基于直流充電樁的動力電池診斷系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要:隨著電動汽車的普及，電動汽車在充電過程中的安全事故頻發(fā)。如何低成本的對電動汽車電池進(jìn)行健康診斷并保證充電過程的安全性，是當(dāng)前新能源汽車進(jìn)一步普及所面臨的一個重大難題。文章基于目前常見的直流充電樁，以STM32為主控制器開發(fā)并設(shè)計了電池診斷系統(tǒng)，通過實驗對診斷方法進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以對動力電池進(jìn)行健康診斷，提升充電過程的安全性。

　　關(guān)鍵詞:電動汽車動力電池;直流充電樁;電池診斷;STM32;直流內(nèi)阻

　　0引言

　　由于動力電池對高能量密度材料的追求導(dǎo)致其安全問題日益突出[1]，電動汽車的電池診斷需求也越來越龐大。然而電動汽車電池健康診斷市場還處于早期階段，主要以汽車生產(chǎn)廠商返廠診斷為主。極少數(shù)專門研發(fā)的電池診斷設(shè)備使用場景單一，需要用戶上門診斷[2]，使用便捷性不高，同時生產(chǎn)成本高昂。在充電過程中，如何保證電動汽車的安全是目前各充電樁廠商研究的主要方向。如果能將電池健康診斷與電動汽車的日常充電結(jié)合在一起，以此保證充電過程的安全，將會具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

　　1系統(tǒng)方案

　　為了克服目前動力電池健康診斷所面臨的實際問題，本方案在目前常見的直流充電樁基礎(chǔ)上搭建了動力電池診斷系統(tǒng)，在電動汽車日常充電過程中，基于使用STM32F107芯片的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)并設(shè)計一鍵診斷模塊，通過在充電過程中增設(shè)充電脈沖工步，獲取更豐富的電池充電數(shù)據(jù)。同時制定數(shù)據(jù)接口[3]，將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進(jìn)行儲存與診斷分析，通過電池一致性算法分析當(dāng)前的電池健康狀態(tài)，并反饋診斷結(jié)果。

　　2診斷模塊硬件設(shè)計

　　本方案在直流充電樁原有控制板基礎(chǔ)上外接診斷模塊，通過串口通信讀取BMS(電池控制系統(tǒng))發(fā)出的電池數(shù)據(jù)，并返回控制指令。在充電樁原有控制板主要負(fù)責(zé)電源的接入和輸出，診斷模塊主要負(fù)責(zé)充電邏輯分析以及電池數(shù)據(jù)的上發(fā)。

　　2.1硬件電路設(shè)計

　　系統(tǒng)的主控制芯片選用STM32F107VCT6用來控制診斷充電樁運(yùn)行的相關(guān)功能，并將采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺進(jìn)行相關(guān)的診斷分析，STM32F107VC使用高性能的ARMCor2tex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz。該器件包含2個12位的ADC、4個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含2個I2C，3個SPI，2個I2S，5個USART、一個USB和2個CAN通信接口，同時提供了以太網(wǎng)接口，極大的方便了電路設(shè)計，其豐富的外設(shè)接口，能夠滿足診斷模塊對充電樁系統(tǒng)中的電源模塊、電表、IC讀卡器、GPRS、觸摸屏等外設(shè)進(jìn)行控制的基本接口需求[4-5]。

　　2.2硬件電路設(shè)計

　　基于直流充電樁的電池診斷系統(tǒng)采用了多個獨立部件組合的設(shè)計，因此需要各模塊的通信接口對MCU資源進(jìn)行合理分配，實現(xiàn)MCU對各個部件的控制和管理。為MCU主要資源分配表�？刂葡到y(tǒng)共使用了四個串行接口分別與觸摸屏、GPRS、電表和IC讀卡器通信。觸摸屏、讀卡器與GPRS為RS232電平經(jīng)過轉(zhuǎn)換與MCU通信;診斷模塊通過458通訊口連接多功能電度表，精確計量充電汽車所充電量，讀取電流，電壓值來判斷充電過程中是否出現(xiàn)過流或者過壓的情況，便于保護(hù)處理。通過GPRS通訊模塊將電池數(shù)據(jù)上傳至云平臺并返回診斷結(jié)果，通過232通訊口與充電樁控制模塊實時通訊，將診斷結(jié)果在顯示屏上顯示。

　　2.3控制導(dǎo)引電路

　　結(jié)合診斷模塊后的直流充電樁的充電安全保護(hù)系統(tǒng)方案，包括直流充電樁診斷控制裝置、電阻R1、R2、R3、R4、R5開關(guān)S、直流供電回路接觸器K1和K2接觸器K3和K4、充電回路接觸器K5和K6以及車輛控制裝置。電阻R2、R3安裝在充電插頭上，R4安裝在車輛插座上。當(dāng)插頭插座完全連接后，開關(guān)S閉合。在充電過程中，充電樁控制裝置監(jiān)測接觸器K1、K2和K3、K4。車輛控制裝置監(jiān)測K5和K6的狀態(tài)并控制其接通及關(guān)斷。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　為基于直流快速充電樁的電池診斷系統(tǒng)運(yùn)行邏輯框架圖。本系統(tǒng)通過在傳統(tǒng)直流樁上增加智能診斷模塊，在充電過程中由該模塊向充電樁發(fā)送充電調(diào)控指令，控制充電樁按照診斷模塊中設(shè)定的控制邏輯改變原有的充電電壓進(jìn)行充電，并通過CAN數(shù)據(jù)通信將充電過程中獲取的電動汽車動力電池單體電壓、總電壓等電池信息打包上傳至云平臺在線診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)分析完成后返回電池健康狀況診斷報告。診斷模塊在不違反國標(biāo)的情況下控制電壓變化，并同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在電動車按照國標(biāo)發(fā)送單體電池電壓信息的情況下可以對相應(yīng)的通訊報文進(jìn)行解析上傳，并通過算法進(jìn)行直流內(nèi)阻計算與一致性診斷。

　　4電池診斷算法及實驗驗證

　　4.1直流內(nèi)阻診斷算法

　　內(nèi)阻是評價電池性能的重要指標(biāo)之一，內(nèi)阻的測試包括交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻。對于單體電池，一般以交流內(nèi)阻來進(jìn)行評價，即通常稱為歐姆內(nèi)阻。但對于大型電池組應(yīng)用，如電動車用電源系統(tǒng)來說，由于測試設(shè)備等方面的限制，不能或不方便來直接進(jìn)行交流內(nèi)阻的測試，一般通過直流內(nèi)阻來評價電池組的特性。因為直流內(nèi)阻過大會導(dǎo)致內(nèi)部壓降過大，對外輸出電壓減小，所以直流內(nèi)阻的大小是電池是否能夠繼續(xù)正常使用的首要指標(biāo)。在實際應(yīng)用中，也多用直流內(nèi)阻來評價電池的健康度，進(jìn)行壽命預(yù)測，以及進(jìn)行系統(tǒng)SOC、輸出/輸入能力等的估計。

　　在生產(chǎn)中，可以用來檢測故障電池如微短路等現(xiàn)象[7]。鋰離子電池內(nèi)阻測試方法包括伏安特性曲線法、HPPC(混合脈沖功率特性法)、開路電壓法、交流阻抗法等。其中混合脈沖法測試法步驟相對簡單，應(yīng)用最為廣泛。在本系統(tǒng)中，診斷模塊控制充電樁在充電過程中模仿HPPC測試方法增加充電脈沖，通過壓降計算電池直流內(nèi)阻，從而對電池健康狀態(tài)進(jìn)行分析。

　　4.2模擬實驗

　　(1)實驗條件實驗選用寧德時代新能源科技有限公司(CATL)的退役電池包作為實驗對象，實現(xiàn)一致性檢測方法的應(yīng)用。同時，電池包的單體信息來自于科列BMS鋰電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)單體電池電壓檢測誤差±5mV，電流采集端口誤差±1%，CAN通信速率為250kbps。

　　(2)實驗過程基于上述原理，本文設(shè)計的充電樁診斷模塊對充電過程進(jìn)行干預(yù)，在不違反國標(biāo)的情況下，當(dāng)電池SOC分別達(dá)到70%時，加入30s脈沖，將充電電流從45A降低至5A左右，同步進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)采集，對相應(yīng)的通訊報文進(jìn)行解析上傳，通過算法進(jìn)行直流內(nèi)阻計算與一致性診斷。實驗結(jié)束后讀取該段脈沖實驗數(shù)據(jù)，對電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

　　5結(jié)論

　　本文在目前常見的直流充電樁基礎(chǔ)上搭建了動力電池診斷系統(tǒng)，在電動汽車日常充電過程中，使用基于STM32F107芯片的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)并設(shè)計一鍵診斷模塊，通過在充電過程中增設(shè)充電脈沖工步，獲取更豐富的電池充電數(shù)據(jù)。同時制定數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進(jìn)行儲存與診斷分析，通過電池一致性算法分析當(dāng)前的電池健康狀態(tài)，并通過實驗驗證了系統(tǒng)的可行性。在下一步的開發(fā)過程中，可以結(jié)合大數(shù)據(jù)分析進(jìn)一步豐富電池診斷算法，從而更全面的進(jìn)行充電過程的安全預(yù)警以及電池健康狀態(tài)診斷。

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　　相關(guān)論文投稿刊物：《儲能科學(xué)與技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于2012年，是由化學(xué)工業(yè)出版社主辦的儲能領(lǐng)域唯一的科學(xué)技術(shù)類專業(yè)刊物。辦刊宗旨：立足儲能行業(yè)，報道儲能科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、產(chǎn)業(yè)動態(tài)和發(fā)展趨勢，交流推廣儲能新理論、新技術(shù)、新成果，服務(wù)科研和生產(chǎn)實踐，引導(dǎo)我國儲能行業(yè)健康發(fā)展。主要欄目：“特約評述”、“研究及進(jìn)展”、“應(yīng)用技術(shù)”、“產(chǎn)業(yè)動態(tài)”等。

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