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新能源汽车动力电池管理系统的设计路径

  2022-06-02    上传者:管理员

摘要:随着生态文明思想的确立,我国进一步增强了对新能源的开发与管理,由此推动了新能源汽车行业的快速发展。由于新能源汽车动力电池研发设计方面的成本投入较大,动力电池本身的续航里程较短,阻碍了新能源汽车向高质量方向的转型升级,因而在新时期动力电池生产制造企业纷纷增强了动力电池管理系统开发工作。本文以此为背景,概述了新能源动力电池的工作原理,剖析了与其设计及使用相关的关键技术。并以此为基础,分别从方案设计、硬件设计、软件设计三个方面对其管理系统设计进行了具体讨论。

  • 关键词:
  • 动力电池
  • 新能源汽车
  • 电池系统
  • 管理系统
  • 金属材料
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从2012年我国国务院办公厅颁布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012~2020年)》至去年发布的符合《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范条件》企业名单位(第二批)看,我国动力电池的回收利用管理政策相对健全。为新能源汽车动力电池管理系统的研发设计提供了较好的政策支持。根据新能源汽车动力电池发展情况看,我国去年上半年新能源汽车销售总量累计达到了120.7万辆。同比增长201.4%,渗透率已经超过了12.8%。新能源汽车动力电池装车辆因累计52.5GW·h,其中,磷酸铁锂电池与三元电池的装车辆分别为22.3GW·h、30.2GW·h,同比增长42.3%、139.1%。因此,在高质量发展阶段,十分有必要结合其发展趋势,增强新能源汽车动力电池管理系统研发。下面先对其工作原理做出说明。


1、新能源汽车动力电池工作原理概述


从构成要素看,新能源汽车动力电池中以金属燃料为主,当使用金属铝时充电与放电之间的循环较难完成。现阶段应用了石墨烯材料,它不仅具有与锂离子相似的功能,而且能够透过该材料的层状结构达到对阴离子与阳离子的较好容纳。从工作原理上看,主要是在动力电池的正极选择泡沫石墨烯材料,在其负极正常应用四氯化铝金属材料。当电解液为负极阴离子时,能够于常温条件下,保障充放电的可逆性,从而实现充电与放电之间的高效循环,最终保障整个动力电池系统的安全稳定运行。


2、新能源汽车动力电池关键技术分析


在新能源汽车动力电池管理系统设计及使用过程中,牵涉到多项技术。由于常规的系统设计及使用时主要按照模块化处理方案,分设各个管理模块,因此,在检测模块、估算模块、均衡模块相对重要的情况下,其中比较关键的技术也集中到了工作参数检测、SOC算法、均衡控制等方面。分述如下:

2.1 工作参数检测

在动力电池管理系统运行时,需要设置多项参数保障系统正常工作。其中,主要包括:(1)电池电压;(2)工作电流;(3)温度等。通常在对此类工作参数进行具体检测时,往往集中在数据采集与分析方面,旨在借助数据管理达到对其所处状态的预判目的。例如,在对上述工作参数进行测量时,需要先完成对单体电池电压测量数据的采集,再通过对该数据的分析,预判动力电池所处的工作状态。再如,在荷电状态估算方面,只有对单体电池使用时的电压数据进行精准采集与有效分析,才能为其估算提供必要条件。

2.2 SOC算法

对动力电池SOC初始值进行计算时,一般会借助静态学习方式选择残余电量计算方法(静态自学习剩余功率算法),动态电流测量方法,以及在SOC算法方面选择扩展卡尔曼滤波法。实践经验表明,应用静态自学习剩余功率算法计算SOC初始值时,需要积累大量的实验数据才能得到相对精准的电池使用信息。同时,要求计算人员对电池电压值与电池两端温度信息进行有效控制与关联使用。由于运算时使用的公式属于非线性方程,因而在使用扩展卡尔曼滤波算法的实践过程中,计算人员还需要对其进行线性化处理并结合估算值与误差协方差矩阵完成对误差范围的估算,从而达到对SOC估算值的校准。

2.3 均衡控制

在新能源动力电池管理系统设计时,均衡控制一直是难点中的难点,当均衡控制策略失当时,不仅不能达到预期的系统管理目标,也会使管理系统性发挥偏差,出现管理漏洞。从整体电池组性能的使用情况看,与“木桶短板原理”十分相似,整体性能的优良与否,由最差的单体电池性能部分决定。因而,当单体电池性能使用时的状态出现不一致的情况时,会引发过度充放现象,从而降低整体电池组的使用性能,减少其使用寿命。从此类系统设计中的均衡控制经验看,需要将控制重点放在整体电池组上。


3、新能源汽车动力电池管理系统设计


3.1 方案设计

目前,我国新能源汽车动力电池种类相对较多,主要包括:(1)三元电池;(2)磷酸铁锂电池;(3)锂离子电池;(4)铅酸电池;(5)镍氢电池等,装车中的动力电池多由单体电池串联组合而成。随着电池使用时间的延长,单体电池与单体电池之间会形成一定的容量,并且,在电压与温度等方面发生较大差异,当其高于标准范围之后会对电池使用性能与寿命产生直接影响。所以,在此类动力电池管理系统研发设计过程中,需要对单体电池的工作参数进行检测,并根据检测结果合理控制工作参数等。本次研究中主要根据这种实际需求,构建了以单体电池、单片机核心电路、充放电控制、CAN-BUS为主要组成部分的系统架构,具体如下图1所示:

其中,工作参数检测主要集中在对单体电池1、单体电池2、……、单体电池n的温度检测与电压检测,以及充放电时的电流变化检测方面。并以检测获取的工作参数为依据,对整体电池组中的SOC荷电进行估算,从而对剩余电量做出精准计算。同时,通过动力电池管理系统中的参数信息库,可以对工作状态实施有效控制。尤其在传输电池状态方面通过对CAN-BUS的运用,能够将动力电池单片机控制单元中的数据实时传输到,车辆总控单元、电机控制单元,保障各单元之间的动态关联。

3.2 硬件设计

在硬件设计方面,考虑到动力电池管理系统物理层面的实际需求,设置了检测电路、采集电路、转换电路。其中检测电路又与电量估算、管理方式进行同步设置。分述如下:

3.2.1 检测电路

首先,在检测电路方面,控制芯片选择了常用且容易进行编程操作的单片机,从而借助“通信电路+充放电电路”构成检测电路控制系统。考虑到整体电池组电压在上百伏特以上的因素,能够借助电阻分压办法,在该检测电路控制系统下完成对单体电池电压的检测。

其次,在该系统估算剩余电荷量方面,选择了电流时间积分法。为了保障该方法获得有效运用,需要满足电流充放电数值的实时监测与检验目标。电流数据采集工作流程如下:(1)确定采集电阻;(2)转换充放电电流;(3)获得电压数据;(4)数据传输到单片机内接口。由于电流采集时电池组存在一定的风险,因而在保障其安全方面,应对单体电池实时温度进行监测与检验,本次研究中配置了电池温度传感器,将其直接安装在单体电池表面,以此达到对实时温度的有效监测。具体连接方面,主要通过数据线,将传感器单线接口与微处理器连接起来,并保障双向通讯功能的畅通。考虑到从零下70℃~140℃之间电阻值随温度升高而增加的基本情况后,选择了Pt100温度传感器。反复实验后的温度与电阻值对照表如下表1所示。

第三,在整体电池组的管理形式选择方面,根据预设的设计方案选择了分布式形式,根据主从分布的结构形式对各类工作参数进行检测、SOC值估算、过度充放电现象控制等。具体设置方面:(1)主要是将整车通信系统、电池管理系统、上位机串口、CAN接口等全部连接到控制板模块。(2)将主控板模块独立功能、采集板模块独立功能关联起来,这样能够在主从分布管理方案下,通过采集板模块完成单体电池工作参数检测,同时利用主控制板模块完成电流采集、数据分析、SOC估算。(3)在二者联合功能下,借助对CAN网络的运用,使动力电池控制模块、主控板模块、上位机通信模块实现全面连接。并形成以“电池组—传感器—采集板模块—主控板模块—上位机通信模块—人机交互界面模块”为基本环节的主从分布管理方案。

3.2.2 采集电路

在采集电路方面重点要预防外部环境产生的干扰现象,本次研究中考虑到隔离方案下采集电路的复杂性问题,结合实际情况选择了CHB-200SF霍尔电流传感器,用于对系统电流的集中采集。具体设计中,主要结合“电磁感应”原理,在电流传感器内部穿过电源线,从而得到电流值。

3.2.3 转换电路

动力电池组设置后要求配置配套的辅助电源,通常使用此类电源时的电压以12V为主。为了保障该电压能够顺利转换到不同的供电模块,本次研究中首先设置了工作时供电电压为5V的MCU芯片、3.3V/5V的隔离芯片,以及保障电压获得时的转换芯片。其中,转换芯片共分为三类:(1)TPS73233低压稳定芯片满足隔离芯片转换需求;(2)LM2596稳压芯片满足MCU芯片转换需求;(3)LM2574稳压芯片满足电流采集电路供电电压需求(±12V)。

3.3 软件设计

在控制策略方面,本次研究中设计的系统,以主从分布控制为主,除主控制模块外,其余的分控制模块包括:(1)采集模块;(2)电池组模块;(3)故障记录模块;(4)充放电控制模块;(5)SOC算法模块;(6)人机交互模块等。在该方案下主要是通过主控制模块控制(1)~(6)中的模块。

以电池组模块控制为例,控制时的重点放在新能源电动汽车动态状态,与电池管理系统预设模式的一致性判断方面,其中的核心集中在汽车运动速度上。当预判结果显示为不一致时,则可以通过管理继电器发出的动作,合理的将电池组控制在串并联模式下使其处于安全运行状态。具体设计时采用CodeWarriorv8.3软件,不仅满足语言编译,也能够对代码错误进行自动识别,提高编程效率。系统软件设计流程主要包括如下步骤:新建工程—代码编写(系统程序初始化、主程序、中断程序、各子程序)—编译(自动识别错误代码后返回)—下载到目标板—程序运行—调试(不满足要求时返回代码编写)—软件设计完成。由于每个具体模块采用了一体化封装,因而在具体的程序编写时,可以借助该软件中的数/模转换功能、PWM输出功能、Capture计数功能等,使软件系统获得简化,进而提高软件系统设计效率,并在节省编程时间的情况下,保障编程质量。CodeWarriorv8.3软件开发环境如下图2所示。


4、结语


总之,新能源汽车中的动力电池管理系统,在车辆能源供给、安全使用、高效运行等方面,均发挥着重大作用,为了化解续航里程短、研发成本高的实际问题,在新时期应充分结合高质量发展需求,增强对该系统的研发设计能力。通过以上初步分析可以看出,在实践过程中,一方面应结合新材料、新技术、新方法,科学合理的构建与有利于解决上述问题,提高新能源汽车动力电池使用效用的设计方案。另一方面则需要根据现阶段实践中已经确立的标准研究程序,从工作原理、关键技术、方案研发、硬件设计、软件设计等环节,开展具体实践,从而提高此类管理系统的研发效率与设计水平。


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文章来源:吴丹.新能源汽车动力电池管理系统研究[J].时代汽车,2022,(11):109-111.

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