电池智能检测与管理系统

引言

近年来，全球电动汽车产业呈现爆发式增长，2024 年销量已超2000 万辆，预计 2030 年渗透率将超过 40% 。电池作为电动汽车的核心部件，其性能与安全直接影响车辆的运行可靠性和使用寿命。然而，当前电池检测技术存在精度不足、效率低下、数据实时性差问题[1]。

为解决上述问题，本研究构建“感知 - 分析 - 决策”一体化的电池智能检测与管理系统，为电池全生命周期管理提供技术方案，助力提升电动汽车产业竞争力。

1 电池智能检测与管理系统

1.1 系统工作原理

系统采用“端 - 边 - 云”协同架构：终端层通过多模态感知单元采集电池原始数据；边缘层以 STM32F407 微处理器和树莓派为核心对数据进行预处理及本地决策；云端平台实现数据存储、深度分析及远程监控。

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体架构

系统硬件以 STM32F407 微处理器为核心，集成多模态感知单元、通信模块、均衡电路及安全保护模块，硬件结构如图2-1 所示。

2.2 功能模块设计

2.2.1 通信模块

短 距 离 通 信： 采 用 HC-05 蓝 牙 模 块， 通 过 UART 接 口 与STM32F407 连接，波特率 9600bps ，用于本地调试与上位机通信（通信距离 ⩽10m ，丢包率 <1% ）[2]；

广域通信：选用移远 E33V-DTU NB-IoT 模块，支持 TCP/UDP 协议，供电电压 DC 5V~36V，最大传输速率 125kbps，弱信号环境下接收灵敏度≥-129dBm，用于数据上传至云端平台。

2.2.2 均衡电路与安全保护

均衡电路：采用移相全桥拓扑结构 [3]，通过 IR2104 芯片驱动IRF3205 MOS 管，实现单体电池主动均衡（均衡电流 1A，电压差＞50mV 时启动，均衡后误差 ⩽±10mV ）。

安 全 保 护： 包 含 绝 缘 监 测（ 交 流 注 入 法， 测 量 范 围100k Ω ~10MΩ）、过压 / 过流保护（响应时间 <0.2s ）及高温保护（ > 60% 时启动散热风扇，响应时间 <0.3s ）。

2.3 抗干扰设计

布局与布线：高频元件与模拟信号电路分区布局，间距 ⩾5cm ；信号线与电源线垂直交叉，减少耦合干扰；

接地设计：采用一点接地的方法，将所有的接地点汇总起来，以减少因两点间电位差产生的干扰。

滤波设计：在充电器等可能产生高频谐波的设备中，加入高频滤波电路以抑制电磁干扰[1]。

3 系统软件设计

3.1 软件总体架构

系统软件采用前后台架构，主循环周期 200ms ，包含数据采集、算法运算、均衡控制及通信任务；中断服务程序处理过流、过压等紧急事件（响应时间 ⩽5ms ）。

3.2 主程序流程

程序启动后首先完成初始化（IO 口、定时器、传感器、通信模块），随后进入主循环，如图3-1 所示。

4 系统测试

为验证电池智能检测与管理系统的性能指标及可靠性，参照电池管理系统的测试标准，从通讯性能、参数监测精度、异常处理响应及环境适应性等方面开展全面测试。

在10 米通信范围内，对蓝牙模块连续传输1000 组电池状态数据（包含电压、温度、SOC），结果显示数据包丢失率 <1% ，平均传输延迟<100ms ，满足本地调试与上位机交互需求；而 NB-IoT 模块在弱信号环境（接收灵敏度≥ -129dBm）下连续 72 小时传输数据，信号接收稳定无中断，平均传输速率达125kbps，数据帧完整率 100% ，完全符合 “端-边- 云” 远程监控的实时性要求。

参数监测精度测试借助可编程电源与温度控制器模拟电池工作状态，全面验证电压、电流、温度等参数的测量准确性。电压监测方面，通过可编程电源模拟单体电池电压（3.0V~4.2V），系统测量误差控制在 ±0.5% 以内，如 3.6V 标准电压下，实测值稳定在 3.582V~3.618V，满足 0.1mV 级检测需求；电流监测中，模拟充放电电流（-50A~50A）时，测量误差≤ ±1%，例如 10A 标准电流下，实测值为 9.9A~10.1A，为 估算的准确性提供了保障；温度监测在 - 20℃ ~ .60^∘C 范围内通过温度控制器模拟梯度变化，DS18B20 传感器测量误差 ±0.5% ，热电偶传感器在高温区域（60℃~100℃）误差 ⩽±1^qC ，能精准反映电池温度变化趋势。

异常处理响应测试通过模拟电池常见异常状态（过压、过流、高温、绝缘故障），检验系统保护机制的响应速度。当单体电压 >4.2V 或放电电流＞ 30A 时，系统在 0.2 秒内触发主回路继电器断开，同时发出声光报警，迅速切断充放电回路；当电池温度 >60^∘C 时，0.3 秒内启动散热风扇（转速 3000rpm ），并降低充放电电流至额定值的 50% ，若温度持续上升至 70% ，则触发紧急断电；而当绝缘电阻 <500kΩ 时，系统同样在 0.3 秒内响应，蜂鸣器报警并点亮红色故障灯，同步上传异常信息至云端平台。

经全面测试，系统在通讯稳定性、参数监测精度、异常响应速度及环境适应性等方面均达到设计目标：通讯模块满足短距离与广域传输需求，参数监测误差符合高精度检测标准，异常处理响应时间 <0.3 秒，能有效预防安全风险。测试结果验证了系统在电池全生命周期管理中的可靠性，为电动汽车场景的实际应用提供了数据支撑。

5 结论

本研究设计的电池智能检测与管理系统通过多模态数据融合、轻量级算法及 “端 - 边 - 云” 架构，实现了电池缺陷检测、健康评估、安全保护的一体化管理。

参考文献

[1] 彭佳慧 , 王源晨 , 明智慧 , 等 . 电池管理与检测系统的设计 [J].中国集成电路 ,2024,33(12):68- 74。

[2] 刘天宝 , 胡一龙 , 杨睿超 . 锂离子电池组均衡拓扑结构现况分析[J]. 时代汽车 ,2025,(06):154- 156。

[3] 潘少祠 , 姚岛 , 王微 . 基于全桥拓扑结构的固态射频电源技术研究与设计 [J]. 电子测试 ,2019,(12):41- 42。

课题项目：2025 年大学生创新创业训练计划项目《电池智能检测与管理系统》（编号：X DC2025021）。

作者简介：韩士轩（2004 年 11 月），汉族，河南南阳人，本科，研究方向：车辆工程。

作者简介：耿季炜（1995 年5 月），汉族，人，研究生，讲师，研究方向：车辆工程。