基于直流充電樁的動力電池診斷系統設計

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2020-03-20 08:25

本文摘要：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。如何低成本的對電動汽車電池進行健康診斷并保證充電過程的安全性，是當前新能源汽車進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為主控制器開發并設計了電池診斷

　　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。如何低成本的對電動汽車電池進行健康診斷并保證充電過程的安全性，是當前新能源汽車進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為主控制器開發并設計了電池診斷系統，通過實驗對診斷方法進行了驗證，結果表明該系統可以對動力電池進行健康診斷，提升充電過程的安全性。

　　關鍵詞:電動汽車動力電池;直流充電樁;電池診斷;STM32;直流內阻

儲能科學與技術

　　0引言

　　由于動力電池對高能量密度材料的追求導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，主要以汽車生產廠商返廠診斷為主。極少數專門研發的電池診斷設備使用場景單一，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用前景。

　　1系統方案

　　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上搭建了動力電池診斷系統，在電動汽車日常充電過程中，基于使用STM32F107芯片的嵌入式系統進行開發并設計一鍵診斷模塊，通過在充電過程中增設充電脈沖工步，獲取更豐富的電池充電數據。同時制定數據接口[3]，將數據上傳至云平臺進行儲存與診斷分析，通過電池一致性算法分析當前的電池健康狀態，并反饋診斷結果。

　　2診斷模塊硬件設計

　　本方案在直流充電樁原有控制板基礎上外接診斷模塊，通過串口通信讀取BMS(電池控制系統)發出的電池數據，并返回控制指令。在充電樁原有控制板主要負責電源的接入和輸出，診斷模塊主要負責充電邏輯分析以及電池數據的上發。

　　2.1硬件電路設計

　　系統的主控制芯片選用STM32F107VCT6用來控制診斷充電樁運行的相關功能，并將采集得到的數據發送至云平臺進行相關的診斷分析，STM32F107VC使用高性能的ARMCor2tex-M332位的RISC內核，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，同時提供了以太網接口，極大的方便了電路設計，其豐富的外設接口，能夠滿足診斷模塊對充電樁系統中的電源模塊、電表、IC讀卡器、GPRS、觸摸屏等外設進行控制的基本接口需求[4-5]。

　　2.2硬件電路設計

　　基于直流充電樁的電池診斷系統采用了多個獨立部件組合的設計，因此需要各模塊的通信接口對MCU資源進行合理分配，實現MCU對各個部件的控制和管理。為MCU主要資源分配表。控制系統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電平經過轉換與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過流或者過壓的情況，便于保護處理。通過GPRS通訊模塊將電池數據上傳至云平臺并返回診斷結果，通過232通訊口與充電樁控制模塊實時通訊，將診斷結果在顯示屏上顯示。

　　2.3控制導引電路

　　結合診斷模塊后的直流充電樁的充電安全保護系統方案，包括直流充電樁診斷控制裝置、電阻R1、R2、R3、R4、R5開關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。當插頭插座完全連接后，開關S閉合。在充電過程中，充電樁控制裝置監測接觸器K1、K2和K3、K4。車輛控制裝置監測K5和K6的狀態并控制其接通及關斷。

　　3系統軟件設計

　　為基于直流快速充電樁的電池診斷系統運行邏輯框架圖。本系統通過在傳統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送充電調控指令，控制充電樁按照診斷模塊中設定的控制邏輯改變原有的充電電壓進行充電，并通過CAN數據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，系統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的情況下控制電壓變化，并同步進行數據采集，在電動車按照國標發送單體電池電壓信息的情況下可以對相應的通訊報文進行解析上傳，并通過算法進行直流內阻計算與一致性診斷。

　　4電池診斷算法及實驗驗證

　　4.1直流內阻診斷算法

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

　　在生產中，可以用來檢測故障電池如微短路等現象[7]。鋰離子電池內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，應用最為廣泛。在本系統中，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阻，從而對電池健康狀態進行分析。

　　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，實現一致性檢測方法的應用。同時，電池包的單體信息來自于科列BMS鋰電池管理系統，該系統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，本文設計的充電樁診斷模塊對充電過程進行干預，在不違反國標的情況下，當電池SOC分別達到70%時，加入30s脈沖，將充電電流從45A降低至5A左右，同步進行電壓數據采集，對相應的通訊報文進行解析上傳，通過算法進行直流內阻計算與一致性診斷。實驗結束后讀取該段脈沖實驗數據，對電壓數據進行作圖。

　　5結論

　　本文在目前常見的直流充電樁基礎上搭建了動力電池診斷系統，在電動汽車日常充電過程中，使用基于STM32F107芯片的嵌入式系統進行開發并設計一鍵診斷模塊，通過在充電過程中增設充電脈沖工步，獲取更豐富的電池充電數據。同時制定數據接口，將數據上傳至云平臺進行儲存與診斷分析，通過電池一致性算法分析當前的電池健康狀態，并通過實驗驗證了系統的可行性。在下一步的開發過程中，可以結合大數據分析進一步豐富電池診斷算法，從而更全面的進行充電過程的安全預警以及電池健康狀態診斷。

　　參考文獻

　　[1]崔源,徐增勇.電動汽車動力電池現狀分析[J].產業與科技論壇,2016,15(24):80-81.

　　[2]黃賽杰,徐敏,鄭小鹿,等.動力電池充放電檢測系統的設計與實現[J].儲能科學與技術,2019,8(01):146-154.

　　[3]PengDing.ABatteryHealthDataSharingModelviaBlockchain[J].OpenAccessLibraryJourna,2018,05(11):1-12.

　　[4]楊彥偉,雒志秀,鄭肖宇,等.基于STM32芯片的樓宇火災遠程自動報警系統[J].軟件,2015,36(8):117-120.

　　相關論文投稿刊物：《儲能科學與技術》(雙月刊)創刊于2012年，是由化學工業出版社主辦的儲能領域唯一的科學技術類專業刊物。辦刊宗旨：立足儲能行業，報道儲能科學基礎與應用研究、產業動態和發展趨勢，交流推廣儲能新理論、新技術、新成果，服務科研和生產實踐，引導我國儲能行業健康發展。主要欄目：“特約評述”、“研究及進展”、“應用技術”、“產業動態”等。