新能源汽车电池管理系统研究

黄关山

（珠海城市职业技术学院机电工程学院，广东 珠海 519070）

21 世纪是科学技术飞速发展的时代，随着不可再生能源的消耗越来越大，人们对新型可再生能源的需求也越来越高。电力是一种典型的可再生能源，它是一种洁净的能源。在全球范围内，特别是发达国家和发展中国家，燃料车的数量日益增加，造成了越来越多的汽车尾气排放。所以，用电作为动力的新能源汽车已经成为未来的发展方向。新能源汽车最大的优点在于它对环境的保护，以及对环境的依赖性，可以减少对环境的污染，但是它的缺点就是需要很长的时间，而且需要大量的电池。

1 新能源汽车动力电池关键技术分析

在新能源汽车的动力电池管理系统的设计和应用中，涉及许多技术问题。传统的系统设计和应用都是以模块化的方式来划分，所以在检测、估算、均衡等模块相对较为重要的时候，重点是工作参数检测、SOC 算法、均衡控制等。

1.1 工作参数检测

为了保证系统的正常工作，必须设定多个参数。（1）蓄电池的电压；（2）工作电流；（3）温度等。

一般在对这类工作参数进行具体检测时，往往侧重于数据的收集和分析，以便通过数据管理来预测其运行状况。比如，在测量上述工作参数时，必须首先采集单元的电压测量数据，然后对其进行分析；对蓄电池工作状况进行预测。又比如，在电力系统中，要准确地获取和分析单体电池的电压，就必须对其进行准确的估计。

1.2 SOC 算法

在计算动力电池SOC 的初始值时，通常采用静态学习的方法来确定剩余电量（静态的自学习）、动态电流的测量、SOC 的扩展卡尔曼滤波器。据相关实践结果表明，在 SOC 初始数值的基础上，使用静态自学习算法，要得到更准确的电力需求，必须有大量的实验数据。另外，还要求电脑能够对蓄电池的电压及两端的温度进行有效的监控与联系。在实践中，卡尔曼滤波器的线性化是因为使用的方程都是非线性的。并将估计值和误差协方差矩阵结合起来，以实现SOC 估计的标定。

1.3 均衡控制

在新能源汽车电池管理系统的设计中，平衡控制是最难解决的问题之一，如果采用不当的平衡控制策略，不但无法实现系统的管理目的；还会导致管理体系的运行偏离，产生管理上的漏洞。从电池的总体性能来看，这和“木桶弱点”有异曲同工之妙，综合性能好坏，取决于电池的性能。因此，在使用过程中，如果电池在使用中的状态不一致，就会导致过充放电，导致整个电池组的工作性能下降，缩短了电池组的使用寿命。从这类系统的平衡控制经验来看，要把控制的重心放在整体的电池上。

2 新能源汽车动力电池管理内容

2.1 电池测试验证

在电池生产中，应依据电池的特性、工艺特点以及国家有关规范，合理选择和应用试验验证的方法，避免由于电池的安全标准单一而造成的问题；要使这些方法的价值效果得到充分发挥。在这一背景下，要从国外的先进经验出发，结合我国的工作特点，对其进行科学的检验与验证，从而提高工作质量。另外，常规的电池制造方法存在单一化的缺陷，缺乏科学的探测手段，在电池组开启后，冷却管路将会自动运行，以降低电池组的温度。另外，为了准确地获取电池的温度、电压等信息，还必须在机箱的前端设置一条CAN 总线。

2.2 充电安全管理

为了加强对蓄电池的安全管理，必须持续改进管理方式，加强对蓄电池使用的规范指导，并对用户进行相关的安全培训，把充电注意事项，充电操作要求等列为重点，并提醒用户不要私自更换电池。同时，要加强对电池维护、故障排查等方面的指导，让用户认识到存在的安全问题，及时发现异常情况。当出现底盘刮伤、遭遇强烈撞击、被雨水浸泡时，应及时通知用户到邻近的网点进行检查和修理，并指导用户正确地发现充电时存在的安全隐患，并加大控制力度,确保安全使用电池。强化充电桩、充电系统等基础设施建设，确保符合国家有关标准。

2.3 电池报废与更换

为了防止电池在使用中出现老化、损坏等问题，对电池的安全性能造成一定的影响，相关单位要加强对电池的报废管理和更换，以消除安全隐患。有关的电池，如不适宜再用，应立即回收，当电池的使用性能下降30%或更多时，可采取梯次使用的形式，将其拆卸，再利用到街灯上，既可防止新能源汽车的电池安全问题，而且还可以有效降低资源的损耗。在提高节能效益的前提下，应遵循经济性、环保性原则，对废弃电池进行合理回收利用，并对重金属进行特殊处理，以减少对环境的污染。

3 新能源汽车动力电池管理系统设计

3.1 方案设计

当前，在新能源汽车上，有三元电池、磷酸铁锂、锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等，在装运过程中，大多数的动力电池都是用串联的方式组成。要想有效延长汽车电池的使用寿命，就需要使电池组的容量进一步扩大，同时还要严格控制电池的电压和温度。超过标准值后，将直接影响电池的工作性能和使用寿命。因此，在研制和开发这类电力电池管理系统时，必须对其运行参数进行测试，并依据测试结果对其工作参数进行适当的调整。通过测量获得的运行参数，可以估计整个电池的SOC 负载，从而精确地计算出剩余电量。同时，通过建立了一个参数信息数据库，可以对电池的工作状态进行有效的监控。尤其是在蓄电池的输送方面，采用CANBUS 技术，能够将蓄电池控制单元的信息进行实时的传递，使各单元之间能够保持良好的动态连接。

3.2 硬件设计

（1）在检测电路中，采用了通用的、易于编程的单片机作为检测电路，利用“通讯、充电、放电”的方法组成了一套检测电路。由于整个电池组的电压都超过了上百伏特，所以可以利用电阻分压方法来实现单元的电压检测。

（2）利用电流时间积分方法对系统的剩余电量进行估计。为保证这种方法的应用，必须对电流充放电进行实时监控和检测。电流数据的采集过程包括：①选择采集电阻；②对充电/放电电流进行变换；③获取电压数据；④向MCU 内部接口传送数据。由于电池组在采集电流时会有一些危险，所以为了保证其安全性，必须对电池的温度进行实时监控和检测。它可以直接安装在电池的表面，从而实现对电池的实时温度监控。在连接上，主要采用数据线路，将单线传感器和微处理器相连，保证了双向通信的通畅。在此基础上，根据温度在-70 ～140℃的变化规律，选用Pt100 型温敏元件。

（3）在电池的管理方式上，按照预先设定的设计方案，采用分布式方式，检测各种工作参数，评估SOC，对过量排放进行有效的管理。详细的结构设计如下：①主要由全车通信、蓄电池管理、主机串行接口组成；CAN 全部连接到控制台总成。②将主面板组件的独立函数和采集面板组件的独立的功能结合起来，使得在主/从配置的管理方式下，利用采集面板的模块来完成单元的工作，并完成电流采集、数据分析以及 SOC 估计。③将两者结合起来，利用 CAN 网络，实现了电池控制模块、主控板模块和上位机通讯模块的完全互联。在此基础上，建立了以电池组件-传感器-数据采集板-主控板-PC通讯-HMI 接口-主从分配管理方案。

在采集电路时，应注意防止外界环境的干扰，在此基础上，根据实际需要，选用CHB-200SF 霍尔电流传感器，以实现对系统电流的集中采集。在具体的设计中，采用了“电磁感应”的方法，通过电源线将电流传感器的电流输出。蓄电池在安装后，需要配备相应的备用电源，一般采用这种电源时，其电压主要是12V。本论文首先设定了5V 工作时的MCU 芯片，3.3V/5V 的隔离芯片，并在此基础上提供了一种用于保证电源电压稳定的转换芯片。主要包括以下三大类：（1）为适应绝缘片转换需求而设计的TPS73233 低压稳压器；（2）采用LM2596 型调制解调器，可以对 MCU 进行芯片转换；（3）LM2574 型电压调节器可以实现电压信号的输出（-12V）。

3.3 软件设计

以电池组模块化控制为例，着重于新能源电动车的动力特性，以及与电池管理系统的预置方式的一致性判定。在预测值与实际值不符的情况下，可以根据继电器的动作进行合理的调整，在串并联方式下进行电池的安全操作。在具体的设计中，使用了CodeWarriorv8.3，它既可以实现程序的编译，又可以自动地识别代码的错误，从而大大地提高了程序的工作效率。系统的软件设计过程主要由以下几个步骤组成：新项目-代码编写（初始化、主程序、中断程序）；（每个子程序）-编译（自动识别错误代码）-下载至目标板-运行程序-调试（当不符合时返回代码编写）-软件设计。因为各个模块都是集成的，所以在编写特定的程序时，可以利用软件中的数字/模拟、PWM 输出、Capture 计数等功能，从而大大简化了软件的设计，进一步提高了软件的开发速度，节约了开发时间，保证了编程的质量。

4 结语

综上所述，对新能源汽车的动力电池管理系统进行研究，进一步优化和改进电池管理系统，对于新能源汽车的安全驾驶以及此行业的健康发展具有十分重要的意义。为了解决新能源汽车以往存在的续航里程短、研发成本高等问题，设计人员需要依据行业发展需求，不断完善新能源汽车动力电池管理系统。根据上述的初步分析，一方面，在研发新材料、新技术、新方法的同时，要对新材料、新技术、新方法进行科学、合理的应用，以达到更好的应用效果。另一方面，要按照目前在实际工作中建立的标准研发流程，从工作原理、关键技术、方案研发等方面进行，在硬件设计、软件设计等方面进行了具体的实施，以提高开发效率和设计水平。总之，要加强对电池安全问题的重视，积极采取相应的技术措施将电池安全问题彻底消除，促进新能源电动汽车行业的健康发展。