电动汽车单体电池信息采集及故障诊断系统

王晓敏，刘亚萍

（湖北省电力装备有限公司，湖北 武汉430060）

由于我国对于环境问题的重视，以及全球的能源危机越来越严重，因此，发展节能减排的电动汽车刻不容缓，这是我国对于可持续发展战略做出的重要措施。大量的数据表明，我国普通的汽车尾气是造成环境污染的主要原因之一，也是大城市持续雾霾天气的主要原因。随着我国机动车数量的逐渐增加，机动车污染物总量也在与日俱增。我国大部分城市严重雾霾的天数也呈现出明显的增加趋势，不仅会造成严重的陆地和空中的交通拥堵，还会对人类的身体健康造成严重的危害。由于我国整体经济水平的提升，人们对于自己所生活的环境要求也越来越高。电动汽车的最大特点就是“零排放”尾气，而且，对于电动汽车的充电问题，还可以利用电网晚间的价钱比较低的“谷电”进行充电，这样对于电网的调峰填谷也大有益处，达到蓄能效果，两全其美。本文的主要研究目标是电池组功能的安全，对于动力电池产生的故障及机理以及单体电池信息采集系统故障检测的原理进行了具体的分析。对于出现问题的系统及充放电系统进行了设置，并且还对其充放电情况进行了模拟，对电池信息的采集系统问题进行了大量的研究与验证。基于此研究基础，设计了一个单体电池信息采集系统以及发生问题模拟注入系统的故障检测模拟平台，并且以SAEJ1939平台的设计作为基础为两者之间做了一个CAN的协定。这个平台对于电池信息的充放电以及故障的模拟还进行了监控模式，这样可以对整个过程进行监控和验证。

我国对于电动汽车的发展高度重视，并且各地政府也相继制定了一系列的政策。然而，如果要实现电动汽车的大规模普及，还有很长的一段路要走，还有很多的问题需要我们去解决。包括很多发达国家的政府和大部分的著名汽车制造商以及研究机构都在致力于电动汽车相关技术的研究与开发及其应用，力图使其成为新时代汽车产业发展的主流。对于电池系统进行相关的管理控制，是目前对于电动汽车所实施的主要因素之一，并且这一问题已经得到了比较好的解决，很多国外的汽车制造商都纷纷推出了自己的电动车系列，一个蓬勃发展的电动汽车市场正在兴起。

截至目前，我们可以预测到，电动汽车将是未来汽车产业的发展方向。而目前整个电动汽车系统比较庞大且价格偏高。对于整个系统而言，对电动汽车电池管理系统的增加刻不容缓。电动汽车的主要核心技术就是将能量进行互相的转换，而现在的主要问题是对于电池技术的突破与创新以及对于电池管理方面需要一个大的提升。因为路况、工艺以及线束方面的原因，电动汽车比较薄弱的环节主要是动力电池组，这也是发生危险的重中之重。

1 单体电池信息采集系统设计

纯电动汽车的三大核心部件是电池、电控和电机。因此，我们为了实现节能环保的目标，既需要对它们进行紧密的连接，也需要各自进行优化升级。纯电动汽车需要更长的电池寿命、更高的稳定性和更可靠的故障报警，这对锂电池控制器管理这些电池组提出了很高的要求。其中单电池信息采集系统是LBC的核心功能。

1.1 单体电池信息采集系统的结构分析

根据电池组的分组结构，锂离子电池的控制器有两种类型，一种是分布式，一种是集中式。其中依靠主控模块以及多个测控模块的是分布式控制系统，这个系统适合于电池组分布区域比较多的环境。集中式主要是对于电池组的一体化的结构，这可以实现其对温度、电压之间的测量与管控。这一结构可以很好地限制其采集线束的长路途的连接，具有成本低、集成度高、稳定性好的优点，适合电池空间相对集中的环境。

在纯电动汽车发展之初，有很大一部分的汽车厂商都在对之前传统的汽车结构进行改装。但是因为动力电池组的质量和体积很庞大，而且由于整个车的平衡以及其稳定性能要求，电池组分为两个，所放的位置也不同，一个放置在座位下侧，另外一个放置于后备箱中。以电池组的设计为基础，锂离子电池的控制器还需要将电池组的结构分为单体信息采集模块和分散式设计模块。

总的来说，集成的电池组结构可以提高车辆的安全性和稳定性。本篇文章对于电动汽车的单体电池信息采集系统是在电池组集成的基础之上，使用集成式的结构设计。

1.2 单体电池信息采集系统的功能分析

限制电动汽车的发展以及对其宣传力度进行约束的主要原因是其电池技术。因为尽管其里面携带的锂离子电池含有密度比较高的能量，使其成为电动汽车的理想电源，但是使用锂离子电池的成本较高。在电动汽车的推行之中，其中电池组的费用大概占其的一半以上。因此，我们必须采取相关的措施对于电池的成本进行严格的管控，达到电池组使用时间延长的目的，从而使得电动汽车的总成本得到一定的降低。除此以外，锂离子电池的功能比较强大，比如对于车辆的安全实施以及对于其充放电的优化都有一定的影响作用。锂离子电池的首要任务就是需要保障动力电池组能够有效且可靠的运行下去。

依据以上研究内容可知，锂离子电池控制器的功能如：对单体的电池信息进行采集和处理；并且能够对其各个参数进行汇总和处理记录；根据其实时汇报的信息情况可以充分的保障其充放电，对电池组的管理情况有了进一步的成效。不要对其充电或者放电的时间过长，否则会造成不可逆的损害；依据对于已知的电池温度信息，对其温度进行调节，并使电池组的温度一直处于离子的活性高的处境之中。

1.3 单体电池信息采集的优势与缺点

目前，新能源汽车的主要问题就在于电池技术的提升。虽然电池的比能量普遍较高，同时对于环境的污染很小，但是电池的稳定性和安全性还有待提升。增加单体电池信息采集系统能够时刻检测电动汽车电池的状态。使用者可以根据信息采集得到的数据对电池采取不同的保护措施。由于锂电池的效率会受温度的影响，所以使用者可以根据信息采集提供的数据采取一定的措施使电池始终处于一个高效率的状态。这样电池的使用寿命可以增加，同时因电池高温导致起火的现象也会得到改善。另外，单体电池信息采集能够及时发现电池的故障，有助于电池的维修与保养工作的进行。

部分单体电池信息采集系统存在布线复杂、故障率高、成本较高以及安全性较差等问题。布线复杂是为了更好的检测电池组的各项数据，然而故障频发、安全性差都与布线的复杂程度有很大关系。如何在确保数据监测准确性的前提之下减少布线的复杂程度，提升稳定性是当前单体电池信息采集系统发展面临的重要问题。单体电池信息采集系统的成本高将会导致电动汽车的生产成本提高，然而如果产品超出了大部分使用者的消费能力，那么其销售量将会下降。电动汽车的推广也会遇到困难。

2 单体电池信息采集系统故障诊断

电动汽车的安全性至关重要。蓄电池系统不仅为车辆提供电源，也可能成为其严重的安全隐患，因此需要考虑蓄电池系统的安全性。电池故障诊断的前提是锂离子单体电池状态信息的采集。根据采集到的状态信息，进行故障预警和故障处理。在该系统中，单体电压采集、电池均衡、总电压的采集以及对于电池温度方面的设定都是以单体的电压系统作为基础的，也就是说单体电池的信息采集系统是故障诊断的主要内容。

对于故障问题进行检测和维修这一功能不仅要靠理论还要靠实践以及信息和其他技术相结合。其主要技术手段是以现代的测试仪器和计算机为主，然后综合其检测对象的规律性，逐渐的对其形成一种比较新的学科。故障诊断方法是在现代工业化进程中逐步发展和完善的。早在上世纪中叶，欧美等国家就在航空航天、重型机械等相关领域建立了故障预防机制。随着故障诊断技术带来的经济效益越来越明显，在汽车等安全、精密行业故障诊断技术也得到了重视和发展。

汽车的主要问题是指汽车的少许部件或者全部部件已经完全不能正常工作的一个问题。对车辆进行维修检测是指对于汽车不进行零部件的拆卸，通过技术手段对汽车进行检测、分析和判断，从而找出汽车出现问题的根源，找出解决的办法。对于汽车维修情况主要是对其维修原理、理论研究以及方法方面进行分析思考的一个过程。其中包括车辆物理方面的诊断、数学方面的诊断检测以及其他学科的重要诊断技术。对于汽车的故障一般情况下将其分为两个方面：一个是对于汽车的电气方面进行维修，另外一个是对于汽车的机械方面进行维修。这两个方面都有其理论研究的方法。由于我国经济的迅速发展，现代汽车行业也得到了很快的发展，因此为了方便其维修工作，对于汽车的控制方面，需要对其诊断的功能进行系统的研究，比如车载的诊断功能。这个功能可以自动诊断出发生故障的原因，并且可以将这一故障的数据放于储存器中储存起来，然后采用专门的检修仪器，这样可以极为方便的对系统的工作状态以及需要维修的部位做出检测并给出结果。

对于电动汽车的故障进行维修与检测是一项比较综合性的技术工作，它主要是依靠其理论性以及系统性为基础的，其主要的技术方式是现代的测试方案。综合考虑研究的对象以及其发展的性能规律，从而形成的一个比较新型的学科。对于电动汽车故障诊断方案在我国目前的研究领域中正在逐步的发展中。目前，我国对于电动汽车故障的预防效果越来越好，所带来的经济情况日益明显，这种诊断方式在汽车的安全以及精密领域都得到了高度的重视与发展。

3 单体电池信息采集系统故障诊断种类及分析

3.1 诊断的技术

由于我国近几年在互联网、计算机以及人工智能方面的技术都得到了空前的发展，电动汽车存在的技术问题也在不断地被改善。依照德国F教授所说，对于其故障诊断的方法可以被分为三种：解析模型法、信号处理法、知识推理法。目前，由于我国在这方面的理论研究和相关研究领域的深入，很多新的研究方法也应运而生，先前的很多诊断法已经不能得到良好的诊断了。因此，本篇文章结合相关的文献综述对诊断的方法重新进行了分类：定性与定量的分析法。

3.2 对于电动汽车故障的分类

电动汽车出现故障性的问题分为部分故障和完全故障。部分故障是指汽车某部分零件损坏，导致其不能进行工作；完全故障是指汽车已经完全不能进行工作。对于汽车的诊断指：不拆开其零件的情况下，采用相关的仪器以及技术方法对汽车的状况以及其故障的原因进行简单的维修与判断操作。由于我国汽车行业发展的比较迅速，因此为了方便人们进行维修，一般汽车上面的控制器之中，都会有自动进行故障检测的功能。这个功能可以自行的进行故障检测，然后将故障代码输入其零件之中，再采用相关的仪器进行测试，就可以比较方便的对系统的状态以及发生故障的部位进行检测。

3.3 电动汽车单体电池信息采集对其故障的分析

故障的分析分为两种，一种是定性的分析，一种是定量的分析。从定性的分析考虑，主要是对电动汽车单体电池信息的采集系统之中产生的故障机理进行分析研究，然后以系统故障状态为起点，依次进行分析，分析故障产生的原因，然后依据其失效的模式进行分析，设计出与故障相关的措施。

根据市场上对于电池管理系统、锂离子电池的控制器在运行过程中所出现的问题，本篇文章对于单体电池信息采集系统的主要故障进行了相关的分析。动力电池的故障机理有两个原因：分别与单体电池和电池组有关。单体电池发生危害的主要原因是由于锂离子电池在使用的过程之中，会发生损伤，比较严重的情况下会发生爆炸危害。电池组的原因是，电动汽车的电池组是很多的单体电池进行串联而组成的，所以只要单体电池之间的充电和放电不一样，那么就会导致电池组之间会发生不一致的现象，所以为了阻止电池之间发生过量的充电放电或者少量的充电放电等情况，系统需要设置一个参数范围，防止这种现象的发生。

4 结束语

本文在研究电动汽车功能安全和锂离子电池信息采集系统的基础上，对电动汽车电池信息采集系统的功能需求、故障产生机理、故障诊断原理和故障测试方法进行了深入的分析和研究。为了提高锂离子电池控制器的工作可靠性和功能安全性，我们采用了世界上最高安全级别的单体电池电压采集方案。在电池组的温度检测和总电压检测方面，采用了一种新的解决方案，这样对于我国电动汽车硬件设施的利用得到很大提升，并且还有助于成本的降低。