电动汽车动力电池管理系统设计与性能测试.pdf

汽车与设计192023.7电动汽车动力电池管理系统设计与性能测试毕 鹏 许 静（重庆理工职业学院 重庆 401320）摘要：随着电动汽车技术的快速发展，动力电池管理系统的设计和性能测试成为确保电池性能和安全性的核心工作。该文概述电动汽车动力电池管理系统，探讨动力电池管理系统硬件和软件设计，对动力电池管理系统性能进行综合测试，从而促进电动汽车动力电池管理系统性能的优化。关键词：电动汽车；动力电池管理系统；系统设计；性能测试作者简介：毕鹏，重庆理工职业学院助教，研究方向为车辆工程；许静，重庆理工职业学院助教，研究方向为车辆工程。随着全球气候变化和人们环境保护意识的增强，电动汽车逐渐成为重要的现代交通工具。为了确保电动汽车的安全、高效运行，对其核心组件动力电池进行管理显得尤为重要。动力电池管理系统（BMS）作为电池和整车控制系统之间的“纽带”，发挥非常关键的作用。其不仅需要监测电池的工作状态，还要对电池进行实时的健康状态评估、保护和管理。尽管动力电池管理系统的基本功能已经得到广泛研究，但如何设计一个既稳定又可靠的动力电池管理系统仍然是一个挑战。1 电动汽车动力电池管理系统概述1.1动力电池工作原理与关键参数动力电池的工作原理是基于内部的化学反应，当放电时，阳极发生氧化反应释放电子，而阴极发生还原反应接收电子，电子在外部电路流动形成电流供给外部负载；而充电时，这一过程反转。动力电池的关键参数包括开路电压（电池在未连接外部负载或充电器时的电压）、名义电压（电池正常工作时的稳定电压）、电池容量（电池在一次完整放电过程中能够提供的总电量，单位为“A h”）、内阻（电池内部对电流流动的阻碍）及循环寿命（电池在其性能下降到指定百分比之前可以经受的充放电循环次数）。这些参数决定了电池的性能、效率和使用寿命，是动力电池管理系统监控和管理的重要依据。1.2动力电池管理系统主要功能动力电池管理系统旨在实现对电池组的全面管理和监控，其功能非常丰富，能确保在过充、过放、过流和温度异常等情况下对电池提供即时保护，避免其受到损害。第一，均衡管理主要针对每个单体电池的电压进行调整，保证它们处于相似的电压水平，从而延长整体电池组的使用寿命。第二，运用电池健康状态评估和监测功能，可以提前预测电池性能的衰退或故障风险，而电量计量功能可为用户提供精确的剩余电量信息，指导其合理使用1。第三，实时通信功能使得动力电池管理系统能够与其他车载系统或远程监控平台进行数据交换。第四，电压和温度的实时检测对于保障电池的稳定工作至关重要，为其他功能的发挥奠定了基础。第五，动力电池管理系统还具备数据存储功能，可记录电池的历史工作数据，为后续的故障分析、维护和排查提供宝贵信息。2 电动汽车动力电池管理系统设计2.1硬件设计2.1.1传感器选择与集成在动力电池管理系统硬件设计中，传感器选择与集成是至关重要的一环，直接决定了系统监测的准确性和稳定性。第一，在选择电压传感器时，需确保其精度和线性度满足要求，能够准确地监测单体电池或电池组的实时电压。通常，电压传感器应具备较强的抗干扰能力和快速响应能力，以应对高频噪声和瞬时电压变化。第二，霍尔效应传感器因其非接触性质和高精度被广泛应用，能够在不引发汽车与设计20汽车测试报告额外的电阻和发热问题的情况下实时测量电池的充放电流。第三，温度传感器，如 NTC 热敏电阻，其应分布于电池包的关键位置，如模组间、近正负极等，确保对电池组内部可能的局部过热现象进行及时检测。此外，与这些传感器相匹配的信号处理和放大电路也非常重要，其需要能够将微弱的传感器信号放大并转化为数字信号，以供微控制器处理。在集成方面，考虑到电磁兼容性和信号完整性，应将传感器布置在距离电池较近、干扰较少的位置，并使用屏蔽、绝缘和接地策略来减少外部噪声和干扰。2.1.2微控制器与接口设计在开展动力电池管理系统硬件设计时，微控制器的选择与其相关接口设计是决定系统性能和功能的关键环节。第一，微控制器是动力电池管理系统的核心，应具备足够的处理能力、内存资源及多种通信接口，以满足高速数据处理和多任务运行需求。通常，具备低功耗特性的微控制器是首选，其内部应包含 ADC（用于处理传感器的模拟信号）、PWM（为电池均衡和其他控制任务提供支持），以及支持 I2C、SPI、CAN 或其他通信协议的接口（用于与外部设备或上位机通信）。第二，在接口设计方面，除了考虑物理连接的稳固性和防护措施之外，还需考虑通信协议的选择和实现。例如，使用 CAN 通信协议可以确保数据在复杂车辆环境中的稳定传输并具备一定的抗干扰能力。为增强动力电池管理系统的扩展性，应预留一些 GPIO（通用输入输出）和其他可编程接口，以适应未来可能的功能增加或硬件升级需要2。2.1.3通信模块设计通信模块在动力电池管理系统硬件设计中扮演至关重要的角色，是动力电池管理系统与其他车载系统、上位机或远程诊断系统之间进行信息交换的“桥梁”。第一，考虑到电动汽车内部的电磁环境和实时响应要求，通信模块应使用强可靠性和低时延的通信协议，如 CAN（控制器局域网络）或 FlexRay。这些协议不仅能实现高速数据传输，还具有出色的抗干扰性和错误检测与修复功能。第二，通信接口应采用隔离设计，如使用光耦隔离或磁隔离技术，以确保动力电池管理系统能够在高电压和大电流环境中安全稳定工作。为了实现远程监控和诊断，还可集成无线通信模块，使动力电池管理系统能实时上传数据到云端，并允许远程配置或固件更新。第三，在通信模块设计中，应考虑冗余设计和自检功能，确保通信模块能在关键时刻保持稳定，并在通信异常时能快速检测并自我恢复或报警。2.2软件设计2.2.1数据采集与处理算法在电动汽车动力电池管理系统软件设计中，数据采集与处理是核心环节。第一，数据采集涉及多通道的模拟信号采样，如电池电压、电流和温度。在这一过程中，高精度的 ADC（模数转换器）被广泛应用，可以确保数据的准确性。这些数据会以定时或事件触发的方式被采集，而且采集到的数据会先经过噪声滤波，以降低噪声并平滑数据。第二，为了保证实时性，可以发挥 RTOS（实时操作系统）的多任务处理功能，从而确保数据处理的并行性和实时性3。2.2.2电池健康状态估算与预测模型电池健康状态估算与预测是动力电池管理系统的核心功能之一，对于保证电池具有较长的使用寿命和安全运行至关重要。电池健康状态是电池当前容量与其初始容量的比值，并且受到多种因素如循环次数、过度放电/充电、高温等的影响。在电池健康状态估算中，通常需要结合电化学模型、经验模型和机器学习技术。其中，电化学模型主要基于电池的物理和化学性质，准确度较高，但计算量较大；而经验模型主要基于实测数据，操作比较简单。2.2.3故障检测与报警策略故障检测与报警策略是动力电池管理系统中至关重要的部分，其主要目标是确保电池组能够在各种工况下安全可靠运行。通过实时监测电池的关键参数，如电压、电流和温度，结合先进的故障诊断算法，动力电池管理系统可以迅速地检测潜在的异常情况并及时采取相应的措施。具体流程有以下 4个方面：一是实时数据监测，即持续监测电池的核心参数，并与预设的阈值进行比较；二是异常模式识别，利用机器学习或统计算法，如一阶差分、主成分分析等，从历史数据中学习并识别异常模式；三是故障预测，即使用先进的预测模型，如卡尔曼滤波、支持向量机等，预测电池的未来状态和可能出现的故障；四是报警策略，即一旦检测到异常或预测到潜在故障，系统会根据故障的严重程度采取不同的报警策略，比如简单的声光报警、紧急断电等4。3 电动汽车动力电池管理系统性能测试3.1数据采集准确性验证电动汽车动力电池管理系统在实际应用中的一个核心功能是对电池的实时参数进行准确的采集。汽车与设计212023.7这对于动力电池的安全操作、性能优化和健康监控至关重要。电动汽车动力电池管理系统的性能测试结果如表 1 所示。第一，电压是反映电池健康状态和性能的关键指标之一。在测试中，电池电压设定值为 3.70 V，而实际测量值为 3.69 V，其偏差仅为 0.01 V。这种微小的偏差表现了动力电池管理系统在电压数据采集方面的强准确性。第二，准确测量电池电流对于了解电池的实时工作状态和能量消耗具有关键意义。从测试结果中可以看出，实际的电流测量值与设定值之间的偏差非常小，仅为 0.05 A。这表明动力电池管理系统能够准确地监测电池的能量流动，并据此做出相应的决策。第三，过高或过低的温度都可能影响电池的性能和使用寿命。测试结果表明，实测温度与设定值的偏差仅为 0.2，体现了动力电池管理系统较强的数据采集能力。3.2电池健康状态估算准确性电池健康状态估算是动力电池管理系统的关键功能之一，它能够为用户和操作系统提供关于电池健康状态和预期使用寿命的关键信息，对于预防电池突发故障、制定充电策略及维护电池性能至关重要。从表 1 中可以看出，设定的电池健康状态值为95%，而实际估算的电池健康状态值为 93.5%，这种微小的偏差体现了动力电池管理系统在健康状态估算方面的强准确性。同时，电池健康值状态估算需要基于多种参数的综合分析，其中包括电池的内阻、开路电压、实际容量及其历史充放电循环次数等。3.3保护策略响应时间和评估结果动力电池管理系统中的保护策略可确保电池在各种工作条件下都能安全、稳定地运行。特别是当电池存在过压或过温等异常情况时，动力电池管理系统需要迅速并准确地做出响应，防止出现电池损伤，甚至是火灾或爆炸的潜在风险5。从测试结果中可以看出，对于电池过压情况，动力电池管理系统的响应时间仅为 8 ms，这意味着当电池电压超过安全范围时，动力电池管理系统能够在瞬间中断电池的充电或放电，有效地避免电池受到更严重的损伤。同样，对于过温情况，动力电池管理系统的响应时间为 15 ms，低于设定值。此外，动力电池管理系统不仅能快速地检测到这种异常情况，而且采取了“降低电流”的策略，有助于迅速减少电池热量产生，从而将电池温度维持在一个相对安全的范围内。针对过压和过温两种问题的保护策略的评估结果均为“合格”，表明动力电池管理系统能够准确执行这些策略，确保电池的安全性和稳定性。实际上，这种较强的准确性和较快的响应速度需要基于先进算法和高性能硬件，比如高精度的传感器及高效的微控制器、通信协议等。4 结束语动力电池管理系统在电动汽车中占据核心地位，其设计和性能直接关系电池的使用寿命及整车行驶的安全性。深入探讨电动汽车动力电池管理系统的主要功能、硬件和软件设计，结合严格的性能测试，可以确保动力电池管理系统在实际应用中安全、稳定且高效地工作。随着电动汽车技术的不断发展，动力电池管理系统将越来越受到重视，从而为电动汽车的广泛应用和可持续发展奠定坚实基础。参考文献：1 赵书美,魏冬.电动汽车动力电池管理系统控制问题研究 J .时代汽车,2 0 2 1(1 7):1 3 7-1 3 8.2 李秀玲,王永琴,任卫东.基于 D S P 的电动汽车动力电池管理系统的设计 J .电源技术,2 0 1 2(4):4 8 8-4 9 0.3 董伟.电动汽车动力电池管理系统设计 J .现代制造技术与装备,2 0 2 2(4):5 5-5 7.4 朱永康.浅析电动汽车动力电池管理系统 J .汽车维护与修理,2 0 2 1(1 7):7 2-7 5.5 纪文煜.电动汽车动力电池管理系统的设计与研究 J .时代汽车,2 0 2 1(3):1 1 1-1 1 3.表 1 电动汽车动力电池管理系统的性能测试结果测试参数设定值实测值偏差评估结果电池电压/V3.703.690.01合格电池电流/A10.0010.050.05合格电池温度/25.024.80.2合格估算健康状态值/%95.093.51.5合格循环次数估算/次3002982合格过压响应时间/ms108-合格过压保护效果断开断开-合格过温响应时间/ms2015-合格过温保护效果降低电流降低电流-合格