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新能源汽車具有運行高效穩定以及結構簡單等優勢。但是，此類汽車在電池設計方面需要消耗較高成本，續航里程短。為確保新能源電池使用壽命，控制汽車使用環節成本，要重視動力電池的管理系統設計開發工作。

1新能源汽車動力電池的工作原理介紹

當前，新能源汽車的動力電池主要使用金屬鋁作為金屬燃料，難以實現充放電之間的有效循環。從新能源汽車的動力電池材料選取和性能循環等角度分析，在電池負極使用金屬材料，電池正極使用泡沫石墨烯，并使用四氯化鋁的陰離子為電解液，即可實現常溫下電池的可逆充放電。由于石墨烯材料所屬層狀結構，具備和鋰離子相似的功能，可容納陽離子，將電解液內的陰離子更好地容納，保證動力電池可實現充放電循環，穩定運行。

2電池管理系系統設計使用的關鍵技術

2.1檢測工作參數。在電池管理系統當中，其工作參數檢測主要包括工作電流、電壓和溫度等。在測量電池電壓、充放電電流及電池溫度等過程，需要采集單體電池的電壓測量數據，利用該數據對電池工作狀態加以判斷；在估算荷電狀態時，需要使用單體電池的電壓，同時其他功能也需依賴電壓數據展開計算。2.2SOC算法。使用卡爾曼濾波方法作為SOC算法，可實現靜態學習，利用殘余電量的計算方法，對電池的SOC初始值進行計算。在此過程中需要借助大量實驗數據，才能獲取電池的準確使用信息，并且還應掌握電池兩端溫度信息以及電壓值，確保SOC初始值的計算相對準確。然后利用此值作為基礎輸入值，并在卡爾曼濾波方法的運用下，對電池的SOC值進行估算。但是，在此過程運用的計算公式并非線性方程，需要在實際計算環節將其線性化，利用估計值以及給出誤差協方差矩陣，對誤差范圍加以估算，最終獲取精準的SOC值。2.3均衡控制。均衡控制為系統當中設計難點，控制策略關乎管理系統性能。整體電池組性能取決于單體電池性能最差的部分，若單體電池存在不一致的使用狀態，就會導致容量低，電池在使用過程存在“過放”或“過充”等問題，對電池組使用壽命產生嚴重影響。因此，為提高電池使用壽命，并提高其使用效率，需要對管理系統當中電池組展開均衡控制。

3新能源汽車的動力電池管理系統設計

3.1總體設計。（1）設計方案。當前，電動汽車主要使用的動力電池包括鋰離子電池、鎳氫電池以及鉛酸電池等。汽車商熱衷于將上述類型的單體電池加以串聯，組合成動力電池。在電池使用時間不斷增加過程中，各單體電池之間產生的容量、溫度和電壓差異顯著，若超出特定范圍，就會影響其使用壽命。故此，管理系統的設計，需要針對不同單體電池展開參數檢測，若檢測結果單體電池參數差超出最高允許范圍，此時，由管理系統介入，實現對電池充放電過程的控制，調節單體電池存在的參數差，保證處于合理范圍之內，系統框架如圖1所示：圖1管理系統框架圖（2）主要功能。結合上述系統框架，可實現下述功能:第一，針對各個單體電池溫度和電壓以及電池總體充放電時電流變化展開精準檢測；第二，該管理系統可結合檢測參數，估算出電池組的SOC荷電，并準確計算出目前剩余電量；第三，該管理系統可按照電池的電量狀態、電壓和溫度等參數信息，參照動力電池的最佳充放電曲線，實現對電池溫度和充放電狀態展開控制；第四，利用Can-Bus實時傳輸電池狀態，并將結果實時傳輸到車身總控單元和牽引電機的控制單元內。3.2硬件設計。（1）總體方案。（a）檢測電路。該系統利用單片機當作控制芯片，使用單體電池的充放電電路（包括電壓、溫度和電流等），并使用通信電路組成控制系統。由于電池組的電壓可達上百伏特，因此，可使用電阻分壓方式，分別檢測單體電池的電壓，并利用檢測電路完成，檢測電路如圖2所示：圖2電壓檢測電路圖（b）電量估算。該管理系統主要利用電流時間的積分法，對剩余電荷量進行估算，因此，檢測環節還需對電流充放電數值實時檢測。系統當中通過采樣電阻，轉換充放電電流，變為電壓數據之后，向單片機內接口傳輸，完成電流數據的采樣工作。同時，為確保電池組采樣過程安全性，還需利用管理系統，測量出單體電池實時溫度。該系統利用傳感器完成電池溫度檢測，將傳感器設置在單體電池外表，進而獲取其溫度數據。傳感器具備獨特的單線接口，使用數據線就能完成和微處理器之間的連接，并實現雙向通訊。（c）管理方式。電池組的管理主要有兩種形式：集中式和分布式。本方案選擇分布式管理，主要利用“主從分布”的結構，完成電流、溫度和電壓等信息檢測，保證電池組形成均衡控制局面，利用該系統能夠估算電池的SOC值，并且確認電池存在“過充”或者“過放”等問題之后，還能啟動保護功能。控制板上能夠提供電池和整車通信網絡、CAN接口、上位機串口連接功能。在主控板的控制方面，能夠和采集板模塊功能緊密關聯，且相互獨立。由采集板對電池組內各單體電池各項參數進行檢測，并實現均衡控制。由主控板完成電池組工作電流的采集、數據分析、SOC估算等。利用CAN網絡，向整車控制器內傳輸電池狀態實時信息和處理結果。主控板當中還具備和上位機通信功能，利用串口獲取采集數據，向上位機傳送，經上位機處理之后，顯示結果，完成人機界面操作。（2）采集電路。采集電路的設計需要控制外部環境干擾問題，采取隔離措施，但是這種設計電路結構復雜。還可使用電流傳感器，完成數據采集。設計過程中，將電源線從電流傳感器內穿過，利用電磁感應原理，獲取電流值。為確保電流采集過程可靠性和結構精度，可選擇CHB-200SF霍爾傳感器，實現對系統電流集中采集。（3）轉換電路。由于電動汽車內部的輔助電源電壓通常為12V，使用過程需借助轉換系統，將電壓轉換給不同供電模塊。該系統中使用MCU芯片，工作環節需要供電電壓5V，而電流的采集電路對于電源供電電壓的需求為±12V，隔離芯片對于電源的供電電壓需求為3.3V和5V。因此，為確保電壓能夠穩定獲取，需要利用轉換芯片實現轉換。系統設計過程中，使用型號為LM2574的穩壓芯片，作為12V轉-12V的轉換芯片；使用型號為LM2596的穩壓芯片，作為12V轉5V的轉換芯片；選擇型號為TPS73233的低壓穩壓芯片，作為5V轉3.3V的芯片。3.3軟件設計。（1）控制策略。該系統的軟件設計，利用主模塊對采集模塊、電池組、故障記錄、充電控制、SOC算法以及人機交互等各類模塊加以控制。對于電池組模塊的控制，需要按照電動汽車實際運動狀態，結合其運動速度，對電池的工作模式和系統預設模式是否一致加以判斷，若不一致，可對繼電器發出動作決定，始終保持電池組在合理的串并聯模式當中運行。針對故障診斷以及記錄模塊的控制，利用軟件系統，將電池使用過程可能出現的各類故障加以列舉，其可分為如下幾類：第一、過流故障；第二、高壓故障；第三、低壓故障；第四、高溫故障；第五、低溫故障。在各種故障類型相對的硬件電路內，設置指示燈。若系統存在故障，可先將鳴峰器接通，對故障類型精準定位，并且點亮對應故障指示燈，最終向單體電池中定位，通過文字標簽方式顯示。由控制模塊將電池使用過程中存在的所有故障類型進行記錄，便于后期維護與查看。而充放電的控制模塊功能受到充電機和連接負載電路的控制。（2）電量檢測。電量檢測的算法設計需要基于電池模型，使用三階等效模型，利用其高階特點以及使用過程產生高斯白噪聲，并且電池處于模式切換狀態時，還會產生噪聲。切換繼電器環節，由于存在震蕩，可能導致檢測數據結果存在誤差，車輛運動環節發生震動問題，也可對電池產生隨機干擾。因此，將嵌入式以及電池檢測的濾波算法考慮其中，將卡爾曼濾波這一算法加以擴展，可實現在電池電量發生變化之時，將其中隨機噪聲濾除。

總之，合理設計新能源汽車的電池管理系統，對于車輛的安全使用以及電池的高效利用影響較大。通過對電池使用原理深度分析，完善系統硬件和軟件設計，滿足汽車對動力電池的工作需求，提高電池利用效率，加速新能源汽車行業的發展。

作者:張平 單位:德州職業技術學院