基于直流充電樁的動(dòng)力電池診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要:隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，電動(dòng)汽車(chē)在充電過(guò)程中的安全事故頻發(fā)。如何低成本的對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池進(jìn)行健康診斷并保證充電過(guò)程的安全性，是當(dāng)前新能源汽車(chē)進(jìn)一步普及所面臨的一個(gè)重大難題。文章基于目前常見(jiàn)的直流充電樁，以STM32為主控制器開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)了電池診斷系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)診斷方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行健康診斷，提升充電過(guò)程的安全性。

　　關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池;直流充電樁;電池診斷;STM32;直流內(nèi)阻

　　0引言

　　由于動(dòng)力電池對(duì)高能量密度材料的追求導(dǎo)致其安全問(wèn)題日益突出[1]，電動(dòng)汽車(chē)的電池診斷需求也越來(lái)越龐大。然而電動(dòng)汽車(chē)電池健康診斷市場(chǎng)還處于早期階段，主要以汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商返廠(chǎng)診斷為主。極少數(shù)專(zhuān)門(mén)研發(fā)的電池診斷設(shè)備使用場(chǎng)景單一，需要用戶(hù)上門(mén)診斷[2]，使用便捷性不高，同時(shí)生產(chǎn)成本高昂。在充電過(guò)程中，如何保證電動(dòng)汽車(chē)的安全是目前各充電樁廠(chǎng)商研究的主要方向。如果能將電池健康診斷與電動(dòng)汽車(chē)的日常充電結(jié)合在一起，以此保證充電過(guò)程的安全，將會(huì)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(dòng)力電池健康診斷所面臨的實(shí)際問(wèn)題，本方案在目前常見(jiàn)的直流充電樁基礎(chǔ)上搭建了動(dòng)力電池診斷系統(tǒng)，在電動(dòng)汽車(chē)日常充電過(guò)程中，基于使用STM32F107芯片的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)一鍵診斷模塊，通過(guò)在充電過(guò)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(shí)制定數(shù)據(jù)接口[3]，將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存與診斷分析，通過(guò)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(jì)

　　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(guò)串口通信讀取BMS(電池控制系統(tǒng))發(fā)出的電池?cái)?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?cái)?shù)據(jù)的上發(fā)。

　　2.1硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的主控制芯片選用STM32F107VCT6用來(lái)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(tái)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(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含2個(gè)I2C，3個(gè)SPI，2個(gè)I2S，5個(gè)USART、一個(gè)USB和2個(gè)CAN通信接口，同時(shí)提供了以太網(wǎng)接口，極大的方便了電路設(shè)計(jì)，其豐富的外設(shè)接口，能夠滿(mǎn)足診斷模塊對(duì)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(jì)

　　基于直流充電樁的電池診斷系統(tǒng)采用了多個(gè)獨(dú)立部件組合的設(shè)計(jì)，因此需要各模塊的通信接口對(duì)MCU資源進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)MCU對(duì)各個(gè)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(gè)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(guò)轉(zhuǎn)換與MCU通信;診斷模塊通過(guò)458通訊口連接多功能電度表，精確計(jì)量充電汽車(chē)所充電量，讀取電流，電壓值來(lái)判斷充電過(guò)程中是否出現(xiàn)過(guò)流或者過(guò)壓的情況，便于保護(hù)處理。通過(guò)GPRS通訊模塊將電池?cái)?shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)并返回診斷結(jié)果，通過(guò)232通訊口與充電樁控制模塊實(shí)時(shí)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(kāi)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(chē)輛控制裝置。電阻R2、R3安裝在充電插頭上，R4安裝在車(chē)輛插座上。當(dāng)插頭插座完全連接后，開(kāi)關(guān)S閉合。在充電過(guò)程中，充電樁控制裝置監(jiān)測(cè)接觸器K1、K2和K3、K4。車(chē)輛控制裝置監(jiān)測(cè)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(jì)

　　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(guò)在傳統(tǒng)直流樁上增加智能診斷模塊，在充電過(guò)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?cè)�有的充電電壓進(jìn)行充電，并通過(guò)CAN數(shù)據(jù)通信將充電過(guò)程中獲取的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池單體電壓、總電壓等電池信息打包上傳至云平臺(tái)在線(xiàn)診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)分析完成后返回電池健康狀況診斷報(bào)告。診斷模塊在不違反國(guó)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(dòng)車(chē)按照國(guó)標(biāo)發(fā)送單體電池電壓信息的情況下可以對(duì)相應(yīng)的通訊報(bào)文進(jìn)行解析上傳，并通過(guò)算法進(jìn)行直流內(nèi)阻計(jì)算與一致性診斷。

　　4電池診斷算法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　4.1直流內(nèi)阻診斷算法

　　內(nèi)阻是評(píng)價(jià)電池性能的重要指標(biāo)之一，內(nèi)阻的測(cè)試包括交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻。對(duì)于單體電池，一般以交流內(nèi)阻來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即通常稱(chēng)為歐姆內(nèi)阻。但對(duì)于大型電池組應(yīng)用，如電動(dòng)車(chē)用電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于測(cè)試設(shè)備等方面的限制，不能或不方便來(lái)直接進(jìn)行交流內(nèi)阻的測(cè)試，一般通過(guò)直流內(nèi)阻來(lái)評(píng)價(jià)電池組的特性。因?yàn)橹绷鲀?nèi)阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部壓降過(guò)大，對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，也多用直流內(nèi)阻來(lái)評(píng)價(jià)電池的健康度，進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，以及進(jìn)行系統(tǒng)SOC、輸出/輸入能力等的估計(jì)。

　　在生產(chǎn)中，可以用來(lái)檢測(cè)故障電池如微短路等現(xiàn)象[7]。鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)試方法包括伏安特性曲線(xiàn)法、HPPC(混合脈沖功率特性法)、開(kāi)路電壓法、交流阻抗法等。其中混合脈沖法測(cè)試法步驟相對(duì)簡(jiǎn)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(guò)程中模仿HPPC測(cè)試方法增加充電脈沖，通過(guò)壓降計(jì)算電池直流內(nèi)阻，從而對(duì)電池健康狀態(tài)進(jìn)行分析。

　　4.2模擬實(shí)驗(yàn)

　　(1)實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)選用寧德時(shí)代新能源科技有限公司(CATL)的退役電池包作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)一致性檢測(cè)方法的應(yīng)用。同時(shí)，電池包的單體信息來(lái)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(cè)誤差±5mV，電流采集端口誤差±1%，CAN通信速率為250kbps。

　　(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程基于上述原理，本文設(shè)計(jì)的充電樁診斷模塊對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行干預(yù)，在不違反國(guó)標(biāo)的情況下，當(dāng)電池SOC分別達(dá)到70%時(shí)，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(duì)相應(yīng)的通訊報(bào)文進(jìn)行解析上傳，通過(guò)算法進(jìn)行直流內(nèi)阻計(jì)算與一致性診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后讀取該段脈沖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖。

　　5結(jié)論

　　本文在目前常見(jiàn)的直流充電樁基礎(chǔ)上搭建了動(dòng)力電池診斷系統(tǒng)，在電動(dòng)汽車(chē)日常充電過(guò)程中，使用基于STM32F107芯片的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)并設(shè)計(jì)一鍵診斷模塊，通過(guò)在充電過(guò)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(shí)制定數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存與診斷分析，通過(guò)電池一致性算法分析當(dāng)前的電池健康狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。在下一步的開(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)能領(lǐng)域唯一的科學(xué)技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)刊物。辦刊宗旨：立足儲(chǔ)能行業(yè)，報(bào)道儲(chǔ)能科學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用研究、產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，交流推廣儲(chǔ)能新理論、新技術(shù)、新成果，服務(wù)科研和生產(chǎn)實(shí)踐，引導(dǎo)我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)健康發(fā)展。主要欄目：“特約評(píng)述”、“研究及進(jìn)展”、“應(yīng)用技術(shù)”、“產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)”等。

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