電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

1、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 新能源汽車具有運(yùn)行高效穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但是，此類汽車在電池設(shè)計(jì)方面需要消耗較高成本，續(xù)航里程短。為確保新能源電池使用壽命，控制汽車使用環(huán)節(jié)成本，要重視動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。 1新能源汽車動(dòng)力電池的工作原理介紹 當(dāng)前，新能源汽車的動(dòng)力電池主要使用金屬鋁作為金屬燃料，難以實(shí)現(xiàn)充放電之間的有效循環(huán)。從新能源汽車的動(dòng)力電池材料選取和性能循環(huán)等角度分析，在電池負(fù)極使用金屬材料，電池正極使用泡沫石墨烯，并使用四氯化鋁的陰離子為電解液，即可實(shí)現(xiàn)常溫下電池的可逆充放電。由于石墨烯材料所屬層狀結(jié)構(gòu)，具備和鋰離子相似的功能，可容納陽離子，將電解液內(nèi)的陰離子更好地容納，保證動(dòng)

2、力電池可實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)，穩(wěn)定運(yùn)行。 2電池管理系系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的關(guān)鍵技術(shù) 2.1檢測(cè)工作參數(shù)。在電池管理系統(tǒng)當(dāng)中，其工作參數(shù)檢測(cè)主要包括工作電流、電壓和溫度等。在測(cè)量電池電壓、充放電電流及電池溫度等過程，需要采集單體電池的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)對(duì)電池工作狀態(tài)加以判斷；在估算荷電狀態(tài)時(shí)，需要使用單體電池的電壓，同時(shí)其他功能也需依賴電壓數(shù)據(jù)展開計(jì)算。2.2SOC算法。使用卡爾曼濾波方法作為SOC算法，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)學(xué)習(xí)，利用殘余電量的計(jì)算方法，對(duì)電池的SOC初始值進(jìn)行計(jì)算。在此過程中需要借助大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能獲取電池的準(zhǔn)確使用信息，并且還應(yīng)掌握電池兩端溫度信息以及電壓值，確保SOC初始值的計(jì)算相對(duì)準(zhǔn)確

3、。然后利用此值作為基礎(chǔ)輸入值，并在卡爾曼濾波方法的運(yùn)用下，對(duì)電池的SOC值進(jìn)行估算。但是，在此過程運(yùn)用的計(jì)算公式并非線性方程，需要在實(shí)際計(jì)算環(huán)節(jié)將其線性化，利用估計(jì)值以及給出誤差協(xié)方差矩陣，對(duì)誤差范圍加以估算，最終獲取精準(zhǔn)的SOC值。2.3均衡控制。均衡控制為系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)計(jì)難點(diǎn)，控制策略關(guān)乎管理系統(tǒng)性能。整體電池組性能取決于單體電池性能最差的部分，若單體電池存在不一致的使用狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)致容量低，電池在使用過程存在“過放”或“過充”等問題，對(duì)電池組使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，為提高電池使用壽命，并提高其使用效率，需要對(duì)管理系統(tǒng)當(dāng)中電池組展開均衡控制。 3新能源汽車的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1總體

4、設(shè)計(jì)。（1）設(shè)計(jì)方案。當(dāng)前，電動(dòng)汽車主要使用的動(dòng)力電池包括鋰離子電池、鎳氫電池以及鉛酸電池等。汽車商熱衷于將上述類型的單體電池加以串聯(lián)，組合成動(dòng)力電池。在電池使用時(shí)間不斷增加過程中，各單體電池之間產(chǎn)生的容量、溫度和電壓差異顯著，若超出特定范圍，就會(huì)影響其使用壽命。故此，管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要針對(duì)不同單體電池展開參數(shù)檢測(cè)，若檢測(cè)結(jié)果單體電池參數(shù)差超出最高允許范圍，此時(shí)，由管理系統(tǒng)介入，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充放電過程的控制，調(diào)節(jié)單體電池存在的參數(shù)差，保證處于合理范圍之內(nèi)，系統(tǒng)框架如圖1所示：圖1管理系統(tǒng)框架圖（2）主要功能。結(jié)合上述系統(tǒng)框架，可實(shí)現(xiàn)下述功能:第一，針對(duì)各個(gè)單體電池溫度和電壓以及電池總體充放電時(shí)

5、電流變化展開精準(zhǔn)檢測(cè)；第二，該管理系統(tǒng)可結(jié)合檢測(cè)參數(shù)，估算出電池組的SOC荷電，并準(zhǔn)確計(jì)算出目前剩余電量；第三，該管理系統(tǒng)可按照電池的電量狀態(tài)、電壓和溫度等參數(shù)信息，參照動(dòng)力電池的最佳充放電曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度和充放電狀態(tài)展開控制；第四，利用Can-Bus實(shí)時(shí)傳輸電池狀態(tài)，并將結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)杰嚿砜偪貑卧蜖恳姍C(jī)的控制單元內(nèi)。3.2硬件設(shè)計(jì)。（1）總體方案。（a）檢測(cè)電路。該系統(tǒng)利用單片機(jī)當(dāng)作控制芯片，使用單體電池的充放電電路（包括電壓、溫度和電流等），并使用通信電路組成控制系統(tǒng)。由于電池組的電壓可達(dá)上百伏特，因此，可使用電阻分壓方式，分別檢測(cè)單體電池的電壓，并利用檢測(cè)電路完成，檢測(cè)電路如圖2

6、所示：圖2電壓檢測(cè)電路圖（b）電量估算。該管理系統(tǒng)主要利用電流時(shí)間的積分法，對(duì)剩余電荷量進(jìn)行估算，因此，檢測(cè)環(huán)節(jié)還需對(duì)電流充放電數(shù)值實(shí)時(shí)檢測(cè)。系統(tǒng)當(dāng)中通過采樣電阻，轉(zhuǎn)換充放電電流，變?yōu)殡妷簲?shù)據(jù)之后，向單片機(jī)內(nèi)接口傳輸，完成電流數(shù)據(jù)的采樣工作。同時(shí)，為確保電池組采樣過程安全性，還需利用管理系統(tǒng)，測(cè)量出單體電池實(shí)時(shí)溫度。該系統(tǒng)利用傳感器完成電池溫度檢測(cè)，將傳感器設(shè)置在單體電池外表，進(jìn)而獲取其溫度數(shù)據(jù)。傳感器具備獨(dú)特的單線接口，使用數(shù)據(jù)線就能完成和微處理器之間的連接，并實(shí)現(xiàn)雙向通訊。（c）管理方式。電池組的管理主要有兩種形式：集中式和分布式。本方案選擇分布式管理，主要利用“主從分布”的結(jié)構(gòu)，完成電流

7、、溫度和電壓等信息檢測(cè)，保證電池組形成均衡控制局面，利用該系統(tǒng)能夠估算電池的SOC值，并且確認(rèn)電池存在“過充”或者“過放”等問題之后，還能啟動(dòng)保護(hù)功能。控制板上能夠提供電池和整車通信網(wǎng)絡(luò)、CAN接口、上位機(jī)串口連接功能。在主控板的控制方面，能夠和采集板模塊功能緊密關(guān)聯(lián)，且相互獨(dú)立。由采集板對(duì)電池組內(nèi)各單體電池各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)均衡控制。由主控板完成電池組工作電流的采集、數(shù)據(jù)分析、SOC估算等。利用CAN網(wǎng)絡(luò)，向整車控制器內(nèi)傳輸電池狀態(tài)實(shí)時(shí)信息和處理結(jié)果。主控板當(dāng)中還具備和上位機(jī)通信功能，利用串口獲取采集數(shù)據(jù)，向上位機(jī)傳送，經(jīng)上位機(jī)處理之后，顯示結(jié)果，完成人機(jī)界面操作。（2）采集電路。采集

8、電路的設(shè)計(jì)需要控制外部環(huán)境干擾問題，采取隔離措施，但是這種設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。還可使用電流傳感器，完成數(shù)據(jù)采集。設(shè)計(jì)過程中，將電源線從電流傳感器內(nèi)穿過，利用電磁感應(yīng)原理，獲取電流值。為確保電流采集過程可靠性和結(jié)構(gòu)精度，可選擇CHB-200SF霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電流集中采集。（3）轉(zhuǎn)換電路。由于電動(dòng)汽車內(nèi)部的輔助電源電壓通常為12V，使用過程需借助轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將電壓轉(zhuǎn)換給不同供電模塊。該系統(tǒng)中使用MCU芯片，工作環(huán)節(jié)需要供電電壓5V，而電流的采集電路對(duì)于電源供電電壓的需求為12V，隔離芯片對(duì)于電源的供電電壓需求為3.3V和5V。因此，為確保電壓能夠穩(wěn)定獲取，需要利用轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

9、中，使用型號(hào)為L(zhǎng)M2574的穩(wěn)壓芯片，作為12V轉(zhuǎn)-12V的轉(zhuǎn)換芯片；使用型號(hào)為L(zhǎng)M2596的穩(wěn)壓芯片，作為12V轉(zhuǎn)5V的轉(zhuǎn)換芯片；選擇型號(hào)為TPS73233的低壓穩(wěn)壓芯片，作為5V轉(zhuǎn)3.3V的芯片。3.3軟件設(shè)計(jì)。（1）控制策略。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，利用主模塊對(duì)采集模塊、電池組、故障記錄、充電控制、SOC算法以及人機(jī)交互等各類模塊加以控制。對(duì)于電池組模塊的控制，需要按照電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)電池的工作模式和系統(tǒng)預(yù)設(shè)模式是否一致加以判斷，若不一致，可對(duì)繼電器發(fā)出動(dòng)作決定，始終保持電池組在合理的串并聯(lián)模式當(dāng)中運(yùn)行。針對(duì)故障診斷以及記錄模塊的控制，利用軟件系統(tǒng)，將電池使用過程可能出

10、現(xiàn)的各類故障加以列舉，其可分為如下幾類：第一、過流故障；第二、高壓故障；第三、低壓故障；第四、高溫故障；第五、低溫故障。在各種故障類型相對(duì)的硬件電路內(nèi)，設(shè)置指示燈。若系統(tǒng)存在故障，可先將鳴峰器接通，對(duì)故障類型精準(zhǔn)定位，并且點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)故障指示燈，最終向單體電池中定位，通過文字標(biāo)簽方式顯示。由控制模塊將電池使用過程中存在的所有故障類型進(jìn)行記錄，便于后期維護(hù)與查看。而充放電的控制模塊功能受到充電機(jī)和連接負(fù)載電路的控制。（2）電量檢測(cè)。電量檢測(cè)的算法設(shè)計(jì)需要基于電池模型，使用三階等效模型，利用其高階特點(diǎn)以及使用過程產(chǎn)生高斯白噪聲，并且電池處于模式切換狀態(tài)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生噪聲。切換繼電器環(huán)節(jié)，由于存在震蕩，可能導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果存在誤差，車輛運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)發(fā)生震動(dòng)問題，也可對(duì)電池產(chǎn)生隨機(jī)干擾。因此，將嵌入式以及電池檢測(cè)的濾波算法考慮其中，將卡爾曼濾波這一算法加以擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)在電池電量發(fā)生變化之時(shí)，將其中隨機(jī)噪聲濾除。 總之，合理設(shè)計(jì)新能源汽車的電池管