新能源汽车电池管理系统设计与关键技术

摘 要：电池蓄能是限制新能源汽车规模化普及推广的重要难关，面对该现象，可通过设计电池管理系统而实时把控新能源汽车电池状态，强化能源利用。基于此，文章首先分析新能源汽车电池管理系统的设计目标，进一步从总体架构、功能设计、拓扑结构、硬件设计、软件设计五个方面提出新能源汽车电池管理系统的设计方案及关键技术，为确认设计效果，对新能源汽车电池管理系统进行整体测试，最终确定该平台功能稳定，指令响应迅速。

关键词：新能源汽车 电池管理系统 系统设计

0 引言

新能源汽车在环保、节能、绿色、低碳等方面具有显著优势，前景广阔，而在新能源汽车结构中，电池属于核心部件，直接影响新能源汽车的性能与续航，且可影响其安全性与使用寿命。因此，新能源汽车在发展期间，应以需求为依据科学化设计电池管理系统，混合运用多种前沿技术，对新能源汽车的电池状态进行有效把控，规避过温、过放、过充等现象，继而提高新能源汽车电池的运行稳定性，延长使用寿命。

1 新能源汽车电池管理系统的设计目标

能源问题现已成为全球热点，使汽车行业的新能源道路更加明了，但在新能源汽车发展期间，应重点解决电池寿命及性能的问题，针对该现象，主要可借助电池管理系统加强对新能源汽车电池的控制[1]。对该次新能源汽车电池管理系统的设计目标进行总结，如下所示：（1）电池均衡管理。新能源汽车电池组内各单体电池在使用寿命、性能参数等方面存在差异，若出现不均衡现象，则会加重电池组运行负担，影响整个电池组的寿命及性能，而电池管理系统则可实现单体电池的均衡管理。（2）电池状态监测。电池管理系统能够实现对新能源汽车电池状态的实时监测，采集电池参数，如容量、温度、电流、电压等，继而确认电池状态，以免出现电池亚状态运行的情况。（3）故障诊断保护。若电池组出现故障将会直接影响新能源汽车的运行，而电池管理系统可实现对新能源汽车电池组的实时检测，一旦发现异常状况或突发故障，将会进行诊断并运行保护措施，实现电池组故障保护。

2 新能源汽车电池管理系统的设计方案及关键技术

2.1 总体架构

本次所设计的新能源汽车电池管理系统可实现多终端同时运行，其结构包括汽车终端、CAN总线、云端服务器、上位监控终端构成。（1）汽车终端。包括终端传感器、终端执行器、电池组信息，可实现对新能源汽车电池状态数据的采集与展现，若接收到上位机指令则会执行相应措施。（2）CAN通信总线。CAN总线用于数据交互传输，传感器完成电池数据采集后将会由CAN总线完成传输，并将上位机指令向传递。（3）云端服务器。汽车终端信息由CAN通信总线传输至云端服务器，实现电池数据的整合存储，且云端服务器内具备权限验证机制，可保障电池数据安全性。（4）上位监控终端。主要是代表用户端，用户可借助不同终端设备进入电池管理系统，获取电池信息或下达指令，若用户发出指令，该指令将会进一步由CAN总线向下传输。除此之外，上位机内部具有数据分析程序，可辅助用户完成电池数据分析与计算，帮助用户下达指令[2]。

2.2 功能设计

于正式设计新能源汽车电池管理系统之前，以功能需求为依据进行功能设计，如下所示。

2.2.1 辅助性功能

要求所设计的新能源汽车电池管理系统具备单体电池均衡、充电控制、热控制、SMR主继电器控制的功能，且可实现新能源汽车电池状态的精准把控，实时化采集电池温度数据并加以调节，以免电池出现温度过高的不良现象，确保新能源汽车能够在安全条件下稳定运行。

系统主继电器（SMR）控制，热控制，充电控制。电池参数，控制电池的充放电状态，实时采集电池测根据温点数据，控制电池温度，防止电池温度过高，保证电池使用过程中的安全、稳定。

2.2.2 状态监测与计算

针对电压、温度等关键指标进行监测，用于实时化了解新能源汽车电池状态。在此基础上，进行SOC电池荷电状态（即剩余电量）的计算，用于了解电池电流在特定时期内的变化情况。其计算公式如下：

（1）

式（1）中，SOC为电池荷电状态，C1表示长期搁置状态下的电池剩余容量，C2表示完全充电状态下的电池容量。若经公示计算后发现SOC为1，则意味着新能源汽车电池已充满，若结果为0，则代表电池放电完全，若为其他数值，则为电池电量状态[3]。

除SOC之外，电池管理系统还将完成SOH、SOP参数的监测，其中SOH表示电池电流参数在长时间阶段内的变化，可表现出新能源汽车电池的健康程度。饿SOP代指电池功率边界。在该次电池管理系统设计过程中，需以数据采集为基础完成三种关键参数的计算，继而更好地把握与呈现电池状态。

2.2.3 故障自检诊断

电池管理系统设计过程中，需融入功能识别筛查功能，可实现对电池数据的分析处理，一旦发现功能异常则立即预警，并上报上位机，同时触发指示灯，提醒新能源汽车驾驶员注意安全。在该次设计中，将数据分析程序编入上位机计算机内。

2.3 拓扑结构

在新能源汽车电池管理系统设计过程中，主要采用集中式、分布式两种拓扑结构。（1）集中式。是指集成整合所有电气部件的拓扑结构设计方式，在该结构中，借助菊花链通讯方式连接主芯片与采样芯片。该拓扑结构简单，成本可控，且可最大限度提高通道利用率，但相对而言安全性不足，仅可在小容量电池包、总电压低的工况下使用。（2）分布式。是指设置主板的同时增设多个从板，在主板与从板的协同运用下完成电池采集。该方式适用于多种情况，且芯片通道数量可满足不同状况。在该次新能源汽车电池管理系统设计期间，经综合对比后最终选择采用分布式拓扑结构，借此实现对电池管理系统的灵活设计[4]。

2.4 硬件设计

2.4.1 CAN通信节点设计

汽车行业中，汽车所承载的电子设备基本均可运行Flex Ｒay、LIN、CAN总线通信方式，汽车可依托上述三种总线完成各类数据的交互传输，相较而言，CAN总线在汽车领域中最为常用，故在本次新能源汽车电池管理系统设计过程中，则选用CAN总线设计通信节点。

在具体设计过程中，虽运用了配置CAN协议控制器的STM32芯片，但为保障电池管理系统通信功能成效，在STM32芯片CAN协议控制器基础上再次外接CAN总线收发器。在此期间，为实现电平转换而选用了TJA1050收发器芯片，同时在STM32芯片与TJA1050收发器芯片之间添加高速光耦，型号为ADUM1201，进一步提高数据传输通信的信号稳定性。此外，以CAN节点引脚连接原理为依据，运用ADUM1201高速光耦分隔CAN总线的两个端口，即发送端、接收端，在该结构中，还可设置去偶电容，起到降低电源噪声干扰的作用，增强数据信号传输的稳定性。在该硬件结果中，TJA1050收发芯片可实现信号的转换，完成ＲX信号到CAN总线差分信号的过度，还可按照需求进一步将差分信号转我TX信号，为不同数据传输场景创造条件。

2.4.2 网络模块设计

网络模块硬件设计主要为保障网络传输的稳定性及带宽性能，在本次新能源汽车电池管理系统设计过程中，则采用TCP/IP完成网络模块硬件设计。用于保障数据信息传输效率与质量。在具体设计过程中，以ENC28J60芯片为核心打造网络传输模块，并借助中断引脚、SPI总线接口确保数据交互与指令传输效果，经初步验算后，该网络模块的传输速率超10Mb/s。在此基础上，进一步于芯片预留两路接口，以此控制LED指示灯闪烁。

2.4.3 采集模块设计

采集模块由各类传感器构成，其温度传感器、电压传感器、电流传感器等，主要用于采集新能源汽车电池组的运行状态，在实现实时化数据采集的同时，可在CAN总线的帮助下完成电池参数数据的传输[5]。

2.4.4 均衡控制模块

主要用于均衡新能源各个单体电池组，用于解决不同单体电池组在定压、容量等方面的差异。在该次新能源汽车电池管理系统均衡控制模块设计期间，主要依靠控制器、均衡器完成设计，用于实时化、动态化监测每个单体电池的实际运行状态。而在均衡控制期间，在主要借助电荷转移而实现，使电荷由高电压电池向低电压电池转移，若大总量电池的电荷转移到小容量电池中，通过电荷转移完成新能源汽车单体电池状态的均衡。

2.4.5 主控制器模块

属于电池管理系统的核心模块，主要用于实现电池数据汇总与存储，可帮助用户实时化了解电池组数据。主控制器模块由芯片、微处理器构成，可实现多参数的计算与电池状态的控制。

2.5 软件设计

新能源汽车电池管理系统需以采集终端作为完成软件设计的重点，在该项设计任务中可应用N1 LabVIEW嵌入式开发工具包中的LabVIEW Embedded Module for ARM Microcontrollers模块，以嵌入式32位精简指令集运算为控制其为该系统采集终端提供有效的图形化编程。对这一工具的性能进行深入分析发现：由于该工具已经完成了LabVIEW嵌入式开发工具包与Keil RealView MDK为控制器的集成，可有效改善用户对嵌入式编程的应用体验，确保其衔接的即时性和连续性。此外，该工具本身还具备CAN局域网通信V1、TCP以太网通讯V1、RSR232串口通信V1等多种硬件通信接口，可使用户在开发程序环节的工作效率大幅提升。

技术人员在新能源汽车电池管理系统采集终端的软件设计中，应加强对项目研发需求的综合考虑，并将其作为软件功能设计的重要依据。在某新能源汽车电池管理系统采集终端软件设计中，则设置了数据采集处理、数据解析、指令执行、服务器登录与接入等功能，并通过演示系统版本的方式完成所有功能的开发与设计，并在系统调试环节对该软件的各项具体功能做进一步测试与检验，最终得到集成网络接入、数据收发与解析、终端LCE显示屏控制程序的采集终端软件程序。

在此基础上，新能源汽车电池管理系统在设计阶段，应提高对上机位监控系统设计的重视程度，选择第三方数据服务平台作为整个系统运行期间各类数据信息的中转站，要求该服务器应具备中转、处理、存储数据信息和异常信息告警等综合性能，同时在该服务平台中强调API数据接口设置的标准性，为系统采集终端与第三方数据服务器的信息交互以及平台功能拓展创造便利条件。在上机位系统设计的工作实践中，需以具备人机交互功能的LabVIEW2016的前面板为基础，应用N1提供的网络通信工具选板与标准工具选板，实现系统后台与服务器的登录、连接等基础功能，通过规范的操作完成系统登录与数据传输。

3 新能源汽车电池管理系统整体测试

为检验上述提出的新能源汽车电池管理系统的功能效果，采用整体测试的方式加以检验。在整体测试过程中，选择四块单体电池进行模拟分析，对整体测试期间所需监测的数据类型进行统计，具体可见表1。

结合表1数据性质来看，在测试期间选择状态信息、电量信息分别作为开关量类型、数值类型为样本测试电池管理系统的功能。电池管理系统完成数据采集后，在上位机程序及终端程序的协同作用下可完成数据的编译处理，并将其导出，最终则可于测试环境内检验电池管理系统的功能。在该次所设计的电池管理系统内，由 MDK开发工具完成终端程序的编译，并形成C代码，经由USB接口传输至终端硬件设备，完成数据下载的则可登录服务器及终端测试电池关系系统的功能，并实现对终端数据的采集。登录后可实时收发数据，并采用界面显示的方式展现信息，待数据收发结束后则可执行程序动作，将相关数据传输至服务器，并于汽车终端执行指令，与此同时将会采用指示灯方式表现电池状态。数据服务器在测试过程中良好表现出设备管理、远程监控、报警指示、数据转发等功能，能够实现数据转发与分析，若经分析后发现异常状况，将会触发报警。上位机监测平台经检测后同样具备应有功能，用户可便捷化登录，且用户可根据自身需求选择手动登录、信息读取两种方式完成登录过程。

整体来看，该次所设计的新能源汽车电池管理系统功能完整、界面清晰明确、响应速度优异，具有较高应用价值。

4 结语

综上所述，为确保新能源汽车能够真正实现规模化普及，加速汽车行业能源体系的变革，应基于现实需求，合理规划新能源汽车电池管理系统的设计方案，做好总体架构设计，多角度设置系统功能，并注意完善拓扑结构、此外，为保障新能源汽车电池管理系统功能的实现，从硬件与软件两个角度出发进行科学设计。按照本次方案完成新能源汽车电池管理系统设计后，对其整体性能进行测试，确定了电池管理系统功能的可靠性。

参考文献：

[1]米文杰.新能源汽车电池管理系统设计优化研究[J].汽车测试报告，2024（05）：58-60.

[2]杨建银.新能源汽车电池管理系统控制策略研究[J].汽车测试报告，2023（19）：4-6.

[3]路莹.新能源汽车电池管理系统设计与优化[J].农机使用与维修，2023（09）：64-67.

[4]邹子谦.新能源汽车电池管理系统及常见故障诊断维修对策探究[J].时代汽车，2022（09）：172-173.

[5]孟祥玮，赵海波，姜春宝.新能源汽车电池管理系统设计研究[J].电子元器件与信息技术，2021，5（06）：117-118+123.