電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究

電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究

電池通常用于混合動力車輛和純電動汽車。電池質(zhì)量的好壞直接影響到整個車輛的工作性能和可靠性。參數(shù)包括電壓、電流和周圍溫度以及電池的內(nèi)部溫度。同時，隨著使用壽命的延長，內(nèi)阻的變化、電池老化和充電率等影響電池性能。然而車用蓄電池參數(shù)通常為非線性且電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了使電池發(fā)揮其最大功效,建立起一個準(zhǔn)確有效監(jiān)測和管理電池及其參數(shù)的電池管理系統(tǒng)就顯得尤為重要了。電池管理系統(tǒng)測量電池的電壓、充放電電流和溫度,并根據(jù)電壓狀態(tài)控制電池的充放電,根據(jù)電流大小提供充放電保護(hù),根據(jù)溫度狀態(tài)推斷電池當(dāng)前的運作狀況。為精確的測量這些參數(shù),一種嵌入式芯片被運用到電池管理系統(tǒng)中來精確測量這些參數(shù)。電池管理系統(tǒng)的重要任務(wù)是根據(jù)采集的電壓狀態(tài)而選擇充電方式,并且在產(chǎn)生異常狀態(tài)時對電池進(jìn)行保護(hù),防止電池?fù)p壞和確保使用安全。外圍通信接口則是負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間以及與電子控制單元進(jìn)行信息傳輸。鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)是電池管理系統(tǒng)中的一個重要物理量,對荷電狀態(tài)預(yù)測精度的高低可以直接用來評定電池管理系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。由于電池在使用過程中的高度非線性,使得準(zhǔn)確估計電池荷電狀態(tài)極為困難。目前國內(nèi)外公認(rèn)的對荷電狀態(tài)的估算方法主要有,庫侖電流安時法,開路電壓法,內(nèi)阻法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,卡爾曼濾波算法,支持向量機法。幾種算法在具體的估計方案中各有利弊。本文通過運用嵌入式芯片的差分電流通道來精確地測量電池組工作時的電流,可以有效地解決庫侖安時法中因電流測量不精確而引起的誤差。通過非線性最小二乘法來有效的回歸鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)與開路電壓之間的關(guān)系,可以有效的解決開路電壓法中因充放電電流變化而引起的誤差。通過嵌入的卡爾曼濾波估算算法,可以有效地預(yù)測鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài),減少了噪聲的干擾。1單個從節(jié)點組成圖1所示鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)LIN局域互連網(wǎng)絡(luò)中包含12個鉛酸單體電池,每個單體電池的規(guī)格為12V/45Ah,總的電池組的規(guī)格為144V/45Ah。該LIN網(wǎng)絡(luò)中包含1個主節(jié)點(NIUSB-8476)和12個從節(jié)點(BCU)組成,主節(jié)點的主任務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)送目標(biāo)從節(jié)點的地址,從節(jié)點的從任務(wù)負(fù)責(zé)電池模擬信號(包括電壓、電流、溫度)的采集,并將數(shù)據(jù)傳送給主節(jié)點。值得一提的是,LIN網(wǎng)絡(luò)是一種低成本的汽車車身通信網(wǎng)絡(luò),在對帶寬要求不是很高的情況下,它提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的總線通信方式,同時它是一種基于串行通信協(xié)議的總線,廣泛應(yīng)用在分布式應(yīng)用汽車網(wǎng)絡(luò)中,可以有效地對機械節(jié)點進(jìn)行控制。圖2顯示了單個從節(jié)點的結(jié)構(gòu)組成,微處理器通過采集到的電壓、電流信號并結(jié)合卡爾曼濾波策略對電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確地估算,并通過LIN接口與上位機通信。由于該微處理器直接從鉛酸蓄電池取電,因此給電路設(shè)計帶來了諸多的方便。2放電倍率對放電電壓的影響經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下,鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)與開路電壓有關(guān),為了找到它們之間內(nèi)在的聯(lián)系,我們對單體電池在室溫環(huán)境下以不同的放電倍率(0.2C,0.5C,0.8C,1.0C,1.2C)對電池進(jìn)行放電,記錄并分析其荷電狀態(tài)與開路電壓的數(shù)據(jù),并通過非線性最小二乘回歸方法來消除其因電流變化而引起的誤差。圖3描述了鉛酸蓄電池在不同放電倍率下電池消耗的容量與開路電壓之間的關(guān)系。根據(jù)試驗記錄的數(shù)據(jù),表1顯示電池在不同放電倍率下得到鉛酸蓄電池的特征參數(shù)。3從節(jié)點電池控制單元的硬件設(shè)計開始3.1號采集和a/d轉(zhuǎn)換電池電流是電池管理系統(tǒng)一個重要參數(shù),是SOC預(yù)測的基礎(chǔ)。在電流采集時,為了抑制共模信號的影響,系統(tǒng)采用差分放大電路對電流信號進(jìn)行放大。電流信號采集過程中需要用到分流器,它能夠?qū)㈦娏餍盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號。電池控制單元電流采集模塊如圖4所示,其中分流器兩端的電壓信號與電流信號的關(guān)系式為V=IR。式中:I為電流值;R為電阻值;V為電壓值。采集到的電壓值經(jīng)過差分放大器放大后,進(jìn)入到微處理器中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的值存入ADC0DAT寄存器中。A/D轉(zhuǎn)換按如下公式進(jìn)行:式中:n=16為A/D轉(zhuǎn)換的分辨率;Vref為參考電壓,它等于1.2V;Gain為電流放大倍數(shù)。3.2a/d轉(zhuǎn)換電路鉛酸電池電壓采集模塊如圖5所示,通過采用片內(nèi)高精度電壓衰減器進(jìn)行分壓(其值為電池電壓的1/24),同時輸入端并聯(lián)一個電容C1去除紋波干擾。電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的值存入ADC1DAT寄存器中。A/D轉(zhuǎn)換按如下公式進(jìn)行:式中:n=16為A/D轉(zhuǎn)換的分辨率;Vref為參考電壓,它等于1.2V。3.3熱敏電阻模型電動車在運行過程中,動力電池處于大電流放電狀態(tài),尤其是在加速或爬坡時,電流達(dá)數(shù)百安培,會產(chǎn)生大量熱量,因此對溫度的準(zhǔn)確測量來推斷電池的工作狀況,并進(jìn)行合理的熱管理顯得尤為重要。因為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻具有很高的靈敏度和很好的性能,所以被廣泛地用于電池管理的測溫系統(tǒng)中。在本文中,使用NTCMF3700溫度傳感器采集溫度,該溫度傳感器在25℃時的電阻值為10kΩ,它的導(dǎo)熱系數(shù)為3700,同時它具有高精度、高可靠性和快速響應(yīng)等特性,其電阻容差為1%。方程式(3)表示了該負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的模型。式中:t0為25℃的室溫;t為電池溫度,℃;T0為25℃室溫所對應(yīng)的開爾文溫度;T為t攝氏度所對應(yīng)的開爾文溫度;B為熱敏電阻溫度系數(shù);R0為25℃室溫下熱敏電阻的阻值;Rt為t溫度下熱敏電阻的阻值。電池控制單元電流采集模塊如圖6所示,電阻R4與NTC熱敏電阻并聯(lián)后再與R3串聯(lián),故AB兩點之間的電壓為:式中:REG_AVDD為主控制器寄存器的工作電壓;UAB經(jīng)過電容C4去干擾后,由CPU控制進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的溫度值儲存在寄存器ADC2DAT中。模數(shù)轉(zhuǎn)換按如下公式進(jìn)行:式中:n=16為A/D轉(zhuǎn)換的分辨率;Vref為參考電壓,它等于1.2V。4卡爾曼濾波估算算法的實現(xiàn)在閥控式鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)中,普遍的荷電狀態(tài)計算方法有開路電壓法、安時法、內(nèi)阻法、綜合查表法等。這些方法在具體的估計方案中各有利弊。本文利用安時法來計算鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài),在此基礎(chǔ)上采用卡爾曼濾波對電池荷電狀態(tài)進(jìn)行修正。卡爾曼濾波應(yīng)用于電池荷電狀態(tài)估計時,電池被描述成為由狀態(tài)方程和測量方程組組成的系統(tǒng)。圖7所示的鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)()能夠由卡爾曼濾波策略遞推得到。式中:W為過程噪聲;V為觀測噪聲。它們均為零均值的高斯白噪聲,且不相關(guān)。故有:式中:Q為過程噪聲方差矩陣;R為觀測噪聲方差矩陣。根據(jù)卡爾曼濾波原理,可以推導(dǎo)出卡爾曼濾波方程組為:(1)狀態(tài)一步預(yù)測(2)一步預(yù)測誤差(3)濾波增益(4)狀態(tài)估計(5)濾波誤差卡爾曼濾波策略根據(jù)給定的初始值,,利用系統(tǒng)前一時刻狀態(tài),按狀態(tài)方程獲得當(dāng)前狀態(tài)的近似估計,再用預(yù)測誤差修正原來的估計。庫侖安時法計算電池的荷電狀態(tài)時,需要通過測量充電和放電電流,將電流和時間做乘積,并對乘積結(jié)果進(jìn)行積分。由于電池的荷電狀態(tài)不僅與電池的充放電電流有關(guān),而且與電池的開路電壓、環(huán)境溫度、電池內(nèi)部溫度、極化等多種因素有關(guān),故有必要應(yīng)用濾波技術(shù)來消除這些影響,一種嵌入的卡爾曼濾波估算算法的程序框圖如圖8所示。首先,調(diào)用初始化函數(shù),主要包括LIN通訊端口初始化,GPIO(通用輸入輸出)端口初始化,A/D轉(zhuǎn)換寄存器初始化。其次,使能A/D轉(zhuǎn)換和定時器1中斷。然后,主函數(shù)啟動采樣模塊,包括電壓模塊、電流模塊和溫度模塊。SOC計算子函數(shù)通過將電流和采樣時間的差距(10ms)相乘來計算消耗的電量,進(jìn)而根據(jù)方程式(13~14)便可以得到鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)。式中:I為電池電流;t為10ms采樣間隔;Ci為電池消耗的電量。安時法計算所得的荷電狀態(tài)作為卡爾曼濾波中的觀測值。文中通過給定的荷電狀態(tài)的初始值,卡爾曼濾波輸入誤差初始值,結(jié)合觀測值,估算出卡爾曼濾波的估計值。最后通過計算、預(yù)測、糾錯和迭代遞推方法可以實現(xiàn)卡爾曼濾波策略。SOC計算完成后,緊接著,從節(jié)點進(jìn)行信息標(biāo)識符的匹配,從節(jié)點判斷由NIUSB-8476LIN主節(jié)點發(fā)送的標(biāo)識符是否與本身的相同,如果相同,主函數(shù)調(diào)用LIN傳輸子函數(shù),進(jìn)而通過LIN接口模塊傳輸采集到的電壓、電流和溫度、荷電狀態(tài)到LabVIEW中以供顯示。5庫侖安時法的測試鉛酸蓄電池組成鉛酸蓄電池組(45Ah)進(jìn)行測試試驗。采樣結(jié)果和荷電狀態(tài)計算結(jié)果分別如圖9、圖10所示。在裝車試驗中,鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)處在50%~80%SOC的范圍內(nèi),圖10所示的黑線為通過庫侖安時法計算得到的SOC曲線,由于微處理器對電流測量的準(zhǔn)確性,安時計算值作為荷電狀態(tài)的參考值。粉線紅色曲線所描述的由非線性最小二乘回歸所得的開路電壓與荷電狀態(tài)之間的關(guān)系曲線,它反映了開路電壓與荷電狀態(tài)的關(guān)系。藍(lán)線所示的由卡爾曼濾波得到的估計值較好地對鉛酸蓄電池進(jìn)行了估計,雖然在開始時刻估計得不是很準(zhǔn)確,但是隨著迭代次數(shù)的增加,卡爾曼通過進(jìn)行自適應(yīng)對荷電狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計?？柭鼮V波方法與開路電壓回歸方法所得的相對誤差如圖11所示。6鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)在汽車電池的安全性和運行的可靠性上,閥控式