智能汽车领域中嵌入式锂离子电池管理系统的设计

张昊 杨磊 张丽

（1.山西大同大学物理与电子科学学院 山西省大同市 037009 2.机器人与智能控制大同市重点实验室 山西省大同市 037009）

嵌入式锂离子电池在智能汽车领域中的应用，使其电池消费量及报废量逐渐成正比关系。如果不能正确使用锂离子电池，不仅会严重危害我们的身体健康，还会给生态环境带来巨大的威胁。因此，锂离子电池管理系统的设计需要合理的保护参数及均衡策略为支撑。只有这样，才能有效防止电池在使用过程中的滥用、滥丢弃现象，进而促进锂离子电池在智能汽车领域中的持续发展。

1 嵌入式锂离子电池的选型

在智能汽车领域中大多数采用的是嵌入式锂离子电池作为主要能量来源，锂离子电池的使用性能直接关系到智能汽车的行驶里程及安全性能。因此，对锂离子电池的选择必须要同时满足以下几个条件：即使用性能好、充电技术完善、经济与实惠。嵌入式锂离子电池与其他类型的普通电池相比，还具有能量密度高、电压输出高等的显著性优势，近些年来，在各行业领域中得到了迅速的推广与普及。如果从正极材料的使用上来划分：嵌入式锂离子电池可以分为磷酸铁锂电池、铬酸铁锂电池和三元锂电池这三种类型，而这三种不同类型的锂离子电池在能量密度、使用寿命及安全性能又是不尽相同的。其中，三元锂电池是目前智能汽车研究领域中最理想的选择，因为，它与其他两种类型的锂离子电池相比，具备了更高的能量密度和更好的使用性能。

2 锂离子电池的使用特性

锂离子电池的充电及放电次数是一个复杂的化学反应过程，外界环境温度、充放电电流、电池老化等的因素都会对电池的剩余电量估算具有极其重要的影响。因此，在电池管理系统设计过程中，应当充分考虑该系统的硬件设计以及SOC 估算精度，采用安时积分法对锂离子电池的剩余电量进行合理的估算，并使用完整的充放电法再结合电池的循环次数，对电池内剩余电量进行修正，以此来提升SOC 估算的准确度。

（1）锂离子电池的温度特性。虽然说锂离子电池的应用范围比较广泛，但是外部环境、温度等的因素对电池的剩余电量依然具有较大影响。相关研究表明：其中温度是影响电池SOC 估算准确程度的一个重要因素，它主要影响锂离子电池中电极材料活性成分以及电解液的电迁移速率。比如某型号容量为12AH 的锂离子电池，电池容量与温度关系如图1所示。如果将该型号的锂离子电池剩余电量的变化及温度之间的关系采用二次曲线进行拟合的话，可以得到如下修正函数：

C=-0.0067T2+0.0967T+8.5704

R2=0.9967

式中，C 表示电池容量：T 表示温度：R2表示拟合的相关系数

图1：某型号12AH 锂离子电池容量与温度的关系曲线图

（2）嵌入式锂离子的容量、内阻与其循环寿命之间还存在着一定的函数关系。在通常情况下，是根据电池的容量与内阻值来确定电池的健康状况的。但是，目前对电池内阻的在线测量依然存在着诸多方面的困难。所以，通常采用的是电池测试的方式来建立电池容量与电池健康状况数据的对应关系的。电池管理系统设计仅需要对电池的充放电循环次数进行累计计算，然后通过查询对应数据对电池的总容量进行修正即可。大量实践证明：在电池管理系统中使用合理的充放电结合法并结合电池充放电累计次数对电池容量进行修正，可以提高电池容量的估算精度，为电池的合理使用打下坚实的基础。

3 锂离子电池管理系统的设计要点

3.1 数据信息的采集

嵌入式锂离子电池对单体电池、电池组中各项信息的采集是其管理系统设计要点的基本依据。所采集的数据中包括电压、温度、绝缘电阻等方面的信息，为锂离子管理系统的设计提供了准确且及时的数据支撑。

3.2 SOS估算

SOS 估算可以准确的了解锂离子电池的剩余电量，是电池管理系统设计过程中的核心技术之一。通常情况下，对SOS 估算会采用安时积分法、神经网络法或者是卡尔曼滤波等的算法。其中，安时积分法主要是通过对电池电流进行实践积分来估算电量的剩余情况的，一方面由于没有考虑到电池在使用过程中的所产生的化学反应，另一方面其在使用的过程中还有可能会受到来自外界因素的干扰和影响，因此，对其的估算结果有着较大的误差，而这个误差只会增加不会降低。

神经网络分析法主要是通过模拟人脑系统来设计锂离子电池非线性特征，虽然自身的适应性较强，但是需要大量的数据信息为支撑才能降低误差的可能；卡尔曼滤波算法指的是通过建立状态方程的方式来对锂离子电池动态系统描述的一个过程，卡尔曼滤波算法可以对锂离子电池复杂的系统做出最合理的估算，比较适用于锂离子电池线性系统方面的研究。诚然，锂离子电池作为高密度的非线性系统，需要通过衍生扩张卡尔曼滤波算法对锂离子电池的剩余电量进行估算，这样才能有效地降低估算的误差。

3.3 安全保护

安全保护不论是对嵌入式锂离子电池管理系统的设计，还是智能汽车的长足发展都发挥着不容忽视的重要作用。比如当智能汽车发生过压、高压或者是欠压等故障时，安全保护就可以结合智能汽车故障发生的严重程度，及时作出限制功率输出、下电这样的措施，给予锂离子电池和智能汽车安全保护。再比如，某一智能汽车在高温环境中给电池进行充电的过程中，电池管理系统就会自动分析电芯、液冷进出口等方面的信息，还会自动开启液冷系统帮助其进行散热，减少和降低由于温度过高而造成的智能汽车安全隐患与事故的发生。

3.4 能量管理

合理的电池管理系统可以对智能汽车的充电及放电等的操作进行管理，充电时，电池管理系统可以根据电池的电芯温度来计算充电功率等的参数，确定允许的充电电流，并合理按照适配器的电压、电流及充电方法向智能汽车进行充电，并能立即估算出充电所需要的时间；放电时，结合已经采集到的数据、放电功率等的参数信息，调整放电功率，完成放电。与此同时，为了有效减少单体电压的压差，保持电芯放电的一致性，还需要充分利用已储备的能量，采取主动均衡管理措施或者是被动均衡管理措施对智能汽车的能量进行管理。其中，主动均衡管理措施主要是将电压高的单体能量转移至电压低的单体电池中；被动均衡管理措施指的是在高电压单体处，通过并联电阻的方式来消耗部分能量，以达到均衡的要求。虽然说，被动均衡管理措施电路简单，但耗能较高、发热量大。而主动均衡管理措施电路复杂、耗能低、发热量低，因此，二者各有优劣之处。

3.5 故障系统

根据电池电芯提供的参数来设计和制定智能汽车的故障阈值表，通过对故障阈值表的分析可准确得出：电池的使用时间、检测时间以及对应的保护措施，故障阈值表不仅可以对电池管理系统起到重要的保护作用，还可结合电池故障的严重程度划分出等级，再通过结合UDS故障诊断功能与锂离子电池的诊断服务系统相连接，方便维修人员对电池故障的排查与诊断。

4 嵌入式锂离子电池管理系统的设计

4.1 硬件设计

锂离子电池组、主控模块、信息采集模块、通信模块是嵌入式锂离子电池管理系统必不可少的硬件组成部分。比如信息采集模块主要是对电池的电压、电流、温度等信息进行采集。信息采集模块又由霍尔电流传感器与分流器组成。其中霍尔电流传感器主要是通过霍尔闭环原理，将被检测电池的电压与电流进行检测，在成本、经济以及安全方面都具有较大优势。因此，霍尔电流传感器已经成为了当前形势下对锂离子电池电压进行测量的一种主要器件。再如，对通信模块硬件的设计，必须是借助在信息采集周期内大量电池电压及电流传输的基础上才能实现，将通信采集板与SOI 总线相连接，其中主控器与信息采集模块之间也可通过对SPI 总线的时钟、电流电压地输出及输入线相互连接，并共用这三条总线路。主控模块通过片选信号与SPI 接口连接，实现独立的数据通信技术。相反地，未实现信息采集的数据还会被保存至信号采集芯片内。在电池管理系统硬件设计过程中，HIA 需要借助CAN 的通信方式，才能实现与外部设备的互相连接，进而将电池信息系统内的信息，完整地提供给智能汽车的控制器，来帮助用户进行分析与决策。

4.2 软件设计

嵌入式电池管理系统的软件设计可通过模块化程序来完成设计，锂离子电池的最底层部分主要由外围设备与工作电路组成的硬件环境。软件驱动则主要由CAD 驱动文件、内存读写驱动组成。软件系统主要负责对锂离子电池多任务及程序调度方面的工作，其应用程序也主要由信息采集模块、状态估算表、显示器以及均衡控制器等模块构成。软件操作系统环境安全可靠，还可对扩展锂离子电池的使用功能，基本上满足了锂离子电池管理系统软件设计的基本需求。软件系统在不断运行过程中，从电池的通电-系统启动-系统优化都需要通过硬件接口完成，待系统初始化完成之后，读取系统在停机之前的各类参数信息，再结合锂离子电池正常状态下的系统信息，来估算电池的健康状态。

4.3 软、硬件系统的实现与验证

在对嵌入式锂离子电池管理系统完成软、硬件设计之后，还需要检验系统的有效性，通过搭建试验平台对锂离子电池的使用性能完成检测。检测内容主要包括电池管理系统的主控板、测控版、电池组、触摸屏等部件，以此来确保各项指标都能满足智能电池管理系统设计的基本要求。以电池管理系统硬件中的数据信息采集模块的功能为例，对该模块的电压精度进行检测主要通过以下方式完成：先分别对电池单体电压、总电压进行检测，再利用爱德克斯充放电测试系统对单体电池和总电池的电压值进行检测，最后与电池管理系统的测量值进行对比，来验证数据信息的准确程度，保证信息采集可以满足电池系统管理涉及的基本要求。

5 结语

综上所述，嵌入式锂离子电池已经成为了智能汽车电池的首要选择。因此，做好电池管理系统的设计具有极其重要的现实意义。同时，随着5G 时代、大数据以及人工智能模式的到来，锂离子电池管理系统还结合智能汽车的运行参数、用户习惯以及路况等的信息进一步优化电池的使用性能，实时调整电池的参数信息。在今后，更加安全、可靠以及完善的技术将会得到大力的推广与应用，智能汽车的安全性、可靠性以及智能水平也会向着更好的方向不断发展。