新能源客车电池监测系统的设计

梁文甫

摘要：随着环境污染、化石能源短缺的影响日益严重，高效节能与新能源汽车成为研究热.毅，同时新能源客车在城市公共交通应用广泛。电池是新能源客车的关键设备，其性能关系到整车的安全与可靠运行。电池监测系统通过及时獲取电池相关参数用于支撑新能源客车稳定的运行，从而确保新能源客车的性能。因此，对新能源客车的电池监测系统进行研究具有实际应用意义。

关键词：新能源客车;电池监测;SOC估算

引言

环境污染、能源短缺等问题日益严重，世界各国都展开了清洁能源和新能源汽车的研究及其应用。新能源客车作为一种使用清洁能源的新型客车，在现今社会中得到了广泛的商用。据统计，新能源客车发生自燃现象，主要原因就是电池出现了故障[1]。

根据目前的电池制造技术，要想降低新能源客车的使用成本，提升使用效率和安全可用性，就有必要对新能源客车的电池能量进行科学监测与实施管理。开展电池监测主要目的是监测电池状态是否处在合理的范围内，方便驾驶员及管理人员查看，同时为维护检修人员提供数据支撑。有效的电池监测能够确保新能源客车的性能，进一步保障新能源客车的安全稳定运行，推动新能源客车的发展。对新能源客车的电池监测系统进行研究具有重要现实意义。

1 新能源客车电池监测系统概述

电池监测系统是新能源客车的能源管理枢纽，它的主要功能是对电池组进行相应的保护、相关信息检测、报警及安全控制以及信息数据汇总上传。电池通过CAN总线将若干个从控模块与主控模块连接起来并相互传递信息，并将数据上发到上位机进行显示或通过GPRS模块上发到服务器进行大数据分析;对电池的荷电状态进行估算，并以电池的荷电状态或单体电池电压为均衡依据，来对电池进行均衡操作，提高电池的循环次数，改善整车的续航能力;检测电池组对地的绝缘电阻，防止出现漏电流的情况。

2 新能源客车电池监测系统方案设计

将电池组分为若干块子电池组，每个电池组由一个从控板控制，从控板将相应的电池电压、电流、温度等信息采集以后上传到单独的主控模块，每一块从控板还可以根据相应数据计算每节单体电池的SOC，以SOC为均衡变量进行电池均衡控制。主控板在获得电池数据后，可通过CAN总线将数据传送到显示模块，也可通过GPRS模块将数据传送到中心数据库中。

2.1 硬件系统的设计

新能源客车电池监测系统的硬件模块分成以下几个部分：①数据采集模块。数据采集由电压和温度采集器构成，通过设置在各个电池和节点上检测和收集电池和节点的运行数据。②中央处理模块。数据模块是管理系统的处理中枢，因此需要较强的运算能力，因此采用微处理器为STM32。③检测模块。检测模块分成电压检测和电流检测单元组成，电压检测单元通过电池管理芯片对总电压和单体电压数据检测和收集，电流检测单元则是利用霍尔电流传感器将采集到电流值。温度检测单元采用热电偶测温技术，通过热电偶的模拟差分电压测得温度值，通过总线上传到温度模块内的单片机，CPU对温度值做温度补偿处理后，上报给主控器。④显示模块。⑤控制模块。均衡控制模块采用非耗散式的集中均衡管理电路实现，主要作用是确保充电时各个电池的一致性，延长电池的使用寿命。⑥通信模块。信息通信采用CAN总线技术完成[2]。⑦信息管理模块。将电池数据作为处理的目标，检测单元通过通信模块交换数据，并对数据进行处理和存储。

2.2 SOC算法

新能源客车电池监测系统的SOC算法采用卡尔曼滤波法，通过对静态自学习残余电量算法来计算电池的初始SOC，需要使用到大量的实验数据和精确地电池使用信息，同时还需要电池两端的电压值和温度信息，这样计算的初始SOC比较准确，然后将这个值作为输入值，可以使用卡尔曼滤波法来估算实时电池SOC[3]。由于计算公式并不是线性的方程，因此要在计算中实现线性化必须给出误差和估计值的协方差矩阵来估算误差范围，然后再取比较精确的SOC数值。

2.3 软件系统的设计

2.3.1 电池组控制单元软件模块设计

电池组控制单元的软件功能包括：主程序、电流检测与总电压检测程序、绝缘检测程序、系统状态控制程序、数据处理程序、CAN通信程序和GPRS通信程序。其中电流检测与总电压检测程序为STM32通过AD采样电路读取前段采集到的总电压电流数据;然后进行CAN总线和汽车整车控制器、非车载通信模块和从控板通讯，并将GPRS数据上传到服务器的数据库中，汇总各个电池的电压、电流、温度、均衡等数据，处理报警信息等;绝缘检测程序是通过绝缘检测模块上传的绝缘电阻模拟信号到AD采样电路后得到的数字信号判断系统的绝缘电阻安全程序。

2.3.2 电池监测单元软件模块设计

电流电压采集程序是电压检测模块将采集到的电压数据和霍尔传感器经过调理后的电流信号传输给STM32;温度检测程序是热敏电阻的分压值经过滤波电路后直接接入STM32的ADC模块，并根据热敏电阻的温度一阻值特性推算出电池温度;SOC模块主要是通过迭代法计算电池荷电状态，为均衡的开启与控制作准备;均衡程序根据SOC迭代法估算的SOC值进行均衡判断，对需要被均衡的电池打开开关矩阵对应的MOS管栅极，进行电池空间重组和能量转换;CAN通信程序是从控板与主控板的通信程序。

3 新技术的应用

神经网络法是模拟人脑的神经元以处理非线性系统的一种智能算法[4]。该方法适用于各类电池，只需要提前从待测电池中获取大量的测试数据作为预测样本，然后将其输入到建好的模型中即可得到电池的SOC值，可以动态地获取电池的运行参数，并能有效的避免Kalman滤波法将电池模型做线性处理所产生的误差。

结语

新能源客车电池监测系统对新能源客车电池工作和应用有极其重要的影响，因此在本文中对现阶段电池监测系统中存在的问题进行分析，并重新进行新型智能化新能源客车电池监测系统的设计，重新设计了硬件及软件，通过更新硬件设施和智能化算法和软件应用，能够在很大程度上满足新能源客车电池工作的要求，促进我国新能源客车产业的发展。

参考文献

[1]李桂娟，张持健，施志刚，等.基于LabVIEW的锂电池SOC预估与参数监测系统[J].传感器与微系统，2018，37（10）：69-71.

[2]刘志伟，荆有泽.基于CAN总线的锂原电池组在线监测系统设计[J].电源技术，2018，42（05）：645-647+670

[3]罗世昌，杨进.基于迭代卡尔曼粒子滤波器的锂电池SOC估算算法研究[J].工业控制计算机，2019（02）：104-106.