电池管理系统设计分析

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新能源汽车具有运行高效稳定以及结构简单等优势。但是，此类汽车在电池设计方面需要消耗较高成本，续航里程短。为确保新能源电池使用寿命，控制汽车使用环节成本，要重视动力电池的管理系统设计开发工作。

1新能源汽车动力电池的工作原理介绍

当前，新能源汽车的动力电池主要使用金属铝作为金属燃料，难以实现充放电之间的有效循环。从新能源汽车的动力电池材料选取和性能循环等角度分析，在电池负极使用金属材料，电池正极使用泡沫石墨烯，并使用四氯化铝的阴离子为电解液，即可实现常温下电池的可逆充放电。由于石墨烯材料所属层状结构，具备和锂离子相似的功能，可容纳阳离子，将电解液内的阴离子更好地容纳，保证动力电池可实现充放电循环，稳定运行。

2电池管理系系统设计使用的关键技术

2.1检测工作参数。在电池管理系统当中，其工作参数检测主要包括工作电流、电压和温度等。在测量电池电压、充放电电流及电池温度等过程，需要采集单体电池的电压测量数据，利用该数据对电池工作状态加以判断；在估算荷电状态时，需要使用单体电池的电压，同时其他功能也需依赖电压数据展开计算。2.2SOC算法。使用卡尔曼滤波方法作为SOC算法，可实现静态学习，利用残余电量的计算方法，对电池的SOC初始值进行计算。在此过程中需要借助大量实验数据，才能获取电池的准确使用信息，并且还应掌握电池两端温度信息以及电压值，确保SOC初始值的计算相对准确。然后利用此值作为基础输入值，并在卡尔曼滤波方法的运用下，对电池的SOC值进行估算。但是，在此过程运用的计算公式并非线性方程，需要在实际计算环节将其线性化，利用估计值以及给出误差协方差矩阵，对误差范围加以估算，最终获取精准的SOC值。2.3均衡控制。均衡控制为系统当中设计难点，控制策略关乎管理系统性能。整体电池组性能取决于单体电池性能最差的部分，若单体电池存在不一致的使用状态，就会导致容量低，电池在使用过程存在“过放”或“过充”等问题，对电池组使用寿命产生严重影响。因此，为提高电池使用寿命，并提高其使用效率，需要对管理系统当中电池组展开均衡控制。

3新能源汽车的动力电池管理系统设计

3.1总体设计。（1）设计方案。当前，电动汽车主要使用的动力电池包括锂离子电池、镍氢电池以及铅酸电池等。汽车商热衷于将上述类型的单体电池加以串联，组合成动力电池。在电池使用时间不断增加过程中，各单体电池之间产生的容量、温度和电压差异显著，若超出特定范围，就会影响其使用寿命。故此，管理系统的设计，需要针对不同单体电池展开参数检测，若检测结果单体电池参数差超出最高允许范围，此时，由管理系统介入，实现对电池充放电过程的控制，调节单体电池存在的参数差，保证处于合理范围之内，系统框架如图1所示：图1管理系统框架图（2）主要功能。结合上述系统框架，可实现下述功能:第一，针对各个单体电池温度和电压以及电池总体充放电时电流变化展开精准检测；第二，该管理系统可结合检测参数，估算出电池组的SOC荷电，并准确计算出目前剩余电量；第三，该管理系统可按照电池的电量状态、电压和温度等参数信息，参照动力电池的最佳充放电曲线，实现对电池温度和充放电状态展开控制；第四，利用Can-Bus实时传输电池状态，并将结果实时传输到车身总控单元和牵引电机的控制单元内。3.2硬件设计。（1）总体方案。（a）检测电路。该系统利用单片机当作控制芯片，使用单体电池的充放电电路（包括电压、温度和电流等），并使用通信电路组成控制系统。由于电池组的电压可达上百伏特，因此，可使用电阻分压方式，分别检测单体电池的电压，并利用检测电路完成，检测电路如图2所示：图2电压检测电路图（b）电量估算。该管理系统主要利用电流时间的积分法，对剩余电荷量进行估算，因此，检测环节还需对电流充放电数值实时检测。系统当中通过采样电阻，转换充放电电流，变为电压数据之后，向单片机内接口传输，完成电流数据的采样工作。同时，为确保电池组采样过程安全性，还需利用管理系统，测量出单体电池实时温度。该系统利用传感器完成电池温度检测，将传感器设置在单体电池外表，进而获取其温度数据。传感器具备独特的单线接口，使用数据线就能完成和微处理器之间的连接，并实现双向通讯。（c）管理方式。电池组的管理主要有两种形式：集中式和分布式。本方案选择分布式管理，主要利用“主从分布”的结构，完成电流、温度和电压等信息检测，保证电池组形成均衡控制局面，利用该系统能够估算电池的SOC值，并且确认电池存在“过充”或者“过放”等问题之后，还能启动保护功能。控制板上能够提供电池和整车通信网络、CAN接口、上位机串口连接功能。在主控板的控制方面，能够和采集板模块功能紧密关联，且相互独立。由采集板对电池组内各单体电池各项参数进行检测，并实现均衡控制。由主控板完成电池组工作电流的采集、数据分析、SOC估算等。利用CAN网络，向整车控制器内传输电池状态实时信息和处理结果。主控板当中还具备和上位机通信功能，利用串口获取采集数据，向上位机传送，经上位机处理之后，显示结果，完成人机界面操作。（2）采集电路。采集电路的设计需要控制外部环境干扰问题，采取隔离措施，但是这种设计电路结构复杂。还可使用电流传感器，完成数据采集。设计过程中，将电源线从电流传感器内穿过，利用电磁感应原理，获取电流值。为确保电流采集过程可靠性和结构精度，可选择CHB-200SF霍尔传感器，实现对系统电流集中采集。（3）转换电路。由于电动汽车内部的辅助电源电压通常为12V，使用过程需借助转换系统，将电压转换给不同供电模块。该系统中使用MCU芯片，工作环节需要供电电压5V，而电流的采集电路对于电源供电电压的需求为±12V，隔离芯片对于电源的供电电压需求为3.3V和5V。因此，为确保电压能够稳定获取，需要利用转换芯片实现转换。系统设计过程中，使用型号为LM2574的稳压芯片，作为12V转-12V的转换芯片；使用型号为LM2596的稳压芯片，作为12V转5V的转换芯片；选择型号为TPS73233的低压稳压芯片，作为5V转3.3V的芯片。3.3软件设计。（1）控制策略。该系统的软件设计，利用主模块对采集模块、电池组、故障记录、充电控制、SOC算法以及人机交互等各类模块加以控制。对于电池组模块的控制，需要按照电动汽车实际运动状态，结合其运动速度，对电池的工作模式和系统预设模式是否一致加以判断，若不一致，可对继电器发出动作决定，始终保持电池组在合理的串并联模式当中运行。针对故障诊断以及记录模块的控制，利用软件系统，将电池使用过程可能出现的各类故障加以列举，其可分为如下几类：第一、过流故障；第二、高压故障；第三、低压故障；第四、高温故障；第五、低温故障。在各种故障类型相对的硬件电路内，设置指示灯。若系统存在故障，可先将鸣峰器接通，对故障类型精准定位，并且点亮对应故障指示灯，最终向单体电池中定位，通过文字标签方式显示。由控制模块将电池使用过程中存在的所有故障类型进行记录，便于后期维护与查看。而充放电的控制模块功能受到充电机和连接负载电路的控制。（2）电量检测。电量检测的算法设计需要基于电池模型，使用三阶等效模型，利用其高阶特点以及使用过程产生高斯白噪声，并且电池处于模式切换状态时，还会产生噪声。切换继电器环节，由于存在震荡，可能导致检测数据结果存在误差，车辆运动环节发生震动问题，也可对电池产生随机干扰。因此，将嵌入式以及电池检测的滤波算法考虑其中，将卡尔曼滤波这一算法加以扩展，可实现在电池电量发生变化之时，将其中随机噪声滤除。

总之，合理设计新能源汽车的电池管理系统，对于车辆的安全使用以及电池的高效利用影响较大。通过对电池使用原理深度分析，完善系统硬件和软件设计，满足汽车对动力电池的工作需求，提高电池利用效率，加速新能源汽车行业的发展。

作者:张平 单位:德州职业技术学院