新能源汽车动力电池管理系统的设计

  2019 年 07 期 · 245 ·技术与应用·新能源汽车动力电池管理系统的设计 ■ 郑余长城汽车股份有限公司 河北保定 071000摘 要：目前在新能源产业中电动汽车无法大面积推广的根本原因就是续航里程差并且针对不同的环境适应性差，这两个问题能否解决取决于电动汽车的电源系统和电源管理的优劣，电源管理系统是限制电动汽车前进的核心技术之一，电源管理技术的研发直接关系到电动汽车是否能称为汽车发展的前景产业。关键词：新能源汽车；动力电池；管理系统；设计1 新能源汽车动力电池原理截止到目前为止，新能源汽车动力电池有关专研究依旧将铝看作一次性金属燃料...

  2019 年 07 期 245 技术与应用新能源汽车动力电池管理系统的设计 ■ 郑余长城汽车股份有限公司 河北保定 071000摘 要：目前在新能源产业中电动汽车无法大面积推广的主要缘由是续航里程差并且针对不一样的环境适应性差，这两个问题能否解决取决于电动汽车的电源系统和电源管理的优劣，电源管理系统是限制电动汽车前进的核心技术之一，电源管理技术的研发必然的联系到电动汽车是否能称为汽车发展的前景产业。关键词：新能源汽车；动力电池；管理系统；设计1 新能源汽车动力电池原理截止到目前为止，新能源汽车动力电池有关专研究依旧将铝看作一次性金属燃料，尚未实现充放电循环。但是在斯坦福团队对新能源所做出的报道内，在新能源汽车动力电池循环性能与材料上取得了较大突破。新能源车辆的动力电池如图 1 所示，其以金属铝作为负极，以三维泡沫石墨烯作为正极，以四氯化铝阴离子作为电解液，在常温状态下能够实现电池可逆充放电。但是石墨烯材料属于层状结构，其可以像锂阳离子容纳其他阳离子一样，容纳四氯化铝阴离子，这也是新能源汽车动力电池可以高效稳定运行前提条2 电池管理系统的关键技术2.1 电池工作参数的检测电池工作参数的检测是电池管理系统最主要的功能之一，电池的工作参数包括电池的电压、工作电流以及温度。具体需要测量的是电池的电压，电池的充放电电流以及电池的温度。其中对单体电池电压的测量是数据采集的第一个任务，通过电压可以很好地判断电池的工作状态，荷电状态的估算要使用到单体电池电压，其他功能的实现也一定要通过电压数据来进行计算。2.2 均衡控制策略电池管理系统中均衡控制是最难设计的一部分，只有好的均衡控制策略才会体现出电池管理系统的优良性能。对整个电池组性能起决定性作用的是性能最差的单体电池，单体电池状态的不一致会使得容量低的电池出现过充或者过放，影响电池组的常规使用的寿命。为了更好的提高电池组的常规使用的寿命以及使用效率，必须对电池组做均衡控制。电池管理单元的一个主要任务就是对电池组做均衡保护，目前电池管理系统对于均衡控制方案的研宄主要有耗散型均衡和非耗散型均衡两种。2.3 SOC 算法新能源汽车电池管理系统的 SOC 算法采用卡尔曼滤波法，通过对静态自学习残余电量算法来计算电池的初始 SOC，需要用到大量的实验数据和精确地电池使用信息，同时还需要电池两端的电压值和温度信息，这样计算的初始 SOC 比较准确，然后将这个值作为输入值，能够正常的使用卡尔曼滤波法来估算实时电池 SOC。由于计算公式并不是线性的方程，因此要在计算中实现线性化必须给出误差和估计值的协方差矩阵来估算误差范围，然后再取比较精确的 SOC 数值。3 软件设计3.1 软件系统总体设计按照系统要制定的控制策略如图 2 所示。其中电池成组模块根据电动汽车运动状态和当前速度判断电池工作模式是否与系统设定的一致，如果不一致，需要控制特定的继电器动作，使电池组处于正确的串并联模式；故障诊断和记录模块，软件系统列举了可能出现的故障，进行故障分类，即过流、高压、欠压、高温、低温，每一类故障对应硬件电路一个指示灯，当系统发生故障时，首先接通故障蜂鸣器，然后定位故障类型，将相应类型故障指示灯点亮，最后定位到具体单体电池，以文字标签的形式显示，此模块自动记录所有出现过的故障，方便维护查看。充放电控制模块主要是控制与外界连接的负载电路与充电机。3.2 电量检测算法设计在动态系统中由于本文建立的的电池模型是一个三阶的等效 RC模型，由于模型的高阶特点会产生的高斯白噪声，且电池在三种模式切换时会产生激励噪声［，且在继电器切换过程中会产生震荡对检测到的数据造成极大的误差，由于汽车在运动过程中的振动对电池造成许多非平稳且随机的干扰。考虑到目前的嵌入式的可实现性和目前的电池检测滤波算法，扩展卡尔曼滤波算法是可以随着电池的电量的变化进行实时的滤除掉随机噪声，扩展卡尔曼滤波作为一种很成熟的滤波方法较为广泛的应用到计算机系统中，随着嵌入式技术的发展，扩展卡尔曼作为一种有效的估算方法愈来愈普遍的应用到嵌入式系统中。4 硬件设计4.1 总体设计的具体方案对于电池组的管理往往有集中式管理和分布式管理两种形式，考虑到实际应用中电动汽车的动力电池是以多电池包形式布置，需要采集的电池参数量较大，采用集中式不现实，通常采取分布式管理方案。本文就是采用主－从分布结构来实现对动力电池电压、电流、温度的检测，电池组之间的均衡控制、电池 SOC 的估算以及对过充电或者过放电的保护等功能，另外主控板还提供与整车 CAN 通信网络通信的 CAN 接口以及与上位机通信的串口。主控板模块和采集板模块的功能既相互独立，又紧密关联。各采集板负责对应电池包内所有单体电池的电压、温度检测以及均衡控制；主控板主要负责电池组的工作电流采集、SOC 的估算和数据的分析和处理以及安全防护等，然后通过 CAN 通信网络将电池状态信息和分析处理的结果反馈给整车控制器。此外，主控板还有一个主要的功能是实现与上位机之间的通信，通过串口将电池管理系统采集到的数据发送到上位机，上位机再做处理和显示，实现人机界面的操作。4.2 电源转换电路设计电动汽车上的辅助电源一般是 12V，一定要通过电压转换给系统各个模块供电，本系统中的 MCU 芯片需要 5V 供电，电流采集电路需要正负 12V 电源供电，隔离芯片需要 5V 和 3.3V 的电源供电，为了可以获得稳定的电压，采用电压转换芯片对电源进行转换。12V转 5V 选用的是 TI 公司的稳压电源芯片 LM2596，12V 转－ 12V 选用的是稳压电源芯片 LM2574，5V 转 3.3V 选择了 TI 公司的低压差稳压芯片 TPS73233。4.3 电流采集电路设计这种方法原理虽然简单，但是由于外部条件的干扰一定要做好隔离设计，电路很复杂；另一种方案是通过霍尔电流传感器采集，将电源线穿过霍尔电流传感器，通过电磁感应获取电流值。为了能够更好的保证电流采集的精度和可靠性，本文选用型号为 CHB － 200SF 的霍尔电流传感器对系统的总电流进行采集。其可以检测的电流范围是0－300A，电源电压取值为12V，匣数比为1：2000，工作时候的温度范围为－25 C － 70 C，反应时间在 1us 以下。5 结束语新能源汽车电池管理系统对新能源汽车电池工作和应用有非常非常重要的影响，因此进行新型智能化新能源汽车电池管理系统的设计，通过更新硬件设施和智能化算法和软件应用，能够在很大程度上满足新能源汽车电池工作的要求，促进我们国家新能源汽车产业的发展。参考文献[1] 张康 . 一种基于单片机的新能源汽车动力电池管理系统设计 [J].企业技术开发 ,2018,3703:6-8.[2] 李海君 . 新能源汽车用锂动力电池热管理系统研究 [D]. 江苏大学 ,2018.