汽车电池状态检测装置的研究及应用

刘凌飞， 翟慧颖

（河南职业技术学院， 河南 郑州 450046）

0 引言

新能源电动车电池有三种：锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池。由于锂离子电池相较于其他两种具备能量密度高、工作电压平台高、充电快、使用周期长等特点，因此被广泛应用[1]。作为电动汽车的动力源，锂离子电池的健康状态是车辆安全运行的重要影响因素之一，因此电池的检测维护是车辆维护的一项重要内容。

1 电池线下检测分析系统概述

整车状态获取电池数据主要渠道有两个渠道：OBD（车载自动诊断系统）诊断接口以及新能源监控平台。OBD 诊断接口安装于汽车上，在线监测，通过诊断接口及车辆CAN 总线获取数据，通信协议要匹配，不同品牌、型号的车辆通信方式和协议不同，导致诊断维护时，要根据通信协议配备多种诊断装置，维护工作量和成本比较高。新能源监控平台由智能车载终端、企业平台以及公共平台组成[2]。智能车载终端在车辆上获取车辆数据信息，本地保存并上传数据至企业平台，企业平台接收管理本车厂整车数据并对接城市公共平台，公共平台对地方车辆情况进行监控管理[3]。系统存在数据精度问题，主要原因有：上传数据延时较长；老旧车系统不完善，有数据缺失；USIM 卡续费不及时或不续费，导致数据丢失。仅能初步判断电池状态，不能精确监测。

2 电池状态检测装置方案

2.1 系统构成

根据前文对电池检测管理系统的分析，提出设计电池状态检测装置对电池进行检测管理。该装置能够实时获取电池单体电压、温度、SOC 等信息，进一步控制充电装置产生特定充电电流。同时利用云平台大数据分析系统分析电池状态，提示故障，形成报告及维护建议。

汽车电池状态检测装置是基于车辆维修场景、线下检测的运维平台，系统由充电检测控制系统和云平台数据分析管理系统组成。充电检测控制系统为前端系统，占地面积小，能被方便地搭建在充电桩现场，由智能控制模块、充电- 监测控制模块、数据监测模块组成，完成电池数据的采集上传，根据分析结果控制充电电流。云平台数据分析管理系统接收前端传来的数据，计算分析电池状态，形成电池长时间尺度的充放电数据库，同时对电池故障进行精确的分析评估，形成检测报告并给出检修建议。

2.2 硬件设计

2.2.1 硬件结构

充电监测控制系统由智能控制模块、充电监测控制模块、数据监测模块组成。其中数据监测模块由主控芯片CPU、CAN 通信模块、外部存储器、GPRS 模块等部分构成，见图1。系统主控制器采用ZLG 致远公司的A287-W128LI 无线核心板，利用USB 接口驱动4G模块高速传输数据，具备两路CAN 总线收发功能，完成数据监测装置与整车CAN 和内部CAN 的通信。

2.2.2 电路设计

电源电路的设计。数据监测模块的电源由OBD接口电路提供，12 V，此外，系统各芯片电源为3.3 V，因此电路设计思路为：OBD 接口提供12 V 电压，之后稳压为5 V，再利用线性稳压器转换成3.3 V。

主控制器电路设计。主控芯片集成复位监控电路、存储电路、以及各种外设为一个模块，电源3.3 V，设置启动、复位按键等，同时主控芯片自带看门狗复位电路，完成系统意外崩溃后的自复位。

2.3 软件功能

系统软件部分是基于虚拟机Linux 操作系统采用C++语言开发设计的，实现数据采集、指令响应及云平台信息交互的功能。数据采集功能即与车辆电池端进行信息交互，如电池系统信息、故障代码等，电池的关键信息包括电池组总电压、电流，SOC，单体电池电压、电流，电池采样点温度等。指令响应是指数据监测模块接收指令并执行相应操作，如实时监控电池充放电数据指令、更新车型协议指令、记录数据指令等。

3 工业应用

以某电动汽车为对象，应用测试电池状态监测装置。为保证测试的准确性，确保测试车辆电量在20%以下，并且关闭车辆高压系统以及空调、车灯等耗电设备，但钥匙档位需置于ON 挡，测试流程如图2 所示。

图2 系统检测流程

将检测控制装置的数据监测模块接入车辆OBD接口，电源指示灯亮起，约30 s 后监测模块开始工作。监测完成后，打开智能控制终端，登录管理界面可观察终端与监测模块连接状态，监测模块被检测状态，在控制单元面板输入车辆信息，如车型、车牌号、电池编码等。

启动设备开始测试，智能终端根据车辆信息将匹配的通讯协议推送至监测模块，监测模块下载更新协议，启动数据记录功能，然后连接车辆充电口与充电设备开始充电。智能终端的监控界面可以查看监测电池的实时数据，即电压、电流、SOC 等，根据数据是否异常，进而分析电池是否异常。设备未记录数据期间，可以通过文件信息查看本地保存的测试数据，车辆信息及充电数据信息会上传至云管理平台。

检测结束后，云管理平台通过大数据系统计算分析测试数据，形成含有电池单体充电趋势、单体充电容量、单体内阻等电池状态关键信息的报告。还可根据检测结果，给出相应的维修建议，如表1 所示，根据表中信息可知，测试车辆的电池单体间存在内阻不一致问题，内阻不同而充电电流相同会导致内阻大的电芯发热严重，进而导致电池劣化加快，进一步增加内阻值，形成恶性循环，最终影响电池使用寿命，因此给出更换12 号、52 号单体的维修建议。

表1 检测结果

4 经济性分析

电池状态检测装置是应用于整车环境，基于车辆维修场景、线下检测的运维平台，占地面积小，安装操作便捷，可以在有充电设施的场所快速搭建并投入使用，也可应用于4S 店及各种实际生活场景，可以随时随地方便快捷地对电池进行准确监测评估并形成报告及维修建议，具有良好的经济效益，主要体现在：

1）应用场景灵活广泛，不必专门在4S 店或车厂进行，且在整车状态下检测，不必拆卸电池组，有效节约检测成本。

2）检测过程快速且精确。经检测能精确定位故障信息至电池单体地，根据结果更换电池单体而非更换电池组整体，能有效降低配件成本。

3）车辆电池故障经过检测能被及时准确地反馈出来，避免了由电池故障而引发的未知问题，提高了车辆安全性能，延长了电池使用寿命，有效控制了车辆配套件成本以及维护成本。

5 结论

1）分析当前汽车电池数据获取方式OBD 诊断接口以及新能源监控平台存在通讯协议难兼容，数据不精确等问题。

2）提出基于车辆维修场景、线下检测的电池状态检测方案，介绍装置的构成，硬件结构和电路设计及软件功能。

3）以某电动汽车为对象进行应用测试，经监测发现电池故障，并根据维修建议对车辆电池进行了维修。根据试用过程分析其经济效益，结果表明，该装置在控制检测成本、电池成本及维修成本方面有突出效果。