摘 要：電池蓄能是限制新能源汽車規(guī)模化普及推廣的重要難關(guān)，面對(duì)該現(xiàn)象，可通過(guò)設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)而實(shí)時(shí)把控新能源汽車電池狀態(tài)，強(qiáng)化能源利用。基于此，文章首先分析新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)一步從總體架構(gòu)、功能設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)五個(gè)方面提出新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)，為確認(rèn)設(shè)計(jì)效果，對(duì)新能源汽車電池管理系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試，最終確定該平臺(tái)功能穩(wěn)定，指令響應(yīng)迅速。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電池管理系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

新能源汽車在環(huán)保、節(jié)能、綠色、低碳等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，前景廣闊，而在新能源汽車結(jié)構(gòu)中，電池屬于核心部件，直接影響新能源汽車的性能與續(xù)航，且可影響其安全性與使用壽命。因此，新能源汽車在發(fā)展期間，應(yīng)以需求為依據(jù)科學(xué)化設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)，混合運(yùn)用多種前沿技術(shù)，對(duì)新能源汽車的電池狀態(tài)進(jìn)行有效把控，規(guī)避過(guò)溫、過(guò)放、過(guò)充等現(xiàn)象，繼而提高新能源汽車電池的運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。

1 新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

能源問(wèn)題現(xiàn)已成為全球熱點(diǎn)，使汽車行業(yè)的新能源道路更加明了，但在新能源汽車發(fā)展期間，應(yīng)重點(diǎn)解決電池壽命及性能的問(wèn)題，針對(duì)該現(xiàn)象，主要可借助電池管理系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)新能源汽車電池的控制[1]。對(duì)該次新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，如下所示：（1）電池均衡管理。新能源汽車電池組內(nèi)各單體電池在使用壽命、性能參數(shù)等方面存在差異，若出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，則會(huì)加重電池組運(yùn)行負(fù)擔(dān)，影響整個(gè)電池組的壽命及性能，而電池管理系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)單體電池的均衡管理。（2）電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)。電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)新能源汽車電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集電池參數(shù)，如容量、溫度、電流、電壓等，繼而確認(rèn)電池狀態(tài)，以免出現(xiàn)電池亞狀態(tài)運(yùn)行的情況。（3）故障診斷保護(hù)。若電池組出現(xiàn)故障將會(huì)直接影響新能源汽車的運(yùn)行，而電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車電池組的實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常狀況或突發(fā)故障，將會(huì)進(jìn)行診斷并運(yùn)行保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)電池組故障保護(hù)。

2 新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體架構(gòu)

本次所設(shè)計(jì)的新能源汽車電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多終端同時(shí)運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)包括汽車終端、CAN總線、云端服務(wù)器、上位監(jiān)控終端構(gòu)成。（1）汽車終端。包括終端傳感器、終端執(zhí)行器、電池組信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源汽車電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與展現(xiàn)，若接收到上位機(jī)指令則會(huì)執(zhí)行相應(yīng)措施。（2）CAN通信總線。CAN總線用于數(shù)據(jù)交互傳輸，傳感器完成電池?cái)?shù)據(jù)采集后將會(huì)由CAN總線完成傳輸，并將上位機(jī)指令向傳遞。（3）云端服務(wù)器。汽車終端信息由CAN通信總線傳輸至云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)的整合存儲(chǔ)，且云端服務(wù)器內(nèi)具備權(quán)限驗(yàn)證機(jī)制，可保障電池?cái)?shù)據(jù)安全性。（4）上位監(jiān)控終端。主要是代表用戶端，用戶可借助不同終端設(shè)備進(jìn)入電池管理系統(tǒng)，獲取電池信息或下達(dá)指令，若用戶發(fā)出指令，該指令將會(huì)進(jìn)一步由CAN總線向下傳輸。除此之外，上位機(jī)內(nèi)部具有數(shù)據(jù)分析程序，可輔助用戶完成電池?cái)?shù)據(jù)分析與計(jì)算，幫助用戶下達(dá)指令[2]。

2.2 功能設(shè)計(jì)

于正式設(shè)計(jì)新能源汽車電池管理系統(tǒng)之前，以功能需求為依據(jù)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，如下所示。

2.2.1 輔助性功能

要求所設(shè)計(jì)的新能源汽車電池管理系統(tǒng)具備單體電池均衡、充電控制、熱控制、SMR主繼電器控制的功能，且可實(shí)現(xiàn)新能源汽車電池狀態(tài)的精準(zhǔn)把控，實(shí)時(shí)化采集電池溫度數(shù)據(jù)并加以調(diào)節(jié)，以免電池出現(xiàn)溫度過(guò)高的不良現(xiàn)象，確保新能源汽車能夠在安全條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

系統(tǒng)主繼電器（SMR）控制，熱控制，充電控制。電池參數(shù)，控制電池的充放電狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集電池測(cè)根據(jù)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，控制電池溫度，防止電池溫度過(guò)高，保證電池使用過(guò)程中的安全、穩(wěn)定。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與計(jì)算

針對(duì)電壓、溫度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用于實(shí)時(shí)化了解新能源汽車電池狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行SOC電池荷電狀態(tài)（即剩余電量）的計(jì)算，用于了解電池電流在特定時(shí)期內(nèi)的變化情況。其計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中，SOC為電池荷電狀態(tài)，C1表示長(zhǎng)期擱置狀態(tài)下的電池剩余容量，C2表示完全充電狀態(tài)下的電池容量。若經(jīng)公示計(jì)算后發(fā)現(xiàn)SOC為1，則意味著新能源汽車電池已充滿，若結(jié)果為0，則代表電池放電完全，若為其他數(shù)值，則為電池電量狀態(tài)[3]。

除SOC之外，電池管理系統(tǒng)還將完成SOH、SOP參數(shù)的監(jiān)測(cè)，其中SOH表示電池電流參數(shù)在長(zhǎng)時(shí)間階段內(nèi)的變化，可表現(xiàn)出新能源汽車電池的健康程度。餓SOP代指電池功率邊界。在該次電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)完成三種關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算，繼而更好地把握與呈現(xiàn)電池狀態(tài)。

2.2.3 故障自檢診斷

電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需融入功能識(shí)別篩查功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)的分析處理，一旦發(fā)現(xiàn)功能異常則立即預(yù)警，并上報(bào)上位機(jī)，同時(shí)觸發(fā)指示燈，提醒新能源汽車駕駛員注意安全。在該次設(shè)計(jì)中，將數(shù)據(jù)分析程序編入上位機(jī)計(jì)算機(jī)內(nèi)。

2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在新能源汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用集中式、分布式兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（1）集中式。是指集成整合所有電氣部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，在該結(jié)構(gòu)中，借助菊花鏈通訊方式連接主芯片與采樣芯片。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本可控，且可最大限度提高通道利用率，但相對(duì)而言安全性不足，僅可在小容量電池包、總電壓低的工況下使用。（2）分布式。是指設(shè)置主板的同時(shí)增設(shè)多個(gè)從板，在主板與從板的協(xié)同運(yùn)用下完成電池采集。該方式適用于多種情況，且芯片通道數(shù)量可滿足不同狀況。在該次新能源汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)期間，經(jīng)綜合對(duì)比后最終選擇采用分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)電池管理系統(tǒng)的靈活設(shè)計(jì)[4]。

2.4 硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 CAN通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

汽車行業(yè)中，汽車所承載的電子設(shè)備基本均可運(yùn)行Flex Ｒay、LIN、CAN總線通信方式，汽車可依托上述三種總線完成各類數(shù)據(jù)的交互傳輸，相較而言，CAN總線在汽車領(lǐng)域中最為常用，故在本次新能源汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，則選用CAN總線設(shè)計(jì)通信節(jié)點(diǎn)。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖運(yùn)用了配置CAN協(xié)議控制器的STM32芯片，但為保障電池管理系統(tǒng)通信功能成效，在STM32芯片CAN協(xié)議控制器基礎(chǔ)上再次外接CAN總線收發(fā)器。在此期間，為實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換而選用了TJA1050收發(fā)器芯片，同時(shí)在STM32芯片與TJA1050收發(fā)器芯片之間添加高速光耦，型號(hào)為ADUM1201，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸通信的信號(hào)穩(wěn)定性。此外，以CAN節(jié)點(diǎn)引腳連接原理為依據(jù)，運(yùn)用ADUM1201高速光耦分隔CAN總線的兩個(gè)端口，即發(fā)送端、接收端，在該結(jié)構(gòu)中，還可設(shè)置去偶電容，起到降低電源噪聲干擾的作用，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在該硬件結(jié)果中，TJA1050收發(fā)芯片可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，完成ＲX信號(hào)到CAN總線差分信號(hào)的過(guò)度，還可按照需求進(jìn)一步將差分信號(hào)轉(zhuǎn)我TX信號(hào)，為不同數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景創(chuàng)造條件。

2.4.2 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)模塊硬件設(shè)計(jì)主要為保障網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及帶寬性能，在本次新能源汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，則采用TCP/IP完成網(wǎng)絡(luò)模塊硬件設(shè)計(jì)。用于保障數(shù)據(jù)信息傳輸效率與質(zhì)量。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，以ENC28J60芯片為核心打造網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，并借助中斷引腳、SPI總線接口確保數(shù)據(jù)交互與指令傳輸效果，經(jīng)初步驗(yàn)算后，該網(wǎng)絡(luò)模塊的傳輸速率超10Mb/s。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步于芯片預(yù)留兩路接口，以此控制LED指示燈閃爍。

2.4.3 采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊由各類傳感器構(gòu)成，其溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，主要用于采集新能源汽車電池組的運(yùn)行狀態(tài)，在實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，可在CAN總線的幫助下完成電池參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸[5]。

2.4.4 均衡控制模塊

主要用于均衡新能源各個(gè)單體電池組，用于解決不同單體電池組在定壓、容量等方面的差異。在該次新能源汽車電池管理系統(tǒng)均衡控制模塊設(shè)計(jì)期間，主要依靠控制器、均衡器完成設(shè)計(jì)，用于實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電池的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。而在均衡控制期間，在主要借助電荷轉(zhuǎn)移而實(shí)現(xiàn)，使電荷由高電壓電池向低電壓電池轉(zhuǎn)移，若大總量電池的電荷轉(zhuǎn)移到小容量電池中，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移完成新能源汽車單體電池狀態(tài)的均衡。

2.4.5 主控制器模塊

屬于電池管理系統(tǒng)的核心模塊，主要用于實(shí)現(xiàn)電池?cái)?shù)據(jù)匯總與存儲(chǔ)，可幫助用戶實(shí)時(shí)化了解電池組數(shù)據(jù)。主控制器模塊由芯片、微處理器構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的計(jì)算與電池狀態(tài)的控制。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

新能源汽車電池管理系統(tǒng)需以采集終端作為完成軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在該項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)中可應(yīng)用N1 LabVIEW嵌入式開發(fā)工具包中的LabVIEW Embedded Module for ARM Microcontrollers模塊，以嵌入式32位精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算為控制其為該系統(tǒng)采集終端提供有效的圖形化編程。對(duì)這一工具的性能進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)：由于該工具已經(jīng)完成了LabVIEW嵌入式開發(fā)工具包與Keil RealView MDK為控制器的集成，可有效改善用戶對(duì)嵌入式編程的應(yīng)用體驗(yàn)，確保其銜接的即時(shí)性和連續(xù)性。此外，該工具本身還具備CAN局域網(wǎng)通信V1、TCP以太網(wǎng)通訊V1、RSR232串口通信V1等多種硬件通信接口，可使用戶在開發(fā)程序環(huán)節(jié)的工作效率大幅提升。

技術(shù)人員在新能源汽車電池管理系統(tǒng)采集終端的軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目研發(fā)需求的綜合考慮，并將其作為軟件功能設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。在某新能源汽車電池管理系統(tǒng)采集終端軟件設(shè)計(jì)中，則設(shè)置了數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)解析、指令執(zhí)行、服務(wù)器登錄與接入等功能，并通過(guò)演示系統(tǒng)版本的方式完成所有功能的開發(fā)與設(shè)計(jì)，并在系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)對(duì)該軟件的各項(xiàng)具體功能做進(jìn)一步測(cè)試與檢驗(yàn)，最終得到集成網(wǎng)絡(luò)接入、數(shù)據(jù)收發(fā)與解析、終端LCE顯示屏控制程序的采集終端軟件程序。

在此基礎(chǔ)上，新能源汽車電池管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)提高對(duì)上機(jī)位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重視程度，選擇第三方數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間各類數(shù)據(jù)信息的中轉(zhuǎn)站，要求該服務(wù)器應(yīng)具備中轉(zhuǎn)、處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息和異常信息告警等綜合性能，同時(shí)在該服務(wù)平臺(tái)中強(qiáng)調(diào)API數(shù)據(jù)接口設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)性，為系統(tǒng)采集終端與第三方數(shù)據(jù)服務(wù)器的信息交互以及平臺(tái)功能拓展創(chuàng)造便利條件。在上機(jī)位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作實(shí)踐中，需以具備人機(jī)交互功能的LabVIEW2016的前面板為基礎(chǔ)，應(yīng)用N1提供的網(wǎng)絡(luò)通信工具選板與標(biāo)準(zhǔn)工具選板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后臺(tái)與服務(wù)器的登錄、連接等基礎(chǔ)功能，通過(guò)規(guī)范的操作完成系統(tǒng)登錄與數(shù)據(jù)傳輸。

3 新能源汽車電池管理系統(tǒng)整體測(cè)試

為檢驗(yàn)上述提出的新能源汽車電池管理系統(tǒng)的功能效果，采用整體測(cè)試的方式加以檢驗(yàn)。在整體測(cè)試過(guò)程中，選擇四塊單體電池進(jìn)行模擬分析，對(duì)整體測(cè)試期間所需監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體可見表1。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)性質(zhì)來(lái)看，在測(cè)試期間選擇狀態(tài)信息、電量信息分別作為開關(guān)量類型、數(shù)值類型為樣本測(cè)試電池管理系統(tǒng)的功能。電池管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集后，在上位機(jī)程序及終端程序的協(xié)同作用下可完成數(shù)據(jù)的編譯處理，并將其導(dǎo)出，最終則可于測(cè)試環(huán)境內(nèi)檢驗(yàn)電池管理系統(tǒng)的功能。在該次所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)內(nèi)，由 MDK開發(fā)工具完成終端程序的編譯，并形成C代碼，經(jīng)由USB接口傳輸至終端硬件設(shè)備，完成數(shù)據(jù)下載的則可登錄服務(wù)器及終端測(cè)試電池關(guān)系系統(tǒng)的功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)終端數(shù)據(jù)的采集。登錄后可實(shí)時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)，并采用界面顯示的方式展現(xiàn)信息，待數(shù)據(jù)收發(fā)結(jié)束后則可執(zhí)行程序動(dòng)作，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，并于汽車終端執(zhí)行指令，與此同時(shí)將會(huì)采用指示燈方式表現(xiàn)電池狀態(tài)。數(shù)據(jù)服務(wù)器在測(cè)試過(guò)程中良好表現(xiàn)出設(shè)備管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警指示、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與分析，若經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)異常狀況，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警。上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)經(jīng)檢測(cè)后同樣具備應(yīng)有功能，用戶可便捷化登錄，且用戶可根據(jù)自身需求選擇手動(dòng)登錄、信息讀取兩種方式完成登錄過(guò)程。

整體來(lái)看，該次所設(shè)計(jì)的新能源汽車電池管理系統(tǒng)功能完整、界面清晰明確、響應(yīng)速度優(yōu)異，具有較高應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為確保新能源汽車能夠真正實(shí)現(xiàn)規(guī)?；占埃铀倨囆袠I(yè)能源體系的變革，應(yīng)基于現(xiàn)實(shí)需求，合理規(guī)劃新能源汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，做好總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，多角度設(shè)置系統(tǒng)功能，并注意完善拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、此外，為保障新能源汽車電池管理系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，從硬件與軟件兩個(gè)角度出發(fā)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。按照本次方案完成新能源汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對(duì)其整體性能進(jìn)行測(cè)試，確定了電池管理系統(tǒng)功能的可靠性。

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