摘要：本文聚焦于镍氢电池管理系统的硬件架构，深入研究其创新设计与可靠性提升策略。详细阐述硬件架构的各个组成部分，包括测量单元、控制单元和通信单元的创新设计思路与实现方法。通过分析硬件在不同工况下的工作特性，提出针对性的可靠性提升措施，并进行实验验证，为镍氢电池管理系统在新能源汽车中的稳定应用提供技术保障。
关键词：镍氢电池；电池管理系统；硬件架构；可靠性提升
一、引言
镍氢电池在新能源汽车领域具有一定的应用优势，如良好的低温性能和较高的安全性。然而，其电池管理系统的硬件架构需要不断优化创新，以满足日益提高的可靠性要求。在复杂多变的车辆运行环境中，硬件架构的稳定性和可靠性直接影响镍氢电池的性能发挥和车辆的安全运行，因此对其进行深入研究具有重要意义。
二、镍氢电池管理系统硬件架构组成
（一）测量单元
电压测量模块
电压测量模块负责监测镍氢电池单体的电压。采用高精度的差分放大器设计，能够有效抑制共模干扰，提高电压测量的准确性。在布局上，将测量电路尽可能靠近电池单体，缩短信号传输路径，减少线路电阻和电感对测量结果的影响。例如，通过优化 PCB 布局，使电压测量模块与电池单体之间的连接线路长度控制在最短范围内，降低了线路压降带来的测量误差。
为了实现对大量电池单体电压的快速测量，采用多路复用器技术，能够依次切换测量通道，在较短时间内完成整个电池组的电压采集。同时，配备高精度的 AD 转换器，确保电压信号能够准确地转换为数字信号，供后续处理。
电流测量模块
电流测量模块通常采用分流器或霍尔传感器来测量镍氢电池的充放电电流。分流器具有简单可靠、成本低的优点，但会引入一定的功率损耗；霍尔传感器则能够实现非接触式测量，响应速度快，但成本相对较高。根据不同的应用需求，可以选择合适的电流测量方式。例如，在对成本较为敏感且电流较小的应用场景中，可采用分流器；而在对精度和响应速度要求较高的高性能车辆中，霍尔传感器更为合适。
为了提高电流测量的精度，在电路设计中加入了信号调理电路，对传感器输出的信号进行放大、滤波等处理，去除噪声干扰，使电流信号能够准确地反映电池的实际充放电情况。
（二）控制单元
微控制器选型与功能实现
控制单元的核心是微控制器，选择具有高性能、低功耗和丰富外设接口的微控制器芯片。例如，某些微控制器具备强大的运算能力，能够快速处理测量单元采集到的数据，执行复杂的电池管理算法，如 SOC 估算、SOH 评估以及充放电控制策略等。同时，其丰富的外设接口可以方便地与测量单元、通信单元以及其他外部设备进行连接。
在软件功能实现方面，微控制器运行专门开发的电池管理软件，实现对电池状态的实时监测与控制。例如，根据电池的 SOC 和 SOH 状态，动态调整充放电电流限制，防止电池过充、过放；在电池出现异常情况时，如过温、过压等，及时发出警报并采取相应的保护措施。
存储模块与数据处理
控制单元配备存储模块，用于存储电池的历史数据，如电压、电流、温度曲线，SOC 和 SOH 的变化历程等。这些数据对于电池性能分析、故障诊断以及优化电池管理策略具有重要价值。采用非易失性存储芯片，确保在车辆断电后数据不会丢失。
在数据处理方面，微控制器具备数据压缩和加密功能，以减少数据存储空间占用并保障数据的安全性。例如，采用特定的数据压缩算法对大量的历史数据进行压缩存储，在需要读取数据时再进行解压缩处理；同时，对关键数据进行加密传输，防止数据被非法篡改或窃取。
（三）通信单元
内部通信接口
通信单元负责电池管理系统内部各模块之间以及与车辆其他控制系统之间的信息交互。在内部通信方面，采用高速可靠的通信接口，如 CAN 总线或 SPI 接口。CAN 总线具有良好的抗干扰能力和较高的通信速率，适用于长距离数据传输，用于连接控制单元与测量单元、均衡模块等；SPI 接口则常用于微控制器与存储模块、一些低速外设之间的通信，具有简单高效的特点。
通过合理设计通信协议，确保各模块之间的数据传输准确无误。例如，在 CAN 总线通信协议中，定义了详细的数据帧格式、标识符分配以及错误检测与纠正机制，保证了电池状态信息、控制指令等数据能够在不同模块之间可靠传输。
外部通信接口
为了实现与车辆其他控制系统的通信，如与整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU）等的交互，电池管理系统配备了相应的外部通信接口，如 CAN 总线或以太网接口。通过这些接口，电池管理系统可以将电池的状态信息发送给其他控制系统，同时接收来自它们的控制指令，如车辆的行驶模式、能量回收需求等信息，以便更好地协调电池的充放电行为，提高车辆的整体性能和能源利用效率。
三、硬件架构的可靠性提升措施
（一）冗余设计
电源冗余
采用双电源模块供电设计，两个电源模块同时工作，互为备份。当其中一个电源模块出现故障，如短路、断路或输出电压异常等情况时，另一个电源模块能够立即接管供电任务，确保电池管理系统的正常运行。在电源切换过程中，通过专门的电源管理电路实现无缝切换，避免因电源切换导致系统短暂断电或数据丢失等问题。
对电源模块进行严格的可靠性测试，包括过压、过流、高温、低温等极端条件下的测试，确保其在各种恶劣环境下都能稳定工作。同时，在电源输入端加入滤波电路，滤除电源中的噪声和干扰信号，提高电源的稳定性和纯净度。
传感器冗余
对于关键的传感器，如电压传感器和电流传感器，采用冗余配置。例如，在每个电池单体上安装两个独立的电压传感器，通过数据比较和分析，可以及时发现传感器故障并采取相应措施。当一个传感器出现异常数据时，系统可以自动切换到另一个正常传感器的数据，保证电池状态监测的准确性和可靠性。
建立传感器故障诊断机制，利用硬件电路和软件算法相结合的方式，实时监测传感器的工作状态。例如，通过对比两个传感器的测量值差异，如果差异超出设定的阈值范围，则判断其中一个传感器可能出现故障，并进行报警和故障隔离处理。
（二）抗干扰设计
电磁屏蔽
对电池管理系统的硬件电路进行电磁屏蔽设计。采用金属屏蔽罩将控制单元、测量单元等关键部件包裹起来，屏蔽外界的电磁干扰。例如，在 PCB 设计时，将整个电路板放置在金属屏蔽盒内，并确保屏蔽盒的良好接地，形成一个完整的电磁屏蔽腔体，有效阻挡外界电磁波的侵入，减少电磁辐射对内部电路的影响。
对于连接外部设备的电缆线，采用屏蔽电缆，并在电缆两端进行良好的接地处理，防止电缆线成为电磁干扰的传输路径。例如，在 CAN 总线电缆的设计中，采用双绞线加屏蔽层的结构，屏蔽层在两端与车身地连接，提高了通信线路的抗干扰能力。
滤波电路
在硬件电路的电源输入端和信号传输线路上广泛应用滤波电路。在电源输入端，采用 LC 滤波电路或开关电源专用的 EMI 滤波器，滤除电源中的高频杂波和电磁干扰信号，为系统提供稳定纯净的电源。在信号传输线路上，针对不同类型的信号，如电压信号、电流信号、通信信号等，采用相应的滤波器，如 RC 滤波器、LC 滤波器或有源滤波器等，去除信号中的噪声成分，提高信号的质量和可靠性。例如，在电压测量信号线上，采用 RC 低通滤波器，滤除高频噪声，使测量信号更加平滑稳定。
四、实验验证
（一）可靠性测试实验设计
设计一系列可靠性测试实验，包括高温高湿环境实验、电磁兼容性实验、振动冲击实验以及电源故障模拟实验等。在高温高湿环境实验中，将镍氢电池管理系统置于温度为 85℃、相对湿度为 85% 的环境箱中，持续运行一定时间，观察系统的工作状态和性能变化；在电磁兼容性实验中，利用电磁干扰发生器对系统施加不同频率和强度的电磁干扰，检测系统的抗干扰能力；在振动冲击实验中，将系统安装在振动台上，模拟车辆行驶过程中的振动和冲击情况，检查硬件部件的连接可靠性和电路的稳定性；在电源故障模拟实验中，人为制造电源模块的故障，如断开一个电源模块的输出，观察系统的电源切换和备份功能是否正常。
（二）实验结果与分析
实验结果表明，经过冗余设计和抗干扰设计后的镍氢电池管理系统在可靠性方面有了显著提升。在高温高湿环境实验中，系统能够稳定运行，各项性能指标均在正常范围内，未出现因环境因素导致的故障或性能下降；在电磁兼容性实验中，系统在遭受强电磁干扰时，通信正常，电池状态监测数据准确，未出现数据错误或通信中断的情况；在振动冲击实验中，硬件部件连接牢固，电路无松动或虚焊现象，系统功能正常；在电源故障模拟实验中，当一个电源模块出现故障时，另一个电源模块能够迅速切换供电，系统运行不受影响，电池状态监测和控制功能持续正常工作。这些实验结果充分验证了所提出的可靠性提升措施的有效性，为镍氢电池管理系统在新能源汽车中的可靠应用提供了有力保障。