電動(dòng)汽車單體電池信息采集及故障診斷系統(tǒng)

王曉敏，劉亞萍

（湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢430060）

由于我國對于環(huán)境問題的重視，以及全球的能源危機(jī)越來越嚴(yán)重，因此，發(fā)展節(jié)能減排的電動(dòng)汽車刻不容緩，這是我國對于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出的重要措施。大量的數(shù)據(jù)表明，我國普通的汽車尾氣是造成環(huán)境污染的主要原因之一，也是大城市持續(xù)霧霾天氣的主要原因。隨著我國機(jī)動(dòng)車數(shù)量的逐漸增加，機(jī)動(dòng)車污染物總量也在與日俱增。我國大部分城市嚴(yán)重霧霾的天數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，不僅會(huì)造成嚴(yán)重的陸地和空中的交通擁堵，還會(huì)對人類的身體健康造成嚴(yán)重的危害。由于我國整體經(jīng)濟(jì)水平的提升，人們對于自己所生活的環(huán)境要求也越來越高。電動(dòng)汽車的最大特點(diǎn)就是“零排放”尾氣，而且，對于電動(dòng)汽車的充電問題，還可以利用電網(wǎng)晚間的價(jià)錢比較低的“谷電”進(jìn)行充電，這樣對于電網(wǎng)的調(diào)峰填谷也大有益處，達(dá)到蓄能效果，兩全其美。本文的主要研究目標(biāo)是電池組功能的安全，對于動(dòng)力電池產(chǎn)生的故障及機(jī)理以及單體電池信息采集系統(tǒng)故障檢測的原理進(jìn)行了具體的分析。對于出現(xiàn)問題的系統(tǒng)及充放電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)置，并且還對其充放電情況進(jìn)行了模擬，對電池信息的采集系統(tǒng)問題進(jìn)行了大量的研究與驗(yàn)證?；诖搜芯炕A(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)單體電池信息采集系統(tǒng)以及發(fā)生問題模擬注入系統(tǒng)的故障檢測模擬平臺，并且以SAEJ1939平臺的設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)為兩者之間做了一個(gè)CAN的協(xié)定。這個(gè)平臺對于電池信息的充放電以及故障的模擬還進(jìn)行了監(jiān)控模式，這樣可以對整個(gè)過程進(jìn)行監(jiān)控和驗(yàn)證。

我國對于電動(dòng)汽車的發(fā)展高度重視，并且各地政府也相繼制定了一系列的政策。然而，如果要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的大規(guī)模普及，還有很長的一段路要走，還有很多的問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。包括很多發(fā)達(dá)國家的政府和大部分的著名汽車制造商以及研究機(jī)構(gòu)都在致力于電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)及其應(yīng)用，力圖使其成為新時(shí)代汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流。對于電池系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的管理控制，是目前對于電動(dòng)汽車所實(shí)施的主要因素之一，并且這一問題已經(jīng)得到了比較好的解決，很多國外的汽車制造商都紛紛推出了自己的電動(dòng)車系列，一個(gè)蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車市場正在興起。

截至目前，我們可以預(yù)測到，電動(dòng)汽車將是未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。而目前整個(gè)電動(dòng)汽車系統(tǒng)比較龐大且價(jià)格偏高。對于整個(gè)系統(tǒng)而言，對電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的增加刻不容緩。電動(dòng)汽車的主要核心技術(shù)就是將能量進(jìn)行互相的轉(zhuǎn)換，而現(xiàn)在的主要問題是對于電池技術(shù)的突破與創(chuàng)新以及對于電池管理方面需要一個(gè)大的提升。因?yàn)槁窙r、工藝以及線束方面的原因，電動(dòng)汽車比較薄弱的環(huán)節(jié)主要是動(dòng)力電池組，這也是發(fā)生危險(xiǎn)的重中之重。

1 單體電池信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

純電動(dòng)汽車的三大核心部件是電池、電控和電機(jī)。因此，我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，既需要對它們進(jìn)行緊密的連接，也需要各自進(jìn)行優(yōu)化升級。純電動(dòng)汽車需要更長的電池壽命、更高的穩(wěn)定性和更可靠的故障報(bào)警，這對鋰電池控制器管理這些電池組提出了很高的要求。其中單電池信息采集系統(tǒng)是LBC的核心功能。

1.1 單體電池信息采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)電池組的分組結(jié)構(gòu)，鋰離子電池的控制器有兩種類型，一種是分布式，一種是集中式。其中依靠主控模塊以及多個(gè)測控模塊的是分布式控制系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)適合于電池組分布區(qū)域比較多的環(huán)境。集中式主要是對于電池組的一體化的結(jié)構(gòu)，這可以實(shí)現(xiàn)其對溫度、電壓之間的測量與管控。這一結(jié)構(gòu)可以很好地限制其采集線束的長路途的連接，具有成本低、集成度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，適合電池空間相對集中的環(huán)境。

在純電動(dòng)汽車發(fā)展之初，有很大一部分的汽車廠商都在對之前傳統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝。但是因?yàn)閯?dòng)力電池組的質(zhì)量和體積很龐大，而且由于整個(gè)車的平衡以及其穩(wěn)定性能要求，電池組分為兩個(gè)，所放的位置也不同，一個(gè)放置在座位下側(cè)，另外一個(gè)放置于后備箱中。以電池組的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，鋰離子電池的控制器還需要將電池組的結(jié)構(gòu)分為單體信息采集模塊和分散式設(shè)計(jì)模塊。

總的來說，集成的電池組結(jié)構(gòu)可以提高車輛的安全性和穩(wěn)定性。本篇文章對于電動(dòng)汽車的單體電池信息采集系統(tǒng)是在電池組集成的基礎(chǔ)之上，使用集成式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 單體電池信息采集系統(tǒng)的功能分析

限制電動(dòng)汽車的發(fā)展以及對其宣傳力度進(jìn)行約束的主要原因是其電池技術(shù)。因?yàn)楸M管其里面攜帶的鋰離子電池含有密度比較高的能量，使其成為電動(dòng)汽車的理想電源，但是使用鋰離子電池的成本較高。在電動(dòng)汽車的推行之中，其中電池組的費(fèi)用大概占其的一半以上。因此，我們必須采取相關(guān)的措施對于電池的成本進(jìn)行嚴(yán)格的管控，達(dá)到電池組使用時(shí)間延長的目的，從而使得電動(dòng)汽車的總成本得到一定的降低。除此以外，鋰離子電池的功能比較強(qiáng)大，比如對于車輛的安全實(shí)施以及對于其充放電的優(yōu)化都有一定的影響作用。鋰離子電池的首要任務(wù)就是需要保障動(dòng)力電池組能夠有效且可靠的運(yùn)行下去。

依據(jù)以上研究內(nèi)容可知，鋰離子電池控制器的功能如：對單體的電池信息進(jìn)行采集和處理；并且能夠?qū)ζ涓鱾€(gè)參數(shù)進(jìn)行匯總和處理記錄；根據(jù)其實(shí)時(shí)匯報(bào)的信息情況可以充分的保障其充放電，對電池組的管理情況有了進(jìn)一步的成效。不要對其充電或者放電的時(shí)間過長，否則會(huì)造成不可逆的損害；依據(jù)對于已知的電池溫度信息，對其溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并使電池組的溫度一直處于離子的活性高的處境之中。

1.3 單體電池信息采集的優(yōu)勢與缺點(diǎn)

目前，新能源汽車的主要問題就在于電池技術(shù)的提升。雖然電池的比能量普遍較高，同時(shí)對于環(huán)境的污染很小，但是電池的穩(wěn)定性和安全性還有待提升。增加單體電池信息采集系統(tǒng)能夠時(shí)刻檢測電動(dòng)汽車電池的狀態(tài)。使用者可以根據(jù)信息采集得到的數(shù)據(jù)對電池采取不同的保護(hù)措施。由于鋰電池的效率會(huì)受溫度的影響，所以使用者可以根據(jù)信息采集提供的數(shù)據(jù)采取一定的措施使電池始終處于一個(gè)高效率的狀態(tài)。這樣電池的使用壽命可以增加，同時(shí)因電池高溫導(dǎo)致起火的現(xiàn)象也會(huì)得到改善。另外，單體電池信息采集能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池的故障，有助于電池的維修與保養(yǎng)工作的進(jìn)行。

部分單體電池信息采集系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、故障率高、成本較高以及安全性較差等問題。布線復(fù)雜是為了更好的檢測電池組的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然而故障頻發(fā)、安全性差都與布線的復(fù)雜程度有很大關(guān)系。如何在確保數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確性的前提之下減少布線的復(fù)雜程度，提升穩(wěn)定性是當(dāng)前單體電池信息采集系統(tǒng)發(fā)展面臨的重要問題。單體電池信息采集系統(tǒng)的成本高將會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車的生產(chǎn)成本提高，然而如果產(chǎn)品超出了大部分使用者的消費(fèi)能力，那么其銷售量將會(huì)下降。電動(dòng)汽車的推廣也會(huì)遇到困難。

2 單體電池信息采集系統(tǒng)故障診斷

電動(dòng)汽車的安全性至關(guān)重要。蓄電池系統(tǒng)不僅為車輛提供電源，也可能成為其嚴(yán)重的安全隱患，因此需要考慮蓄電池系統(tǒng)的安全性。電池故障診斷的前提是鋰離子單體電池狀態(tài)信息的采集。根據(jù)采集到的狀態(tài)信息，進(jìn)行故障預(yù)警和故障處理。在該系統(tǒng)中，單體電壓采集、電池均衡、總電壓的采集以及對于電池溫度方面的設(shè)定都是以單體的電壓系統(tǒng)作為基礎(chǔ)的，也就是說單體電池的信息采集系統(tǒng)是故障診斷的主要內(nèi)容。

對于故障問題進(jìn)行檢測和維修這一功能不僅要靠理論還要靠實(shí)踐以及信息和其他技術(shù)相結(jié)合。其主要技術(shù)手段是以現(xiàn)代的測試儀器和計(jì)算機(jī)為主，然后綜合其檢測對象的規(guī)律性，逐漸的對其形成一種比較新的學(xué)科。故障診斷方法是在現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程中逐步發(fā)展和完善的。早在上世紀(jì)中葉，歐美等國家就在航空航天、重型機(jī)械等相關(guān)領(lǐng)域建立了故障預(yù)防機(jī)制。隨著故障診斷技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益越來越明顯，在汽車等安全、精密行業(yè)故障診斷技術(shù)也得到了重視和發(fā)展。

汽車的主要問題是指汽車的少許部件或者全部部件已經(jīng)完全不能正常工作的一個(gè)問題。對車輛進(jìn)行維修檢測是指對于汽車不進(jìn)行零部件的拆卸，通過技術(shù)手段對汽車進(jìn)行檢測、分析和判斷，從而找出汽車出現(xiàn)問題的根源，找出解決的辦法。對于汽車維修情況主要是對其維修原理、理論研究以及方法方面進(jìn)行分析思考的一個(gè)過程。其中包括車輛物理方面的診斷、數(shù)學(xué)方面的診斷檢測以及其他學(xué)科的重要診斷技術(shù)。對于汽車的故障一般情況下將其分為兩個(gè)方面：一個(gè)是對于汽車的電氣方面進(jìn)行維修，另外一個(gè)是對于汽車的機(jī)械方面進(jìn)行維修。這兩個(gè)方面都有其理論研究的方法。由于我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代汽車行業(yè)也得到了很快的發(fā)展，因此為了方便其維修工作，對于汽車的控制方面，需要對其診斷的功能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，比如車載的診斷功能。這個(gè)功能可以自動(dòng)診斷出發(fā)生故障的原因，并且可以將這一故障的數(shù)據(jù)放于儲存器中儲存起來，然后采用專門的檢修儀器，這樣可以極為方便的對系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及需要維修的部位做出檢測并給出結(jié)果。

對于電動(dòng)汽車的故障進(jìn)行維修與檢測是一項(xiàng)比較綜合性的技術(shù)工作，它主要是依靠其理論性以及系統(tǒng)性為基礎(chǔ)的，其主要的技術(shù)方式是現(xiàn)代的測試方案。綜合考慮研究的對象以及其發(fā)展的性能規(guī)律，從而形成的一個(gè)比較新型的學(xué)科。對于電動(dòng)汽車故障診斷方案在我國目前的研究領(lǐng)域中正在逐步的發(fā)展中。目前，我國對于電動(dòng)汽車故障的預(yù)防效果越來越好，所帶來的經(jīng)濟(jì)情況日益明顯，這種診斷方式在汽車的安全以及精密領(lǐng)域都得到了高度的重視與發(fā)展。

3 單體電池信息采集系統(tǒng)故障診斷種類及分析

3.1 診斷的技術(shù)

由于我國近幾年在互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)以及人工智能方面的技術(shù)都得到了空前的發(fā)展，電動(dòng)汽車存在的技術(shù)問題也在不斷地被改善。依照德國F教授所說，對于其故障診斷的方法可以被分為三種：解析模型法、信號處理法、知識推理法。目前，由于我國在這方面的理論研究和相關(guān)研究領(lǐng)域的深入，很多新的研究方法也應(yīng)運(yùn)而生，先前的很多診斷法已經(jīng)不能得到良好的診斷了。因此，本篇文章結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)綜述對診斷的方法重新進(jìn)行了分類：定性與定量的分析法。

3.2 對于電動(dòng)汽車故障的分類

電動(dòng)汽車出現(xiàn)故障性的問題分為部分故障和完全故障。部分故障是指汽車某部分零件損壞，導(dǎo)致其不能進(jìn)行工作；完全故障是指汽車已經(jīng)完全不能進(jìn)行工作。對于汽車的診斷指：不拆開其零件的情況下，采用相關(guān)的儀器以及技術(shù)方法對汽車的狀況以及其故障的原因進(jìn)行簡單的維修與判斷操作。由于我國汽車行業(yè)發(fā)展的比較迅速，因此為了方便人們進(jìn)行維修，一般汽車上面的控制器之中，都會(huì)有自動(dòng)進(jìn)行故障檢測的功能。這個(gè)功能可以自行的進(jìn)行故障檢測，然后將故障代碼輸入其零件之中，再采用相關(guān)的儀器進(jìn)行測試，就可以比較方便的對系統(tǒng)的狀態(tài)以及發(fā)生故障的部位進(jìn)行檢測。

3.3 電動(dòng)汽車單體電池信息采集對其故障的分析

故障的分析分為兩種，一種是定性的分析，一種是定量的分析。從定性的分析考慮，主要是對電動(dòng)汽車單體電池信息的采集系統(tǒng)之中產(chǎn)生的故障機(jī)理進(jìn)行分析研究，然后以系統(tǒng)故障狀態(tài)為起點(diǎn)，依次進(jìn)行分析，分析故障產(chǎn)生的原因，然后依據(jù)其失效的模式進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出與故障相關(guān)的措施。

根據(jù)市場上對于電池管理系統(tǒng)、鋰離子電池的控制器在運(yùn)行過程中所出現(xiàn)的問題，本篇文章對于單體電池信息采集系統(tǒng)的主要故障進(jìn)行了相關(guān)的分析。動(dòng)力電池的故障機(jī)理有兩個(gè)原因：分別與單體電池和電池組有關(guān)。單體電池發(fā)生危害的主要原因是由于鋰離子電池在使用的過程之中，會(huì)發(fā)生損傷，比較嚴(yán)重的情況下會(huì)發(fā)生爆炸危害。電池組的原因是，電動(dòng)汽車的電池組是很多的單體電池進(jìn)行串聯(lián)而組成的，所以只要單體電池之間的充電和放電不一樣，那么就會(huì)導(dǎo)致電池組之間會(huì)發(fā)生不一致的現(xiàn)象，所以為了阻止電池之間發(fā)生過量的充電放電或者少量的充電放電等情況，系統(tǒng)需要設(shè)置一個(gè)參數(shù)范圍，防止這種現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)束語

本文在研究電動(dòng)汽車功能安全和鋰離子電池信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對電動(dòng)汽車電池信息采集系統(tǒng)的功能需求、故障產(chǎn)生機(jī)理、故障診斷原理和故障測試方法進(jìn)行了深入的分析和研究。為了提高鋰離子電池控制器的工作可靠性和功能安全性，我們采用了世界上最高安全級別的單體電池電壓采集方案。在電池組的溫度檢測和總電壓檢測方面，采用了一種新的解決方案，這樣對于我國電動(dòng)汽車硬件設(shè)施的利用得到很大提升，并且還有助于成本的降低。