基于新能源汽车动力电池管理系统的优化设计

张海燕

(湛江科技学院，广东 湛江 524255)

0 前言

新能源汽车所需动力由多种动力电池组成的动力电池组提供，加强对动力电池组的管理是保障新能源汽车安全运行的基础。因此，动力电池管理系统的设计优化尤为关键。

1 电池管理系统设计的现状及意义

随着现代社会对能源的大量消耗，传统能源越来越不能满足社会日益增长的能源消耗需求。此外，随着环境法规的日益严格，世界各国也积极寻求新的能源来替代传统能源。

我国一直致力于新能源技术的开发和运用，新能源逐渐成为社会发展的主要能源，而作为能量来源的动力电池是新能源汽车的核心部件，受到人们的广泛关注。

现阶段，由电池管理系统控制的动力电池充放电效率可达98%以上，有着很好的供电效果。但是，电池管理系统存在不均衡性，在保证动力电池安全的基础上，应防止电池出现过充电、过放电和过电流等问题。出现上述现象的原因主要有两方面：一方面是动力电池运行具有较高的复杂性，在一定程度上对于电池管理系统的要求较高；另一方面是电池本身的制造工艺存在差异，很难保证每块电池性能都完全相同。因此，需要对动力电池管理系统进行优化，以保障动力电池的使用性能。

2 存在的问题

2.1 过充电与过放电

新能源汽车动力电池的主要功能是通过化学反应将化学能转变为电能。电池过度充电会导致电池在化学反应过程中的还原能力减弱，电池使用寿命缩短。动力电池长时间过度充电会使电极表面半透膜发生破裂，电极材料与电极液接触发生反应，增加了电解液的反应副产物。此外，电池长时间充电会使电池的温度升高，在“热失控”状态下引发电池过热或爆炸。

动力电池放电过程是为新能源汽车提供动力的过程。动力电池放电时，会有安全使用的电压阈值范围。当电池放电达到设定的电压阈值后，若电池继续放电，会出现过放电现象。

电池过度放电会使其内部产生大量热量，导致电池内部压力升高，破坏电极活性物质的可逆性，从而加速电池性能的衰退，致使电池组整体性能降低。

2.2 电池系统均衡一致性不佳

电池系统均衡一致性是指动力电池组内所有电池单体的综合性趋于一致。在电池循环应用过程中，电池单体之间的性能差异会越来越明显，会影响动力电池组的整体性能。除了电池单体材料和制造工艺造成的单体性能差异外，电池的使用环境、使用压力和电池管理质量都会影响动力电池组与电池系统之间的一致性。这种不均衡性会产生连锁效应，从单一电池的失效不断扩散到整个电池系统的整体失效，从而严重影响新能源汽车的使用[1]。

2.3 电池管理系统温度敏感性差

环境对电池的影响较大，电池系统对温度的适用性较差，极易影响电池的性能和使用寿命。在低温状态下，电池进行充电会因电极材料自身特点而导致电池内部极化增大，无法正常充电。而电池在低温时放电，又会加速电池性能的衰速。而在高温状态下，电池内部则会产生大量不可逆的副反应，导致电池容量快速降低，直至电池失去工作能力。

3 动力电池管理系统优化设计

3.1 系统功能需求

对电池管理系统进行优化设计前，需分析电池管理系统的通用性需求。电池管理系统为集成嵌入式控制单元，具备多路模拟和信息输入输出端口，全面覆盖电池电压、电流、温度等数据信息的收集。电池管理系统根据这些信息分析电池的状态，有效管控电池，使电池始终在最佳状态下运行，其主要功能包括以下几个方面。

(1)电气唤醒功能。设定电池的高低电平，当电气接口输入低电平时，不会唤醒电池管理系统，而当监控或整车输入高电平时，则会唤醒电池管理系统。

(2)系统自检功能。该功能是电池管理系统的基本管控功能。当接入电源后，电池管理系统会执行自我检车指令，分析系统各个模块的运行状态是否正常，并在车辆显示屏上显示正常或故障信息。

(3)预充电功能。电池管理系统具备预充电控制功能。一般情况下，车辆在预充电开启1.2 s内需要将母线电压预充95%以上，系统同时对母线电压和电流进行监测。

(4)状态转换功能。电池管理单元(BMU)有电源上电、启动成功、驾驶模式、紧急断电(EPO)等数种状态，系统根据需求进行状态切换。

(5)温度管理功能。电池管理系统在收集电池温度状况后，可以对电池散热器、散热风扇进行管控。

(6)高压互锁功能。动力电池由电流环组成，各个单体电池之间存在高压部件和连接开关，电池管理系统监测所有高压部件是否连接完好，并判断输入输出电压的差异，确定高压回路连接是否正常。

(7)通信功能。各个模块之间、系统与系统之间都可以通过控制器局域网络(CAN)通信来实现信息交互。

3.2 系统硬件设计

3.2.1 电气架构设计

电池管理系统的硬件功能与电气架构密切相关。当前电池管理系统主要有集中式和主从分布式2种架构。本文主要分析主从分布式架构设计方案。从控装置和电池可以就近布置，主控系统和从控系统采用汽车专用CAN进行通信连接，确保系统信号传输的稳定性。主控模块与整车控制器、车载充电机、电机控制器进行交互，满足当前动力系统的电压采集要求：主控模块需要具备3路CAN 通信才能满足整车通信要求，第1路CAN通信线路为主控系统与从控内部系统的通信；第2路CAN通信线路为整车控制器与电机的通信；第3路CAN通信线路为整车与车载充电器的通信。

3.2.2 BMU 模块

BMU 模块是电池管理系统中最为重要的系统，由微控制单元(MCU)系统、CAN 通信电路、总电压采集电路、总电流采集电路等多种电路控制部件组成。BMU 模块设计主要包含以下几个方面：①CAN 通信电路设计。通过高速CAN 收发器进行网络通信。收发器设计有隔离功能，可以隔断多个通信节点之间的铜线，避免出现节点电压过高的问题，有效保障通信质量与可靠性。②绝缘电阻检测电路设计。现阶段绝缘电阻检测方式主要有2种，一种是直流电压检测法；另一种是通过输入低频信号，分析注入信号的电压幅值来判断绝缘状态，该方式可以实时应用并同时监测信号，且不会改变被测电池的绝缘值。③高压互锁电路设计。采用恒流源输出电路，在输入端接入100Ω的电阻，通过MCU 收集相应电阻上的分压，从而实现高压回路的安全检测。④总电压和总电流采集电路设计。电压采用差分采样获取信号，而电流则采用双通道霍尔电流传感器进行检测，在电压进入传感器后会放大信号，直接由MCU 进行模拟信号的数据采集，可分为小电流检测和大电流检测。⑤高压控制部件和温度管理控制的电路设计。该设计主要是对散热器开关、散热风扇开关、高压控制等部件进行驱动控制，一般采用控制驱动芯片，可实现高精度管控[2]。

3.2.3 内存管理单元(MMU)模块

内存管理单元(MMU)模块的主要作用是辅助BMU 模块，获取更具有针对性的信息，为BMU 模块提供更加详细的数据参数。MMU 模块设计内容主要有：①辅助电源电路设计。由降压开关稳压器和外围电路组成，通过电压转换为最小系统供电。②CAN 通信接口电路设计。采用与主控模块一样的CAN 收发器进行CAN 通信电路设计，使主控系统和从控系统保持协同。③单体电压温度采集电路设计。使用电池检测集成进行采集，将模拟信号转换为数字信号，并以高精度电压为基准。每个采集模块的最大输入电压不得超过60 V，可以同时采集多个电池的电压值。通过堆叠或联合的方式监控多个电池组，每个模块具有独立的寻址功能，每块电池拥有独立的开关器件用于控制电池系统使其均衡一致。

3.3 系统软件设计

3.3.1 系统自检和状态转换程序

在BMU 模块上电工作后，系统将进入初始化状态，BMU 模块发出指令，为MMU 模块供电，并同时打开主控与从控系统之间的CAN 通信，系统进行自检，自检完毕且没有出现异常状态后，系统会根据相应的指令转换到不同的工作模式，系统也会随之转换状态。例如，在接收到充放电指令后，系统会对预充电模拟信息进行采集和处理，在确认信息无误后执行充放电指令。若检测到故障，系统便会进入故障模式，电池进入保护状态。

当系统所有指令关闭时，BMU 模块会进入睡眠状态。在任意一种指令上电后，系统可以唤醒BMU 模块，并且任意一种模式唤醒主控系统都将进入电源上电模式，系统将会进行自检。在自检过后，主控系统方可进入其他状态。在主控系统接受整车控制命令后，系统进入预上电模式，管理系统控制高压回路进行预上电，这时系统也会进行检测，在预上电成功后进入行驶模式；当预上电失败时，系统则会报警，并进入故障模式[3]。

3.3.2 系统级芯片算法程序(SOC)设计

系统级芯片算法程序(SOC)是电池管理系统的核心，其原理是利用定时中断的方式，在子程序进入启动后判断当前程序是否满足光学字符验证(OCV)校准条件。若满足相关条件，则进行OCV 校准；若不满足，则会进入下一判断环节。系统采集电池电压和电流状态，并获取SOC 数据，以判断SOC 是否需要重启修正，满足条件则重启修正SOC，不满足则继续进入下一判断环节。系统不断重复此循环，确保电池管理系统获取最高的SOC 值及最低的SOC 值，实时监控电池管理系统状态值[4]。

3.3.3 标准作业程序(SOP)算法程序设计

标准作业程序(SOP)，采用定时中断模式，设定时间和触发模式与SOC 相同。SOP 子程序启动需要获取当前SOC 数据和对应的SOP 数据，然后通过单体电压获得最小电压和单体最大电压，根据故障情况识别SOP算法是否存在问题，最终系统将根据SOP数据对电池衰减等相关性得出最高SOP值和最小SOP值。

3.3.4 故障安全管理程序设计

电池管理系统故障主要是通过中断唤醒进行判断，其流程与SOC 算法程序基本相同，差别在于故障安全必须按照故障优先级进行处理，在系统识别故障状态后还需增加判断故障优先级的环节。该方法能够增强车辆在行驶状态下控制逻辑的判断。当车辆处在行驶状态中，出现“禁止高压”标识，系统将降低电池功率输出，进行高压系统的切断操作。系统通过故障报警提示和降低动力输出可以让驾驶人员意识到车辆出现了故障，驾驶人员可以采取相应的措施，确保人员和车辆的安全[5]。

4 结语

本文通过对新能源汽车动力电池管理系统存在问题进行分析，探究了当前新能源汽车动力电池管理系统应当具备的功能，以此对新能源汽车动力电池管理系统进行优化设计。动力电池管理系统的硬件系统包括电池管理系统的电气架构、BMU 模块、MMU模块，而软件系统包括系统检测程序、控制程序、算法程序、故障管理程序的设计。技术人员应全面掌握新能源软硬件系统相关知识，在动力电池上增强管控效果。