括如下步驟：新建工程—代碼編寫（系統(tǒng)程序初始化、主程序、中斷程序、各子程序）—編譯（自動識別錯誤代碼后返回）—下載到目標板—程序運行—調(diào)試（不滿足要求時返回代碼編寫）—軟件設(shè)計完成。由于每個具體模塊采用了一體化封裝，因而在具體的程序編寫時，可以借助該軟件中的數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能、PWM輸出功能、Capture計數(shù)功能等，使軟件系統(tǒng)獲得簡化，進而提高軟件系統(tǒng)設(shè)計效率，并在節(jié)省編程時間的情況下，保障編程質(zhì)量。CodeWarriorv8.3軟件開發(fā)環(huán)境如下圖2所示。
4結(jié)語
總之，新能源汽車中的動力電池管理系統(tǒng)，在車輛能源供給、安全使用、高效運行等方面，均發(fā)揮著重大作用，為了化解續(xù)航里程短、研發(fā)成本高的實際問題，在新時期應(yīng)充分結(jié)合高質(zhì)量發(fā)展需求，增強對該系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計能力。通過以上初步分析可以看出，在實踐過程中，一方面應(yīng)結(jié)合新材料、新技術(shù)、新方法，科學合理的構(gòu)建與有利于解決上述問題，提高新能源汽車動力電池使用效用的設(shè)計方案。另一方面則需要根據(jù)現(xiàn)階段實踐中已經(jīng)確立的標準研究程序，從工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、方案研發(fā)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計等環(huán)節(jié)，開展具體實踐，從而提高此類管理系統(tǒng)的研發(fā)效率與設(shè)計水平。
作者:吳丹 單位:咸陽職業(yè)技術(shù)學院
