电动汽车动力电池的安全系统研究

邓钊 刘汉华

摘要：电动汽车动力电池在安全性、高能量密度、高功率密度、长寿命、成本控制等使用性能方面有一定的要求。中央控制单元、电流电压采集电路、热管理电路、单体电池均衡电路等硬件结构设计质量，对电动汽车动力电池的安全性与充电放电效率有直接的影响。而电动汽车动力电池安全系统的软件设计包括控制实现、电量检测及上位机软件等三项内容。

关键词：电动汽车   动力电池   安全系统   硬件   软件

中图分类号：U469.72

Research on the Safety System of the Power Batteries of Electric Vehicles

DENG Zhao  LIU Hanhua

Liuzhou Vocational and Technical College， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545000 China

Abstract： The power batteries of electric vehicles have certain requirements for performance such as safety， high energy density， high power density， long life and cost control. The design quality of hardware structures such as the central control unit， the current and voltage collection circuit， the thermal management circuit， and the single battery equalization circuit directly affects the safety and charging and discharging efficiency of the power batteries of electric vehicles. The software design of the safety system of the power batteries of electric vehicles includes three aspects： control implementation， electricity detection and upper computer software.

Key Words： Electric vehicle; Power battery; Safety system; Hardware; Software

作為汽车领域达成碳达峰与碳中和目标的重要产品，电动汽车运行的安全性成为社会公众重点关注的对象。动力电池作为直接影响电动汽车运行质量的重要因素，有必要为其设计一套完善的安全方案，以促进我国电动汽车行业可持续发展。

1电动汽车动力电池的基本结构

电动汽车动力电池的基本结构包括电芯、模组及电池包三个部分。（1）电芯。这是动力电池充电放电的基础元件，能为电池提供氧化还原反应条件，可以细分为正负极片、隔膜、电解液等部件。根据电动汽车动力电池生产单位选择的生产工艺，可以根据封装形式细分为圆柱、方形、软包等几种电芯形式。其中的圆柱电芯，尺寸较小，制造成本较低，但是不具备更好的散热性能，质量偏重。方形电芯，拥有良好的散热性能与可靠性，但是制造成本相对较高。软包电芯，质量较轻，可以根据动力电池的制造需求，对制造尺寸进行调整，但是软包电芯的生产工艺有待提升，制造成本相对较高[1]。（2）模组。模组负责保护电芯，可以避免受到来自动力电池外部热因素的影响，从而规避振动冲击。需要设置一个模组框架，若干电芯连接后，将其放置在框架中，即可获得动力电池的模组。（3）电池包。这是动力电池安装在电动汽车中的最后形态，需要在制造模组后，装载动力电池安全系统、冷却系统及以线束、支架等为代表的各种部件。可以认为，电芯是电动汽车动力电池的基础单位，由多个电芯配置成一个模组，再由多个模组配置成一个电池包，通过装载相应系统与部件，以动力电池的形式安装在电动汽车上，为电动汽车提供运行驱动力。

2电动汽车动力电池的使用性能要求

2.1安全性要求

安全性要求是开发设计电动汽车动力电池的首要目标。动力电池需要储存足够多的能量，这会导致自身安全性下降，并且，容量越大就更容易发生安全风险，风险规模也会越大。例如工作温度超过动力电池温度阈值，电池出现短路、漏液等问题。正因为电动汽车动力电池存在较高标准的安全性要求，所以需要设计一套更为完善的安全系统。

2.2高能量密度要求

高能量密度要求是動力电池基础设计指标，是评价动力电池工作性能的主要内容，可以用动力电池的续航里程表示高能量密度水平。相比于传统燃油汽车，电动汽车可以利用锂电池设计动力电池，利用较小的设计体积与较高的能量密度，来提升电动汽车的驾驶里程。

2.3高功率密度要求

高能量密度用动力电池的续航里程表示，而高功率密度则用动力电池单位体积输出的功率表示，两者并不存在直接关系。高功率密度倾向于描述动力电池的倍率性能，以电动汽车的爬坡水平、短距离加速效果等方式进行表达。

2.4长使用寿命要求

较长的使用寿命可以达到电动汽车运行效率的目的。例如，充电放电次数会加速磨损效果，增加动力电池老化速度。如果长时间处于高温工作环境，会极大降低动力电池的使用寿命。为此，就需要设计良好的安全系统，为动力电池提供一个相对稳定的工作环境，减少电动汽车运行故障。

2.5成本控制要求

动力电池的设计质量影响着电动汽车的生产制造总成本。以纯电动汽车为例，因为电动汽车驱动力均由动力电池提供，所以动力电池的设计与制造成本几乎达到纯电动汽车生产制造成本的50%左右。为此，应在保证动力电池可以为电动汽车提供稳定运行性能的基础上，合理控制生产制造成本。

3电动汽车动力电池安全系统的硬件结构设计

3.1中央控制单元

中央控制单元是负责对动力电池安全系统进行全局化控制的重要硬件结构，主要关系到动力电池的电力参数、温度参数等数据接收，并根据电动汽车当前的运行情况，对接收到的数据信息进行更为详细的分析与处理，完成对动力电池剩余电量状态（State-of-Charge，SOC）的估算，根据实际电量与驾驶需求，对动力电池发出相应的运行命令，并展开必要的控制。硬件结构的中央控制单元还需要与软件系统的上位机进行必要的数据信息交流，以此形成软件、硬件同步运行[2]。利用更为详细的模块化设计工艺，可以为整个硬件结构协同合作提供便利条件，合理降低动力电池电路系统维护与检修的时间成本。

3.2电流电压采集电路

电流电压采集电路进行数据的收集与分析，和中央控制单元一同投入到动力电池SOC的估算。大多数动力电池使用4节锂电池电池组的设计模式，一节电池拥有3.2V的工作电压。对于主控制器的A/D转换通道接口，其最大承受电压为3.3V，为合理提升单片转换接口的使用安全性，一般会通过CHV-25闭环霍尔传感器测量动力电池电压数据。将CHV-25闭环霍尔传感器与动力电池的正负两端进行连接，对收集的数据做转换处理，即可完成信号传输到主控制器显示在上位机的数据传输过程[3]。设计动力电池电压采集电路时，可以考虑应用一些使用频率较高、稳定性良好的电压检测方法，例如飞渡电容、电阻分压等。如动力电池采用单体电池设计模式，可考虑用电阻分压进行电压检测。对于电流采集电路的设计，可基于闭环磁补偿电流原理，使用匹配动力电池的电流传感器来增强抗干扰性能，提高电流数据采集精度与效率。

3.3热管理电路

动力电池不断输出电力资源，会提高动力电池的工作环境温度。在持续高温运行条件下，动力电池的工作性能受到较大负面影响。就会减少电力资源的持续供应，这就需要通过热管理电路系统性地降低高温影响。在自然环境温度偏低时，需要通过热管理电路激活动力电池的化学反应来生成部分热量，抵消低温条件的负面影响[4]。如果动力电池的工作温度偏高，则要通过热管理电路启动必要的降温方法，例如通过电风扇生成气流，起到降温效果。也可与相应的预警系统进行组合设计，在达到预设温度上限或下限时，对驾驶人员发出报警，同步启动热管理电路系统，对动力电池做降温或升温控制。

3.4单体电池均衡电路

如果电动汽车采用单体电池设计模式，会面对一个电压不均衡供应的现实问题。据此设计的单体电池均衡电路，在电压达到不均衡状态时，会以预设电压上限作为标准，对电压做出有效控制，确保过余电量得到合理消耗。也可采用分流电阻均衡电路器，通过简化的开关进行控制，保障单体电池电压顺利达成均衡供应的目标。

4电动汽车动力电池安全系统的软件系统设计

4.1控制实现

为有效提升电动汽车动力电池安全水平，顺利达成软件系统控制目标，就需要通过主工作模块，针对数据采集模块、电池组、故障记录、充电放电控制等功能模块展开全面控制。在设计电池组模块的软件控制系统时，要以电动汽车的运动速度为基础，分析动力电池当前工作模式是否满足电动汽车的运行需求。如果两者没有达成一致，则向继电器发送相应的动作控制指令，对电池组的串并联模式进行调整，以保障动力电池稳定运行。在设计故障记录模块的软件控制系统时，则预先确认动力电池运行过程中可能发生的故障，例如电流、高压、高温、低温等，做好故障的梳理。当动力电池发生故障时，首先确认故障类型，再确认发生故障的硬件结构与工作电路，通过指示灯提示驾驶人员及时停靠并进行维修。利用蜂鸣器展示故障类型，通过指示灯确认动力电池故障位置，辅助相应的文字提示。在这个过程中，故障记录模块将本次故障发生的事件、类型、位置等进行详细记录，便于维修人员开展精准的故障维护[5]。充电放电控制模块在负载电路控制的基础上，受到充电机、放电机的控制，可有效提升动力电池的充电放电控制质量。

4.2电量检测

在动力电池安全系统的软件中，也存在电量检测相关内容。软件系统设计有关动力电池电量检测算法，需要以动力电池生产工艺与设计模型共同决定。在大多数情况下，会选择三阶等效动力电池检测数据模型，利用动力电池运行过程中生成的高斯白噪声，展开更为详细的电量检测。但是，在动力电池工作状态切换时，会生成一定的噪声，严重情况可能会出现震荡，这导致电量检测软件系统的功能受到负面影响，获得的电量检测数据存在一定误差。出于路面平整性、驾驶人员操作技术等原因，驾驶中如出现震动，同样会对动力电池电量检测精度造成影响，可以考虑在动力电池电量检测算法中增设滤波算法，并根据工作需求对滤波算法的功能做必要的扩展。在动力电池电量出现变化时，即可对随机生成的噪声做有效滤除，从而实现通过软件系统，提高电量检测精度的效果。

4.3上位机软件

上位机软件是动力电池安全系统控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的通信节点，负责接收主控单元提供的动力电池工作状态信息，进行必要的报警信息提示等工作。因为上位机主板不设置CAN接口，不具备通信功能，所以需要把CAN接口卡和上位机现有的通信接口通过合理方式设置成用于通信的CAN接口。例如USBCAN-Ⅱ驱动，就可以将原本的USB接口转化为CAN通信接口，从而获得连接动力电池安全系统的功能。而且，CAN通信接口可兼容多种开发环境，根据动力电池的运行需求进行功能的二次开发[6]。在设计上位机软件时，需要考虑一些基础功能。例如针对动力电池工作电压、温度等指标的实时显示，以图像形式显示SOC估算数据。可通过上位机软件设置三种颜色指示灯来辅助故障报警，例如严重故障为红色指示灯，普通故障为黄色指示灯，没有故障为绿色指示灯。上位机软件还需要拥有相应的数据存储空间，用于存储动力电池运行数据信息，方便后续的维护。可为上位机软件提供一定的功能拓展接口，例如将上位机软件与高精度万用表同步应用，对动力电池安全系统运行精度进行综合分析，确认运行精度在系统设计误差范围内，保障动力电池安全系统正常运行。

5结语

在设计电动汽车动力电池的安全系统时，需要根据电动汽车的性能、动力电池生产需求，对部分细节内容进行优化，确保对动力电池可实现全天候、无缝化的安全控制，合理提升动力电池使用寿命，提高电动汽车运行稳定性。

参考文献

[1] 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，2022（4）：55-57.

[2] 任崇.电动汽车动力电池管理系统的设计探究[J].专用汽车，2023（9）：9-12.

[3] 刘春宝，王枫.电动汽车电池组状态检测系统[J].仪表技术与传感器，2022（10）：123-126.

[4] 蒋超宇，杨学平，杨继玺.电动汽车动力电池管理系统控制方法研究[J].内燃机与配件，2021（2）：193-194.

[5] 刘岩，尹艳萍，黄倩，等.我国新能源汽车动力电池安全現状分析与探讨[J].电池工业，2022（6）：309-312，320.

[6] 尹丽琼，韦安定，韦财金.大数据下电动汽车动力电池故障诊断技术现状与发展趋势[J].时代汽车，2023（13）：154-156.