电动汽车动力电池管理系统设计与性能测试.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
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