基于新能源电池安全的控制系统研究

梁雪松

（吉林北斗航天汽车研究院有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

新能源汽车逐步的发展，新能源电池的创新也越来越多，受益于政策扶持和环保转型的大方向，新能源电池的研发和产业化进展一直较为迅速，产量和销量同样持续快速增长。多数电动汽车应用的是磷酸铁锂电池，这种电池技术成熟、安全，但缺点是能量密度底，导致电动汽车的续航里程短，难以满足消费者的要求；对于钴酸锂电池而言，虽然能量密度大，但安全性较低，且成本高，所以新能源电池的安全性是导致新能源汽车事故的多发原因。为了解决新能源电池的短路等安全性的问题，本文基于对智能网联新能源电池的控制系统做了研究，主要由电池系统，终端系统，云端系统相互组合，实现安全控制系统，使新能源电池的安全性，可靠性得到提高。

1 电池系统的控制管理

电池管理系统为一套保护新能源电池使用安全的控制系统，时刻监控电池的使用状态，通过必要措施缓解电池组的不一致性，为新能源电池的使用安全提供保障。电池管理系统主要有电池充放电控制功能，总电压及总电流监控功能，单体电压监控功能，单体电池均衡功能，电池SOC评估功能，电池组温度管控功能，电池组安全控制功能，故障诊断和处理等功能。

电池内短路是最复杂、最难确定的热失控诱因，是目前电池安全领域的国际难题，可导致灾难性后果。在本文的研究中利用对称环形电路拓扑结构及相关算法，可以在极短时间内对多节电池单体进行批量内短路检测，能够识别出0–100 kΩ量级的内短路并准确估算内短阻值，电池管理系统通过短时间的验证结果，周期性循环检测，以报文形式发送给终端，远程管理人员实时获取短路信息，如果发现有短路现象，通知电池使用者直接停止使用此电池或远程管理人员远程关闭电池，提高电池的安全性。

2 终端系统控制管理

打造多功能，低功耗，满足国标要求的远程监控终端设备，基于PKI技术、密码学技术及国家相关标准规范要求，构建功能完善、技术先进、安全可靠的数据安全防护系统和运行管理机制，保证端到端的服务安全，为新能源电池数据监控提供了高性价比终端系统控制管理解决方案。

终端分集成式终端和单体式终端，集成式终端是集成设计在车辆其他装置或系统内的装置，本文设计的终端就是集成式终端，和电池管理系统集成的设备；单独设计为独立的装置或系统的终端为单体式终端，大多作为车载终端使用。

终端系统是电池管理系统的前端设备，主要实现电池信息的采集，存储，传输及控制；终端系统通过CAN BUS总线和电池管理系统通信，也可把终端系统硬件集成到电池管理系统中，更加便于接收数据，终端系统集成了GPS，网络通信等无线通信模块，主要实现信息的智能录入，数据采集，车辆定位，远程控制，安防服务等功能。

终端系统对电池管理系统发送的数据进行解析及保存电池及系统部件的关键数据；终端对电池的数据进行实时采集，频次不低于次/500 ms，终端对数据进行整理分发，处理时间应小于500 ms，最后将采集整理的数据发送到云端。

存储在终端内的数据及与云端传输的数据是可加密的，加密数据具有完整性，准确性和不可否认性；提供时间和日期，时间精确到秒，日期精确到日，与标准时间相比时间误差24h内±5s，车载终端应按照最大不超过30s时间间隔将采集到的实时数据保存在内部存储介质中，当电池出现报警时，终端应按照最大不超过1s时间间隔将采集到的实时数据保存在内部存储介质中。终端内部存储介质容量应满足至少7d的实时数据存储，终端内部存储介质存储满时，应具备内部存储数据的自动循环覆盖功能，终端内部存储的数据具有可读性，终端断电停止工作时，应完整保存断电前保存在内部介质的数据不丢失。协议设计可参照电动汽车远程服务与管理系统技术规范国标协议。

3 云端控制管理

云端控制主要核心功能是将终端发送上来的原始数据通过各种数据分析的手段转换成对用户有意义的信息； 针对各种数据类型，提供相应基础数据分析功能和安全控制功能，系统主要由数据存储，数据解析，远程控制等功能组成，远程掌握电池动态信息，包括电池运行状态信息、故障信息等，实时、无缝的与部署在云架构上的管理后台互联，利用大数据挖掘和分析等技术，为客户带来独创的远程故障诊断、远程控制等集成的高科技体验，为用户提供智能、安全、节能、高效的综合服务。

在云端接收到电池有短路数据，根据协议远程服务向终端发送控制命令，终端对接收到的命令进行校验，当校验无误时，终端向远程服务返回应答并执行控制命令，立即切断短路电路及发出报警，通知电池使用人员，以免造成危险。

本文在云端采用的控制策略是基于XACML的，XACML是可扩展访问控制标记语言，用于决定请求/响应的通过访问控制策略语言和执行授权策略的框架，对云端分布式系统的资源访问控制由单一管理方式变成了分布式管理方式，分布式的接口调用采用是Spring Cloud Feign，Spring Cloud Feign是 基 于Netflix feign实现，整合了Spring Cloud Ribbon和Spring Cloud Hystrix，除了提供这两者的强大功能外，还提供了一种声明式的Web服务客户端定义的方式，支持负载均衡。云端和终端发送的数据为加密方式，每次控制命令下发采用加密方式，提供软硬结合型密码模块，支持主流密码算法，基于密码模块为关键数据提供机密性和完整性防护；提供隐私保护、用户数据访问特权保护，防止隐私泄露和命令篡改。

对基于电池短路数据的运行方式如下：

（1）上报流程；电池管理系统收集单电池状态信息，时刻对电池之间的状态进行检测和上报，电池管理系统得到短路信息后上报给终端，同时提示屏中提示，以便在场的工作人员查看，检修；终端获取到短路信息数据传输给云端，云端经过验证数据异常或电池出现短路现象，通过短信、微信等情况通知相关人员，此时电池系统，终端，云端的上报工作结束。

（2）控制流程：控制流程分手动控制和自动控制，手动控制主要是一些非紧急情况下的流程控制，例如参数设置，系统升级等。自动控制指紧急状态下的流程控制，例如电池出现重大事故，自燃等电池紧急状态；不论是那种控制流程，首先云端通过控制策略进行下发预定的控制策略，当云端判断电池出现短路，立即下发高级别控制策略，一是发送信息给相关管理人员；二是远端直接控制电池状态，云端通过和终端的身份验证，发送控制命令给电池管理系统，电池管理系统，确认命令后，切断短路电路，发送报警，改变电池使用状态，至此控制流程结束。

4 结束语

本文主要从电池系统，终端系统，云端系统的组合上对新能源电池安全的控制系统做了深入研究，通过理论研究结合实践生产的形式将生产出更加安全的新能源电池，上述运行方式中的所有情况都需在控制流程中测试无误，在运行到出产的电池产品中。随着汽车保有量的持续增长，道路承载容量在许多城市已达到饱和，交通安全、出行效率、环境保护等问题日益突出。新能源电池作为新一代的能源，安全环保是至关重要的，所以做好新能源电池的安全保障是必不可少的。

云端作为能源信息化与工业化深度融合的重要领域，对促进汽车、能源、信息通信产业的融合和升级，及相关产业生态和价值链体系的重塑具有重要意义。当前，正处于物联网发展关键时期，能源行业的安全及行业法律法规的完善是物联网行业健康发展的保障。核心的技术和应用应是物联网需要重点发展的技术和应用，而这些技术和应用细分下去是非常庞大的技术体系，因此需要许多电池厂商一起合作来共同打造这个网络生态系统。本文以浅显的网络知识和新能源电池做了有机的结合，也符合当下及未来行业发展路线，5G时代的到来，基于云端的新能源电池安全问题将得到更好的解决。