新能源汽车用动力电池管理系统设计

李晓霖 王志强 李春鹏

摘 要：电对于新能源汽车而言，其在运行过程中十分重要的参数就是电池荷电状态（SOC， state-of-charge）。电池荷电状态的综合估算算法主要包括由静态自学习残余电量算法、动态安时计量法和扩展卡尔曼滤波算法三個部分的结合。通过实验得到，对比于普通的算法，综合估算算法有较高的精确度，其最大误差不超过2%。另外，利用电子开关式集中均衡充电网络的形式，使得电池组中电池单体之间保持一致性，有效防止个别单体电池出现过充电、过放电的问题，使得电池组的寿命持续时间更长。

关键词：新能源;动力;电池管理系统

动力电池组对于电动汽车起着非常大的能源作用。由于电动汽车需要较大的功率，需要很多电池串并联的方式形成电池组，面对数量十分庞大的电池组成的电池组，更要加强对其进行相关管理，保障电动汽车运行的安全性。与此同时，因为电动汽车本身具有较为复杂的运行情况，在一定程度上加大了对于电磁管理方面的难度。另一方面，可能会出现制造工艺方面的缺陷，无法确保每一个电池都是一致的，这就导致有些电池利用过程中出现过度充电或过度放电的现象，长此以往，这部分电池将使用寿命将会大大降低，不利于整个电池组的使用，甚至可能会有爆炸等潜在性安全隐患，对人的生命安全构成一定威胁。因此，需要加强对电池的合理性管，特别是要注重电池性能的一致性。

1 系统的硬件设计

1.1 概述

本文所描述的分布式电池管理系统，包含了许多个电池管理单元。对于其中的每一个电池管理单元，都能够对电池的单体电压、母线电流、母线电压、节点温度进行精确的检测。根据单体电压和母线电压的相关信息维持其均衡状态，而节点温度则是对电池组热方面进行管理，主电池管理不仅要具备上述功能，还要对从电池管理单元传来的数据进行接收，对电池的荷电状态估算，同时，相关信息需要通过Flash存储器储存起来，方便之后对这些数据进行检查。分布式系统主要由功能相同的多个设备组成，并使用LIN总线在多个设备之间交换数据。电池组总线电压、电池组总线电流、电池组电压和电池组节点温度感测是每个电池管理单元的功能。电流采样使用霍尔电流传感器，单节电压采样具有20个通道，MCU内置的AD模块以12位采样精度使用，节点温度由单总线数字温度计DS18B20收集。 MCU分析电路采样结果以建立合理的控制策略并发送控制信号，实现电路均衡和温度保护电路。

1.2 特点

整个系统设计特点包括以下几个方面，首先，电压采样模块和均衡模块采样线共同利用。其次，利用单总线数字式温度计DS18B20对节点温度进行收集。从而收集到更加精确的各点温度，然后利用CRC校验确保通信更加准确。最后，外接风扇，如果检测到其中一个节点温度过高，其实应该马上打开风扇进行降温处理，防止长时间高温状态对电池造成损害。如果风扇处理后，其温度仍然较高，就不能是电池保持在充放电状态，这样可以确保电池正常工作。第四，均衡电池组。利用非耗散式、集中均衡管理电路来具体实施。通过电子式开关切换均衡电路，避免电磁的干扰。整个过程主要利用DC/DC变换器对每个电池单元都从电池组中重新分配，并传递到低能耗电池组，以平衡整个电池组。根据结果，使用电子开关式中央均衡充电模块可以帮助维持更一致的电池并有效地延长使用寿命。第五，运用类单总线性结构采集电压，使用MCU发出控制命令，接收到信号后，每个电池单元都会据此调整电路，并在处理后将电压信号输入到内置在MCU中的12位AD模块。结果显示，采集误差小于1%，并且霍尔信号传感器可以采集电流信号，从而使采集结果更加准确。第六，电池管理单元的数据传递是利用LIN通信总线实现的。第七，CAN通信总线的两大功能：（1）系统调试过程，运用CAN转USB设备，把系统和PC机连接起来，从而可以对数据进行监控和电池数据的标定;（2）具体使用过程，将CAN总线连入整车CAN网，使得电动汽车上各个控制器之间能够相互通信。

2 系统的软件设计

模块化设计师系统软件的显著特点，主要包含：系统初始化模块、均衡控制模块、电池信息采集模块、SOC估算模块、通信模块和热管理模块。利用自顶向下的设计形式，具体实施过程首先要将顶层模块之间的执行顺序确定，然后再进行各个模块内部的相关程序设计。

在电池管理系统中，电池的SOC估算始终是一个重难点，需要引起重视并且不断在这方面进行深入探索，从而更好地实现电池管理系统的运用。主要是由于电池内部有着十分复杂的化学反应以及电动汽车运行工况等因素共同影响。本设计中使用的估计策略主要包括动态电流测量，静态自学习剩余功率算法和扩展卡尔曼滤波算法。静态自学习残余电量算法主要依赖于大量的实验数据，上一次电池使用时的相关信息以及对电池实时检测得到的有关信息共同结合，以此为依据对电池初始的SOC进行估计。在使用车辆之前，首先使用静态自学习剩余容量算法估算电池SOC的初始值。启动后，电池SOC的实时估计主要通过电流测量方法和扩展卡尔曼滤波方法的组合来估计。其中所需要的实验数据主要是指在各个温度下，电池处于充电状态和充电状态时开路电压和SOC的关系数据。这种算法的具体过程包括以下几点。首先，系统开机时要收集到上一次电池工作完成时电池所处的状态、电池的SOC以及上一次系统断电时间等各方面信息;其次，记录启动时间并计算两个小时的间隔。再次，通过测量获得每个电池单元两端的电压。最后，通过综合构建使用自适应算法获得的信息来获得初始电池SOC。在计算出初始SOC之后，将其用作输入，并使用动态电流表测量和扩展的卡尔曼滤波来交互式实现电池SOC的实时估算。

3 加强电池管理系统的建设

根据新能源汽车动力电池管理系统所运用的硬件装置，建设更加合理的软件管理基础构件，再结合计算机软件技术的高科技技术对其管理基本框架进行完善和优化，对管理指令采取更加科学规范的处理方式，有效地确保各个系统功能层在信息传递时的独立状态，避免了在多个信息同时反馈时所造成的相互间干扰，造成结果的较大误差，保证各功能层能够准确的将相关任务指令传达，使得传输过程更加高效且独立。另外，如果要将动力电池的管理系统软硬件更好地结合，需要构建两者之间更紧密的联系，在之后的发展过程中不断提高和加强。在电池管理系统各个硬件的使用以及软件指令传达和软件系统的监督下，能够使得各个硬件对自身完成相关检测与管理维护，从而能够及时的发现软件使用过程中可能会出现的故障问题，进而能够被软件管理系统监测到有关数据信息，并将这些信息通过传递存储的动力电池管理系统中，给使用者提供维修警示。电池供电的安全稳定对于新能源汽车正常运行至关重要，与使用者的生命安全息息相关，在社会的不断进步和科学技术的快速发展下，动力电池生产技术得到了进一步创新与提高，在动力电池温度所带来的相关不利影响方面，已经得到了很好的解决，对于新能源汽车动力电池更加稳定、高效、安全工作带来十分积极的影响。

4 结束语

总结得到，提高动力电池管理系统的优化与完善工作是当前需要着重解决的问题，是促进我国新能源汽车行业更稳定发展的关键部分之一，也是带给新能源汽车制造厂带来更多的经济效益与社会效益的前提。其中十分重要的方面就是电池组SOC估算和电池均衡技术，也是其中需要突破的重难点之一，还介绍了维持电池组中电池的一致性，防止电池单体出现过充电或过放电的问题，导致其使用率下降。此外，还能通过各种算法的结合，准确的得到电池组的剩余电量。

资助项目：天津职业技术师范大学校级科研项目（项目编号：KJ1813）。

参考文献：

[1]翁志福.新能源汽车动力电池管理系统研究[D].西南交通大学，2019.

[2]李海君.新能源汽车用锂动力电池热管理系统研究[D].江苏大学，2018.

[3]孔令国，郭建成，陈华，刘维维.新能源汽车用电池管理系统工程化设计[J].连云港职业技术学院学报，2013，26（04）：24-26.