徐海銘，黃 鵬，張潤(rùn)樾

（廣東財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511510）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)2014 年至2019 年間，我國(guó)新能源汽車銷量從34 萬(wàn)快速提升到2019 年的124 萬(wàn)，2021 年更是達(dá)到289 萬(wàn)，新能源汽車應(yīng)用勢(shì)不可擋。與此同時(shí)，電池包的比能也在政策的驅(qū)動(dòng)下，由2015 年的100（W·h）/kg提高到2020 年的250（W·h）/kg。除了銷量、比能的提升，另一個(gè)引人關(guān)注的是新能源汽車的自然事件，從2019 年4.21 號(hào)特斯拉自燃事件開始，整個(gè)行業(yè)進(jìn)入了高頻的起火接力，一輛接一輛，汽車鋰電池自燃已經(jīng)成為新能源汽車普及應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。為此業(yè)內(nèi)對(duì)鋰電池的監(jiān)控研究一直不停歇[1-4]，這些都為研究提供了較好的參考，這些研究雖然能較好解決問題，但是多數(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、成本較高。本文從實(shí)際出發(fā)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，提出一種低成本、簡(jiǎn)潔監(jiān)控汽車鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)，為相關(guān)研究拋磚引玉。通過基于CAN 總線的硬件及JavaScript 語(yǔ)言的軟件，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池鋰電池的各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)控，及時(shí)防控汽車鋰電池使用過程帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)基于MCP2510CAN 的CAN總線具有通信穩(wěn)定性強(qiáng)、能耗低的特點(diǎn)，基于JavaScript的后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控直觀且豐富，符合當(dāng)前新能源汽車對(duì)電池監(jiān)控的總體需求，在實(shí)際工作中起到較好的輔助作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)一是通過TBOX 檢測(cè)鋰電池在使用過程中的實(shí)時(shí)情況，同時(shí)輔之?dāng)z像頭對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；二是采用非耗散式的集中均衡管理電路，將電池狀態(tài)通過CAN 總線傳輸?shù)教幚砥?，?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電池充電時(shí)的電流與電壓，當(dāng)電池出現(xiàn)熱失控時(shí)，將利用CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)過熱自動(dòng)斷電，對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)。最終將數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行計(jì)算、匯總、分析。

軟件上，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電話App 的電池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控后臺(tái)數(shù)據(jù)檢測(cè)子系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行對(duì)電池的保護(hù)，遠(yuǎn)程控制電池的開啟與關(guān)閉。同時(shí)，利用“電+熱”耦合特征和BMS系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)電池狀態(tài)存在短路現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)通過V2X 數(shù)據(jù)鏈上傳到云計(jì)算服務(wù)器，向用戶及時(shí)反饋并切斷電池供電，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)保護(hù)。系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

將電池作為數(shù)據(jù)處理目標(biāo)，通過CAN 總線交換數(shù)據(jù)給檢測(cè)單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。利用BMS 電池系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，將異常數(shù)據(jù)通過TBOX 系統(tǒng)傳輸?shù)揭苿?dòng)電話終端，并通過遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)一鍵切斷。采取嵌入式系統(tǒng)將BMS和TBOX 整合信號(hào)傳輸距離、加快傳輸效率。用LTE和WIFI6混合網(wǎng)絡(luò)模式傳輸數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)主要分為電池檢測(cè)傳感器模塊、電池模組電路模塊和電池修復(fù)電路模塊。電池檢測(cè)傳感器模塊對(duì)電池模組監(jiān)測(cè)，并通過CAN 總線將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，通過控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值設(shè)置，控制器將處于異常狀況下（閾值以外）的數(shù)據(jù)打包處理后通過V2X 通訊模塊上報(bào)給云服務(wù)器，云服務(wù)器則分析后通過V2X 通訊模塊反饋預(yù)處理計(jì)劃指令到控制器和/或發(fā)送通知到車主。系統(tǒng)的整體模塊詳細(xì)功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)整體模塊

2.1 電池檢測(cè)傳感器模塊

電池檢測(cè)傳感器模塊包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，電流傳感器采用霍爾電流傳感器，電壓傳感器采用霍爾電壓流傳感器，溫度傳感器采用熱電偶[5-7]。系統(tǒng)將電池進(jìn)行分組數(shù)據(jù)采集，采用CHV-25P/50、CHV-25P/600 霍爾電壓傳感器測(cè)量電池組輸出電壓和整體電壓，采用CHB-200SE測(cè)量電池電流。同時(shí)CAN控制器采用具備獨(dú)立SPI 接口、包含多發(fā)送/接收緩沖器的MCP2510CAN，收發(fā)器采用82C250。這種設(shè)計(jì)成本低廉，并在實(shí)際應(yīng)用中具有數(shù)據(jù)傳輸快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2 電池模組電路模塊

電池模組采用非耗散式的集中均衡管理電路，以確保充電時(shí)各個(gè)電池的充電狀態(tài)保持基本一致，其將電池狀態(tài)通過CAN 總線傳輸?shù)娇刂破?，?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電池充電時(shí)的電流與電壓，避免出現(xiàn)單一電池出現(xiàn)過充情況延長(zhǎng)電池的使用壽命。

2.3 電池修復(fù)電路模塊

基于車載嵌入式ARM 處理器控制器控制連接電池修復(fù)電路模塊[8]，電池修復(fù)電路模塊則電氣連接電池模組?？刂破骺赏ㄟ^CAN 總線下傳指令到電池修復(fù)電路模塊，讓系統(tǒng)自主的修復(fù)電流電壓異常的電池模組，實(shí)現(xiàn)電池組性能的相對(duì)平穩(wěn)，減緩電池組老化速度，減少因電池性能下降導(dǎo)致電池短路、電池?zé)崾Э氐默F(xiàn)象發(fā)生。此處，電池修復(fù)電路模塊可以采用脈沖修復(fù)法，也可以采用強(qiáng)電修復(fù)法。具體流程如圖2所示。

圖2 車用鋰電池檢測(cè)與保護(hù)流程

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要采用JavaScript 語(yǔ)言，包括車輛信息描述、車輛BMS 系統(tǒng)檢測(cè)、個(gè)人信息頁(yè)面、后臺(tái)管理頁(yè)面。車輛信息描述以展示車輛的基本信息為主，包括車型、參數(shù)、使用年限及電池型號(hào)等，該頁(yè)面提供的用戶交互可以為遠(yuǎn)端控制配置相應(yīng)的告警參數(shù)閾值；車輛BMS 系統(tǒng)檢測(cè)則實(shí)現(xiàn)檢測(cè)并顯示車內(nèi)溫度、車內(nèi)濕度、電池溫度、電池容量、電池電壓、電機(jī)電壓等基本參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控啟動(dòng)與關(guān)閉功能；后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)提供系統(tǒng)管理設(shè)備和數(shù)據(jù)，同時(shí)分析數(shù)據(jù)，同步進(jìn)行過熱斷電保護(hù)控制。后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 后臺(tái)監(jiān)控界面

系統(tǒng)的V2X 模塊能夠根據(jù)PUEs 和VUEs 的偏好列表（preference lists）以一種雙方都滿意的方式進(jìn)行用戶配對(duì)，實(shí)現(xiàn)PUEs 和VUEs 之間的穩(wěn)定匹配。實(shí)驗(yàn)表明這種方式能夠顯著提高V2X 通信網(wǎng)絡(luò)的整體信息量和PUEs通信的頻譜利用率。

系統(tǒng)將自適應(yīng)算法加入到EKF 算法[9]中，建立基于AEKF 算法[10]的SOC 狀態(tài)空間方程，利用MATLAB 編寫SOC 估算程序，并采用不同工況來(lái)驗(yàn)證AEKF 算法估算SOC 的精度及算法收斂性，接入CAN 總線，多線程傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行不同溫度下的HPPC 脈沖試驗(yàn)，利用多元線性回歸原理對(duì)模型參數(shù)識(shí)別，獲得各參數(shù)與溫度、濕度、電流、電壓的數(shù)據(jù)關(guān)系，搭建電池仿真模型，采用不同工況對(duì)模型精度驗(yàn)證。

最后軟件實(shí)現(xiàn)電池信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控與顯示?；谖锫?lián)網(wǎng)和自軟件搭建監(jiān)控中心界面，在MATLAB 環(huán)境下編譯基于AEKF 算法的SOC 估算程序，通過DDE 技術(shù)[11]實(shí)現(xiàn)軟件與MATLAB 的數(shù)據(jù)和CAN 的通訊，完成電池SOC 的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

移動(dòng)電話客戶端軟件提供鋰電池檢測(cè)到的所有信息及相關(guān)操作，點(diǎn)擊車輛BMS 系統(tǒng)按鈕，如車內(nèi)溫度、車內(nèi)濕度、電池溫度、電池容量、電池電壓、電機(jī)電壓等，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到此頁(yè)面的所有數(shù)據(jù)，提供電池監(jiān)控系統(tǒng)開啟與關(guān)閉功能，將電池上傳感器獲取數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示，讓用戶了解電池當(dāng)前的健康狀況和電池的狀態(tài)。系統(tǒng)開發(fā)界面如圖4所示。

圖4 移動(dòng)電話客戶端開發(fā)界面

CAN 控制器在總線只能在空閑中啟動(dòng)發(fā)送，每次只發(fā)送一位，如若出現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，系統(tǒng)將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志。系統(tǒng)采用擴(kuò)展幀通信[12]，其具備28 位數(shù)據(jù)位，在屏蔽寄存器和驗(yàn)收濾波寄存器中可以通過參數(shù)設(shè)置解決網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配的問題。一個(gè)幀具備8 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，可以有64 位定義數(shù)據(jù)。系統(tǒng)定義為：0～3 為報(bào)頭，主要用于描述電池組；4～7 位數(shù)據(jù)位，描述監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)類型（電壓、電流、溫度、濕度等）；8～15 位為命令位，描述數(shù)據(jù)發(fā)出命令類型（包括啟動(dòng)、關(guān)閉、巡檢等命令）。

軟件的主要工作流程：一是完成下位機(jī)硬件的初始化，創(chuàng)建文件目錄；二是系統(tǒng)發(fā)出CAN 信息幀，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)調(diào)用的流程；三是在接收到CAN 信息幀后按照系統(tǒng)設(shè)置的協(xié)議對(duì)其進(jìn)行解析；四是根據(jù)參數(shù)提取出數(shù)據(jù)，經(jīng)過偏移量修正和比例因子計(jì)算得出溫度、濕度、電壓、電流等實(shí)際值；五是根據(jù)數(shù)據(jù)種類和預(yù)設(shè)的閾值，判斷數(shù)據(jù)是否正常，實(shí)現(xiàn)報(bào)警或自動(dòng)控制的功能。此過程，如若總線出現(xiàn)錯(cuò)誤、仲裁丟失等情況，則啟動(dòng)程序中斷并記錄相應(yīng)過程，以備故障診斷，所有數(shù)據(jù)的處理、分析與記錄主要基于阿里云。

軟件模塊主要分為初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫濕度控制模塊、SOC 估計(jì)及CAN 通訊模塊。軟件啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行初始化判斷，并對(duì)預(yù)加電測(cè)試進(jìn)行判斷，如果加電成功則進(jìn)行母線繼電器閉合操作并進(jìn)一步數(shù)據(jù)采集，否則進(jìn)入中斷響應(yīng)模塊。數(shù)據(jù)采集后將在阿里云服務(wù)器上進(jìn)行計(jì)算，分別判斷當(dāng)前電壓、溫濕度是否正常，如果過壓則閉合母線繼電器，并在CAN 通訊模塊進(jìn)行處理。溫度不正常則啟動(dòng)響應(yīng)程序或關(guān)閉相關(guān)程序，同時(shí)對(duì)電池單體均衡進(jìn)行判斷；如若正常則先進(jìn)行SOC 估計(jì)再進(jìn)入CAN 通訊模塊處理，單體均衡有問題則直接進(jìn)入CAN通訊模塊處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于CAN 總線的、電動(dòng)汽車鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有成本低廉、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、使用方便的特點(diǎn)，預(yù)加電測(cè)試功能能更有效保障乘客的安全。系統(tǒng)將電池作為數(shù)據(jù)處理目標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、如果發(fā)現(xiàn)電池狀態(tài)存在不可通過控制器補(bǔ)償修復(fù)的不可逆的嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可及時(shí)通過V2X 通訊模塊上傳到云計(jì)算服務(wù)器，云服務(wù)器收集用戶行駛的過程中車輛的動(dòng)力電量配置情況，可通過移動(dòng)電話App實(shí)時(shí)反饋汽車電池狀況，讓用戶了解自己的行車狀況是否健康，因而減少車主不規(guī)范的行車加速電池老化的速度，并可以根據(jù)車主的需求配置新能源汽車動(dòng)力，也可以通過收集得到的數(shù)據(jù)由大數(shù)據(jù)云計(jì)算分析反饋，讓電控一體給車輛自適應(yīng)的配置動(dòng)力能量，以減少耗能，增加續(xù)航里程。目前系統(tǒng)對(duì)電量的估計(jì)仍需要進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度，在進(jìn)一步研究中，將更為深入探討電池荷電狀態(tài)的估算算法。