电动汽车动力电池安全管理系统研究与设计_刘汉华.pdf

内燃机与配件 电动汽车动力电池安全管理系统研究与设计刘汉华（柳州职业技术学院，广西 柳州 ）摘要：随着我国汽车行业的发展，各种新型技术与能源层出不穷，近年来，电动汽车不断映入人们眼帘，已成为当下潮流之一，同时，汽车安全问题也越来越受到关注，但是，随着汽车市场竞争的不断加剧，在电动汽车动力电池安全管理系统设计中仍然存在一定的风险，本文将对电动汽车动力电池安全管理系统的研究与设计进行分析并提供相关建议。关键词：电动汽车；动力电池；安全管理设计中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；基金项目：年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：电动汽车电池安全保护装置的设计研究（）；柳州职业技术学院 年校级科研课题：电动汽车电池安全感应保护装置的研究设计（）作者简介：刘汉华（）男，汉族，广西兴业县，本科，实验师，研究方向：从事机械设计制造及其自动化，数控加工方面的实验实训教学与研究。在我国现代化建设的进程中，保护生态环境已是各行各业发展所必须遵循的原则，汽车行业也不例外，电动汽车的出现正是对这一原则的呼应，同时，电动汽车的出现也改变了传统的汽车市场，为我国实施生态保护提供了新力量，但在电动汽车的发展中，其动力电池安全管理仍然是一切工作的重点。动力电池的选择为使电动汽车行业获得更长远发展，必须要不断完善动力电池设计与研发，提高其能量密度、延长寿命、提升其充电效率以及安全性能等。铅酸电池铅酸电池最早于十九世纪出现，该电池的生产设计技术相对成熟，目前市场上已有大批量的铅酸电池，这类电池主要用于内燃机汽车的电气与电子设备中，可以为汽车提供动力。对于铅酸电池而言，主要电压为 ，通过分析该电池的优势，安全、原材料获取便捷、性能稳定、价格便宜等都是优势，但循环使用性不强、比能量低、污染性比较大等也是不可忽视的缺点，使得该电池的市场竞争优势比较少。镍氢电池在碱性电池领域中，镍氢电池是典型代表，该电池的优点是比能量比较高，且在使用的过程中污染性比较低，具有绿色、环保的特质，镍氢电池目前在电动汽车市场受到广泛的应用。镍氢电池能够快速进行充电与放电，且充电的过程彻底，具有较强的耐用性，在目前的汽车生产中，国外的本田汽车与丰田汽车等都采用镍氢电池，在国内，部分汽车也使用这种电池，比如，奇瑞和中通客车等，但这种电池实际也有自身缺陷，比如，需要使用大量镍和钴，该电池的生产成本是不可忽视的因素，此外，当温度超过 时，容易降低电池的性能。锂离子电池锂离子电池是现阶段电动汽车生产中最为理想的电池，第一块商用锂离子电池最早由索尼公司在 年研发出来，与其它电池相比能量更高，使用性能与安全性更强，对于其他电池而言，一旦受高温的影响，或者产生激烈碰撞，容易引发电池爆炸，而锂电池的耐热性与抗碰撞性都更强，即使是在 的高温下或严重的碰撞下也不会出现爆炸事故。与相同质量的铅酸电池和镍氢电池相比，锂电池的能量分别是其倍与倍，与此同时，锂电池对环境污染小、自动放电效率低，已成为当下电动汽车动力电池的主流。锂离子电池特性分析 锂离子电池工作原理锂离子电池的内部构成包括正极、负极、电解液、外壳等，对于正极材料而言，通常是锂离子脱嵌的化合物，主要包含钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂等，而负极材料一般都是DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.003 年第期石墨化碳、石墨等，电解液主要为有机溶剂和六氟磷酸锂的混合 液，用 来 锂 离 子 电 池 正 负 极 间 发 生 氧 化 还 原反应。锂离子电池性能参数在电池使用过程中，通常需要判断性能，主要通过评估电池容量、内阻、充放电特性等来做出判断。电池容量电池容量实际是电池在特定环境下所释放出来的电能大小，简单来说，就是电池所储存的电量，若其单位是安培或者毫安时，在不同条件下，电池容量可以分为三种，分别是额定、理论与实际容量。其中，对于额定容量而言，指的是电池生产商在生产的过程中，结合放电工况，电池可以放出的最小容量值的统称，能够判断电池容量。通过对实际容量进行分析，当电池充满电后再进行放电，一直持续到截止电压，此时所放出的所有电量就是实际容量。理论容量指的是通过法拉第定律对电池的总能量进行计算并得出结论，这是由电池内部的全体活性物质参与电化学反应的过程中产生的，一般说来，理论容量要比实际容量高，在使用时，电池的实际容量容易受到各种外部因素的干扰，如温度与放电电流等。电池电压在评价电池性能时，电压是主要标准，可结合电压来评价电池放电和充电状态。在研究锂离子电池电压时，需要关注开路和端电压。对于开路电压而言，当电池处于开路状态时，经过一定过程中年静置，此时所得到的电压即为开路电压，通过研究发现，这种电压和电池的 关系主要呈对应关系，是估算电池荷电的重要参数。通常情况下，电池电压一般都认为是端电压，但对于端电压而言，主要指的是电池在工作状态下，所输出的实际电压，由于受电池内部极化效应和欧姆内阻的影响，电池处于充电状态时，呈现出来的端电压高于开路电压，反之，在放电状态下，开路电压高于端电压。电池内阻对于电池内阻而言，简单来说，就是电流流向电池内部时，所产生的阻力，电池的内阻受电池大小、电池温度、充电状态以及使用时长等因素的影响，同时，电池的类型不同，其内阻也不同。从测试方法进行分析，可将电池内阻分为直流和交流内阻，对于直流内阻而言，主要是电池所能承受的电流抗击能力，可以利用电池电压和电流之间的壁纸计算；交流电阻是电压与电流之间的传递函数，代表电池对交流电的抗击能力。电池充电特性锂离子电池的充电量与放电量与电池充电放电倍率有着密切的联系，通过对电池充放电倍率进行分析，是一种电池充放电速度快慢的物理量，当电池处于充电或放电状态时，通常需要使用电池充放电倍率来描述端电流的大小。标准的锂离子电池充电方法有两种，一种是恒流充电，另一种是恒压充电，电池充电时截止电压是一定的，若充电倍率较大，说明电量就少，充至截止电压所要花费的事件也相对较少。因此在进行充电时，应当先进行恒流充电，此时，电池内部可能有吸热反应，电池电压也会升高，一直持续到充电截止电压，此时会达到恒压充电阶段，对于这一过程而言，电流会逐渐降低，当降到 时，电池充电完成。电池放电特性锂离子电池的放电不仅受放电倍率的影响，还收到 和温度的影响，由于电池在放电时会受到不同因素的影响，因此其放出的能量也不相同，当电池的放电倍率不变时，该曲线呈现出初始阶段、平台阶段以及结束阶段三种状态。其中，对于初始阶段而言，电池的电压容易产生较大变化，但持续时间段，放电量少；此外，在平台阶段，电压变化虽然不快，但持续放电多，电池的很多电能都会在该阶段被释放；最后是结束阶段，此阶段的电池电量数率变化比较快，使得电压下降比较明显，直到截止电压状态下，才会结束放电。由于放电倍率存在差异性，倍率越大，所放出的能量也会随之减少。此外，虽然在不同放电倍率下的电压容易降低，但容易受电池内阻的干扰，下降速度也存在差异性。电动汽车动力电池安全管理系统硬件设计 芯片选择及其最小电路系统在动力电池结构中，主控芯片是重要结构，为满足系统功能，保障硬件电路设计的便捷性、程序开发更加简化，在进行设计时必须要选择合适的主控芯片，考虑到各种因素，在设计的过程中，主控芯片可以选择飞思卡尔汽车级 芯 片 ，该 芯 片 是 飞 思 卡尔专门为汽车电子设备设计的芯片，该芯片拥有大量的片上资源和超强的运算能力，芯片的功率消耗率低、存储空间大、对于工作温度的接受度强，分析其最小系统，发现主要涉及了时钟、复位、电源和 调试电路。对于时钟电路而言，可以和芯片内部的电路相结合，产生时钟频率，保障主控芯片的正常工作，主控芯片的一切工作都是在该频率的基础上进行的；复位电路分为外部复位与内部复位两种，在设计时可以通过上电复位与按键复位实施该功能；电源滤波电路能够有效保障 芯片内部电压的稳定；调试电路又叫做背景调试模块，工作人员能够通过该调试器对芯片进行设计、编辑以及调试等操作，通过对 进行分析，是连接 和上位机 的 纽 带，可 以 利 用 引 脚 与 芯 片 进 行 独 立通信。电源转换电路设计电源的稳定性与电池管理系统运行的可靠性有着直接联系，电源越稳定，电池管理系统的运行越有保障。分析电动汽车的电源，通常情况下，电压值为 ，对电压进行转换后，有效将其传输至相关模块中，对于 芯片而言，所需电压为，而电流在采集电路中，所需电源的电压为 ，为了确保电压具有稳定性，需要通过电压转换芯片对其进行转换。电流采集电路设计电流采集的正确性对于 的运算以及保护方案的设计有着重要影响，同时也与电动汽车动力电池管理系统的安全性和实用性有着直接联系，在检测电流的过程中，可以采用两种方法。一是电阻检测法。在检测的过程中，需要利用好欧姆定律，通过这种方式来计算电池组的电流，对于这种方法而言，虽然容易实施，但易受外部条件干内燃机与配件 扰，需要及时采用隔离措施，呈现出来的电路也比较复杂；二是借助霍尔电流传感器来采集电流，在传感器中穿过电源线，借助电子感应效果，有效获取电流值。采集板主芯片选择由于电动汽车电池组由许多节电池连接而成，因此需要进行采集的电池电压的数据量要更大，现阶段，电动汽车市 场 上 常 用 的 电 池 管 理 芯 片 为 公 司 的 ，公 司 的 以 及 公 司 的 等等，其中，能够有效监控锂离子电池、备用电源以及电动汽车的电池组等；主要用于性能比较高的电池系统中，如电动汽车和混合电动汽车的电池系统，每片 芯片能够同时对 节串联的单体电池的电压进行监测；能够通过模拟前端与高精准度的模数转换器对单体电池的电压进行精确的监测。电动汽车动力电池安全管理系统软件设计 系统主程序设计分析系统主程序设计的目的，发现是满足系统初始化需求，同时还有助于调用子程序。当系统通电复位后主程序就能够执行，主程序能够先对 和采集芯片进行初始化，对其各个功能和处理器进行初始配置，然后再对电池电压、电流量以及温度等数据进行采集，再在这基础上对采集到的数据进行诊断，判断其是否有异常现象存在，如果有则需要及时采取处理措施，如果没有则继续运行，之后再对均衡控制模块进行调用，完成该程序后有重回采集数据的步骤。电流采集子程序电流采集的准确性对于 的估算准确度以及控制电池充电与放电有着重要影响，因此，电池组在运行的过程中需要实时采集地电流数据，在采集时，通过霍尔电流传感器进行采集，其采集到的电流对应的电压一般不超过，由于采集的过程中会受到不同因素的干扰，需要进行多次反复采集，并对采集到的数据进行数字滤波处理，然后再将其进行保存。数据采集子程序系统在数据采集的过程中，需要借助主控芯片来储存系统采集到的电流、电压和温度信息，主要储存位置以寄存器为主，随后在借助单片机的作用来读取这些信息，有效提取电池相关数据。通过对动力电池组的单体电池电压和温度进行分析，容易影响电池与电池之间是否需要均衡控制，甚至还会影响估算荷电状态，因此在采集数据时，必须要确保电池电压与温度的采集准确度。在采集单体电池电压时，首先到对系统主控芯片进行复位，并设置地址与串联电池的数量以及转换电压所需的时间，之后再由相应的寄存器对过压阈值和延迟时长进行设置，最后再进行转换，从而完成电压数据采集。故障报警子程序动力电池管路系统主控芯片 具有 错误检测，可以为系统安全运行提供保障，如果在检测中发现系统存在故障或处于报警状态，系统内部的寄存器对故障所处的位置进行置位，从而再将该故障传输至设备状态寄存器，然后又主控板将故障展示出来并进行判断。比如，若电池电压高于系统参数，同时超过所设置的延迟时间，容易对 寄存器内的 产生影响，会出现被置位现象，然后再传至设备状态寄存器，之后再由主控系统进行判断。结语相比于传统汽车，电动汽车更加环保、对环境的污染小，同时也更加符合当下我国发展的要求，但是，由于电动汽车在近年来才受到广泛使用，相关技术相对而言还比较“年轻”，因此，在进行电动汽车生产时，安全问题一定是其重中之重，因此在进行电动汽车设计与生产时，必须要重视其动力电池安全管理系统的研究与设计，不断完善和优化其系统，从而才能确保使用人员的