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智能汽车中应用嵌入式锂离子电池管理系统的意义

2020-07-10 225 上传者：管理员

摘要：基于嵌入式锂离子电池管理系统在新能源智能汽车中的应用,分析了锂离子电池的选型、电池管理系统的开发要点、硬件和软件系统的实现与验证,以及系统的设计与实现。

关键词：
嵌入式
智能汽车
汽车工业
电池管理系统
锂离子电池
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锂离子电池因其功率密度高、循环次数高、成本低等优势,成为新能源智能汽车动力系统的主流选择。电池管理系统关系到整车动力性、经济性等关键性能[1,2],是新能源智能汽车研发的核心技术,电池管理系统的开发与应用成为研发的重中之重。

1、锂离子电池选型

主流的新能源智能汽车多采用动力电池作为能量来源,电池性能直接关系到汽车续航里程、加速性能、安全性能等关键性能,动力电池的选择必须满足高比能量、高比功率、安全可靠、使用寿命长、充电技术成熟和经济性等要求。锂离子电池和其他储能电池相比,能量密度大、输出电压高、无记忆效益,使用寿命更长,工作温度范围更广,绿色环保,经济耐用,在各个行业领域得到了广泛的应用。在锂离子电池中,根据正极材料不同可以分为磷酸铁锂电池、铬酸铁锂电池和三元锂电池等,不同类型锂电池在能量密度、适宜工作范围、使用寿命、安全性能等方面各有优劣。目前,三元锂电池是目前理想的动力电池,拥有更高的能量密度和更长的使用寿命。

2、锂离子电池管理系统的开发要点

智能汽车中锂离子电池管理系统的应用,需要满足功能和安全等方面的需求,不仅要有利于汽车性能更加优越,还要确保汽车的安全运行。因此,电池管理系统的应用需要做好以下工作。

(1) 数据采集

电池管理系统对单体电池和电池箱、电池组的各项数据信息进行采集,作为电池管理系统实施控制策略的主要依据。采集的数据信息包括电压、温度、绝缘电阻等,为状态分析、控制和保护提供准确的数据支持。

(2) SOC估算

SOC估算可以了解电池的剩余电量情况,是电池管理系统的核心技术之一,一般采用安时积分法、神经网络法等算法。

安时积分法通过对充放电电流进行时间的积分来估算电量,不考虑电池化学反应,应用中电流受外界环境影响会出现较大波动,因此估算误差较大,且误差会不断积累增加;神经网络法模拟人脑神经元处理非线性系统,可以模拟锂电池的非线性特性,自适应性较强,但需要大量样本数据训练系统来降低估算误差;卡尔曼滤波算法建立状态方程描述动态系统,可以对复杂动态系统的状态做最优估计,适用于线性系统,然而锂电池是高度非线性系统,可以采用衍生的扩展卡尔曼滤波算法进行SOC估算,融合安时积分法等多种算法,使用安时积分法修正环境温度等因素,降低估算误差。

(3) 安全保护

安全保护对于维持电池管理系统乃至整车安全稳定运行至关重要,当发生过压、欠压、超温、过流、高压互锁异常等故障问题时,能够及时采取有效的保护措施。根据故障发生的严重程度,分别采取限制功率、下电等针对措施,确保电池系统安全运行。例如在高温环境下,电池系统充放电时,管理系统会搜集并分析电芯表面、液冷进出接口等温度数据,开启液冷系统进行散热,避免温度过高而出现安全事故。

(4) 能量管理

电池管理系统可以对充电、放电等操作进行管理。充电时,根据电池系统电芯温度和充电功率等参数,确定最大允许充电电流,按照适配的电压、电流和充电方法进行充电,并估算充电时间。放电时,根据采集的温度、放电功率等参数,调整放电功率完成放电。

同时,为了减小单体电压的压差,保持电芯放电一致性,充分利用储存的能量,可以采取主动或被动均衡管理措施。其中,主动均衡是将电压高的单体能量转移到低电压的单体电池中,被动均衡是在高电压的单体处并联电阻来消耗部分能量,达到均衡要求。虽然被动均衡电路简单,但耗能高、发热量大,而主动均衡电路复杂,耗能少、发热量少,二者各有优劣。

(5) 数据通信

电池管理系统需要将搜集到的电压、温度、电流、故障信息等数据上报给整车,显示在仪表中,通过分析故障信息采取保护和控制措施,点亮故障灯,并存储数据信息。

(6) 故障管理

根据电池系统电芯参数、系统功能等制定故障阈值表,明确故障阈值、检测时间、响应时间、保护措施等信息,对电池系统进行保护。根据故障严重程度划分故障等级,并具有UDS故障诊断功能,与整车诊断服务系统相连,方便测试检修人员排查诊断故障。

3、电池管理系统的应用设计与实现

智能汽车锂离子电池管理系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面,具体设计方法分析如下。

(1) 硬件设计

电池管理系统硬件结构包括锂离子电池组、主控模块、信息采集模块、电源供电模块等设备。例如,信息采集监控模块负责采集电压、电流、温度等电池信息,包括电压温度信息采集和电流采集模块。其中,电流采集有霍尔电流传感器和分流器两种方案,霍尔电流传感器利用霍尔闭环原理将被测电流转化为按比例跟随输出的电流或电压进行测量,在成本、可靠性方面具有一定优势,可以隔离强电和弱电,建议采用霍尔电流传感器作为电流测量器件。

再如,通信模块的设计,需要满足信息采集周期大量电池信息的传输需要,可以将采集板通过SPI总线相连,主控制器和采集模块之间信息通信网络通过SPI总线的时钟、输入、输出三条线相连,主从芯片间共用此三路总线,主控制器通过片选信号分时选通各SPI接口,实现独立的数据通信,未通信的情况下信息存储在信号采集芯片中。在电池管理系统运行管理中,需要采用CAN通信方式,实现与外部设备的通信,将电池系统信息提供给整车控制器进行决策和控制。

(2) 软件设计

电池管理系统软件可以采用模块化程序设计,最底层为外围设备和工作电路组成的硬件环境;软件驱动层由CAD驱动文件、内存读写驱动文件等组成,负责提供软件控制的接口;操作系统层负责多任务和程序调度;应用程序层由信息采集、状态估算、显示、均衡控制等模块组成。软件架构可靠,可以进行功能扩展和模块化设计,满足智能汽车锂离子电池管理系统的需求。

软件系统运行时,从系统启动上电开始,先配置硬件接口,再初始化CAN总线驱动等驱动程序,最后初始化系统。完成初始化后,读取系统停机前的电池状态参数信息,再采集当前的系统状态信息,估算系统的荷电状态和健康状态参数,根据电池单体信息和温度信息等进行均衡管理及热管理。收集并分析电池信息后,传输并显示在显示屏上,与整车控制器通讯,整理故障状态、报警状态等信息,处理成功后程序进入下个执行周期。

(3) 系统的实现与验证

在完成电池管理系统设计后,需要检验系统的有效性,搭建试验平台,试验平台包括电池管理系统主控板、测控板、电池组、触摸屏等部件,用来测试电池管理系统的功能,确保各项指标满足设计要求。以电池管理系统的数据采集功能测试为例,验证电压采集精度包括电池组总电压和单体电压的验证,利用艾德克斯充放电测试系统测量电压值,与电池管理系统测量值对比,验证数据采集精度,确保采集精度符合设计要求。

4、结语

锂离子电池是智能汽车发展必不可少的重要组成部分,需要做好电池和电池管理系统的研发。随着5G、大数据、人工智能和元器件等技术的发展,电池管理系统可以根据运行数据、用户习惯、路况信息等进行电池状态估算,实时调整参数设置,更加方便、可靠的主动均衡技术将得到研发应用,提高智能汽车的安全、便捷、智能水平。

参考文献：

[1]汪官勇,余粟.基于STM32的锂电池管理系统设计[J].化工自动化及仪表,2018,45(11):890-892.

[2]周嫣.锂离子动力电池热管理系统的研究[J].电子测试,2020(08):77-79.

李菁.嵌入式锂离子电池管理系统在智能汽车的应用[J].集成电路应用,2020,37(07):120-121.