黃關(guān)山

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 珠海 519070）

21 世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，隨著不可再生能源的消耗越來(lái)越大，人們對(duì)新型可再生能源的需求也越來(lái)越高。電力是一種典型的可再生能源，它是一種潔凈的能源。在全球范圍內(nèi)，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家，燃料車的數(shù)量日益增加，造成了越來(lái)越多的汽車尾氣排放。所以，用電作為動(dòng)力的新能源汽車已經(jīng)成為未來(lái)的發(fā)展方向。新能源汽車最大的優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)環(huán)境的保護(hù)，以及對(duì)環(huán)境的依賴性，可以減少對(duì)環(huán)境的污染，但是它的缺點(diǎn)就是需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而且需要大量的電池。

1 新能源汽車動(dòng)力電池關(guān)鍵技術(shù)分析

在新能源汽車的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，涉及許多技術(shù)問題。傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用都是以模塊化的方式來(lái)劃分，所以在檢測(cè)、估算、均衡等模塊相對(duì)較為重要的時(shí)候，重點(diǎn)是工作參數(shù)檢測(cè)、SOC 算法、均衡控制等。

1.1 工作參數(shù)檢測(cè)

為了保證系統(tǒng)的正常工作，必須設(shè)定多個(gè)參數(shù)。（1）蓄電池的電壓；（2）工作電流；（3）溫度等。

一般在對(duì)這類工作參數(shù)進(jìn)行具體檢測(cè)時(shí)，往往側(cè)重于數(shù)據(jù)的收集和分析，以便通過數(shù)據(jù)管理來(lái)預(yù)測(cè)其運(yùn)行狀況。比如，在測(cè)量上述工作參數(shù)時(shí)，必須首先采集單元的電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行分析；對(duì)蓄電池工作狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。又比如，在電力系統(tǒng)中，要準(zhǔn)確地獲取和分析單體電池的電壓，就必須對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的估計(jì)。

1.2 SOC 算法

在計(jì)算動(dòng)力電池SOC 的初始值時(shí)，通常采用靜態(tài)學(xué)習(xí)的方法來(lái)確定剩余電量（靜態(tài)的自學(xué)習(xí)）、動(dòng)態(tài)電流的測(cè)量、SOC 的擴(kuò)展卡爾曼濾波器。據(jù)相關(guān)實(shí)踐結(jié)果表明，在 SOC 初始數(shù)值的基礎(chǔ)上，使用靜態(tài)自學(xué)習(xí)算法，要得到更準(zhǔn)確的電力需求，必須有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。另外，還要求電腦能夠?qū)π铍姵氐碾妷杭皟啥说臏囟冗M(jìn)行有效的監(jiān)控與聯(lián)系。在實(shí)踐中，卡爾曼濾波器的線性化是因?yàn)槭褂玫姆匠潭际欠蔷€性的。并將估計(jì)值和誤差協(xié)方差矩陣結(jié)合起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)SOC 估計(jì)的標(biāo)定。

1.3 均衡控制

在新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，平衡控制是最難解決的問題之一，如果采用不當(dāng)?shù)钠胶饪刂撇呗裕坏珶o(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理目的；還會(huì)導(dǎo)致管理體系的運(yùn)行偏離，產(chǎn)生管理上的漏洞。從電池的總體性能來(lái)看，這和“木桶弱點(diǎn)”有異曲同工之妙，綜合性能好壞，取決于電池的性能。因此，在使用過程中，如果電池在使用中的狀態(tài)不一致，就會(huì)導(dǎo)致過充放電，導(dǎo)致整個(gè)電池組的工作性能下降，縮短了電池組的使用壽命。從這類系統(tǒng)的平衡控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，要把控制的重心放在整體的電池上。

2 新能源汽車動(dòng)力電池管理內(nèi)容

2.1 電池測(cè)試驗(yàn)證

在電池生產(chǎn)中，應(yīng)依據(jù)電池的特性、工藝特點(diǎn)以及國(guó)家有關(guān)規(guī)范，合理選擇和應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，避免由于電池的安全標(biāo)準(zhǔn)單一而造成的問題；要使這些方法的價(jià)值效果得到充分發(fā)揮。在這一背景下，要從國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，結(jié)合我國(guó)的工作特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的檢驗(yàn)與驗(yàn)證，從而提高工作質(zhì)量。另外，常規(guī)的電池制造方法存在單一化的缺陷，缺乏科學(xué)的探測(cè)手段，在電池組開啟后，冷卻管路將會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，以降低電池組的溫度。另外，為了準(zhǔn)確地獲取電池的溫度、電壓等信息，還必須在機(jī)箱的前端設(shè)置一條CAN 總線。

2.2 充電安全管理

為了加強(qiáng)對(duì)蓄電池的安全管理，必須持續(xù)改進(jìn)管理方式，加強(qiáng)對(duì)蓄電池使用的規(guī)范指導(dǎo)，并對(duì)用戶進(jìn)行相關(guān)的安全培訓(xùn)，把充電注意事項(xiàng)，充電操作要求等列為重點(diǎn)，并提醒用戶不要私自更換電池。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)電池維護(hù)、故障排查等方面的指導(dǎo)，讓用戶認(rèn)識(shí)到存在的安全問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。當(dāng)出現(xiàn)底盤刮傷、遭遇強(qiáng)烈撞擊、被雨水浸泡時(shí)，應(yīng)及時(shí)通知用戶到鄰近的網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行檢查和修理，并指導(dǎo)用戶正確地發(fā)現(xiàn)充電時(shí)存在的安全隱患，并加大控制力度,確保安全使用電池。強(qiáng)化充電樁、充電系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，確保符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 電池報(bào)廢與更換

為了防止電池在使用中出現(xiàn)老化、損壞等問題，對(duì)電池的安全性能造成一定的影響，相關(guān)單位要加強(qiáng)對(duì)電池的報(bào)廢管理和更換，以消除安全隱患。有關(guān)的電池，如不適宜再用，應(yīng)立即回收，當(dāng)電池的使用性能下降30%或更多時(shí)，可采取梯次使用的形式，將其拆卸，再利用到街燈上，既可防止新能源汽車的電池安全問題，而且還可以有效降低資源的損耗。在提高節(jié)能效益的前提下，應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性原則，對(duì)廢棄電池進(jìn)行合理回收利用，并對(duì)重金屬進(jìn)行特殊處理，以減少對(duì)環(huán)境的污染。

3 新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前，在新能源汽車上，有三元電池、磷酸鐵鋰、鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池等，在裝運(yùn)過程中，大多數(shù)的動(dòng)力電池都是用串聯(lián)的方式組成。要想有效延長(zhǎng)汽車電池的使用壽命，就需要使電池組的容量進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)還要嚴(yán)格控制電池的電壓和溫度。超過標(biāo)準(zhǔn)值后，將直接影響電池的工作性能和使用壽命。因此，在研制和開發(fā)這類電力電池管理系統(tǒng)時(shí)，必須對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并依據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。通過測(cè)量獲得的運(yùn)行參數(shù)，可以估計(jì)整個(gè)電池的SOC 負(fù)載，從而精確地計(jì)算出剩余電量。同時(shí)，通過建立了一個(gè)參數(shù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)電池的工作狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)控。尤其是在蓄電池的輸送方面，采用CANBUS 技術(shù)，能夠?qū)⑿铍姵乜刂茊卧男畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)的傳遞，使各單元之間能夠保持良好的動(dòng)態(tài)連接。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）在檢測(cè)電路中，采用了通用的、易于編程的單片機(jī)作為檢測(cè)電路，利用“通訊、充電、放電”的方法組成了一套檢測(cè)電路。由于整個(gè)電池組的電壓都超過了上百伏特，所以可以利用電阻分壓方法來(lái)實(shí)現(xiàn)單元的電壓檢測(cè)。

（2）利用電流時(shí)間積分方法對(duì)系統(tǒng)的剩余電量進(jìn)行估計(jì)。為保證這種方法的應(yīng)用，必須對(duì)電流充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)。電流數(shù)據(jù)的采集過程包括：①選擇采集電阻；②對(duì)充電/放電電流進(jìn)行變換；③獲取電壓數(shù)據(jù)；④向MCU 內(nèi)部接口傳送數(shù)據(jù)。由于電池組在采集電流時(shí)會(huì)有一些危險(xiǎn)，所以為了保證其安全性，必須對(duì)電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和檢測(cè)。它可以直接安裝在電池的表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控。在連接上，主要采用數(shù)據(jù)線路，將單線傳感器和微處理器相連，保證了雙向通信的通暢。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)溫度在-70 ～140℃的變化規(guī)律，選用Pt100 型溫敏元件。

（3）在電池的管理方式上，按照預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)方案，采用分布式方式，檢測(cè)各種工作參數(shù)，評(píng)估SOC，對(duì)過量排放進(jìn)行有效的管理。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：①主要由全車通信、蓄電池管理、主機(jī)串行接口組成；CAN 全部連接到控制臺(tái)總成。②將主面板組件的獨(dú)立函數(shù)和采集面板組件的獨(dú)立的功能結(jié)合起來(lái)，使得在主/從配置的管理方式下，利用采集面板的模塊來(lái)完成單元的工作，并完成電流采集、數(shù)據(jù)分析以及 SOC 估計(jì)。③將兩者結(jié)合起來(lái)，利用 CAN 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了電池控制模塊、主控板模塊和上位機(jī)通訊模塊的完全互聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，建立了以電池組件-傳感器-數(shù)據(jù)采集板-主控板-PC通訊-HMI 接口-主從分配管理方案。

在采集電路時(shí)，應(yīng)注意防止外界環(huán)境的干擾，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要，選用CHB-200SF 霍爾電流傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電流的集中采集。在具體的設(shè)計(jì)中，采用了“電磁感應(yīng)”的方法，通過電源線將電流傳感器的電流輸出。蓄電池在安裝后，需要配備相應(yīng)的備用電源，一般采用這種電源時(shí)，其電壓主要是12V。本論文首先設(shè)定了5V 工作時(shí)的MCU 芯片，3.3V/5V 的隔離芯片，并在此基礎(chǔ)上提供了一種用于保證電源電壓穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換芯片。主要包括以下三大類：（1）為適應(yīng)絕緣片轉(zhuǎn)換需求而設(shè)計(jì)的TPS73233 低壓穩(wěn)壓器；（2）采用LM2596 型調(diào)制解調(diào)器，可以對(duì) MCU 進(jìn)行芯片轉(zhuǎn)換；（3）LM2574 型電壓調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的輸出（-12V）。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

以電池組模塊化控制為例，著重于新能源電動(dòng)車的動(dòng)力特性，以及與電池管理系統(tǒng)的預(yù)置方式的一致性判定。在預(yù)測(cè)值與實(shí)際值不符的情況下，可以根據(jù)繼電器的動(dòng)作進(jìn)行合理的調(diào)整，在串并聯(lián)方式下進(jìn)行電池的安全操作。在具體的設(shè)計(jì)中，使用了CodeWarriorv8.3，它既可以實(shí)現(xiàn)程序的編譯，又可以自動(dòng)地識(shí)別代碼的錯(cuò)誤，從而大大地提高了程序的工作效率。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程主要由以下幾個(gè)步驟組成：新項(xiàng)目-代碼編寫（初始化、主程序、中斷程序）；（每個(gè)子程序）-編譯（自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)誤代碼）-下載至目標(biāo)板-運(yùn)行程序-調(diào)試（當(dāng)不符合時(shí)返回代碼編寫）-軟件設(shè)計(jì)。因?yàn)楦鱾€(gè)模塊都是集成的，所以在編寫特定的程序時(shí)，可以利用軟件中的數(shù)字/模擬、PWM 輸出、Capture 計(jì)數(shù)等功能，從而大大簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了軟件的開發(fā)速度，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，保證了編程的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)新能源汽車的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)電池管理系統(tǒng)，對(duì)于新能源汽車的安全駕駛以及此行業(yè)的健康發(fā)展具有十分重要的意義。為了解決新能源汽車以往存在的續(xù)航里程短、研發(fā)成本高等問題，設(shè)計(jì)人員需要依據(jù)行業(yè)發(fā)展需求，不斷完善新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)。根據(jù)上述的初步分析，一方面，在研發(fā)新材料、新技術(shù)、新方法的同時(shí)，要對(duì)新材料、新技術(shù)、新方法進(jìn)行科學(xué)、合理的應(yīng)用，以達(dá)到更好的應(yīng)用效果。另一方面，要按照目前在實(shí)際工作中建立的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)流程，從工作原理、關(guān)鍵技術(shù)、方案研發(fā)等方面進(jìn)行，在硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了具體的實(shí)施，以提高開發(fā)效率和設(shè)計(jì)水平?？傊訌?qiáng)對(duì)電池安全問題的重視，積極采取相應(yīng)的技術(shù)措施將電池安全問題徹底消除，促進(jìn)新能源電動(dòng)汽車行業(yè)的健康發(fā)展。