电动汽车电池管理系统

电气自动化2OI0年第32卷第1期电源控制技术POWERSUPPLYCONTROLTECHNOLOG电动汽车电池管理系统六EVBATTERYMANAGEMENTSYSTEM北京交通大学电气工程学院北京100044刘保杰王艳殷天明BEIJINGJIAOTONGUNIVERSITY，BELTING100044，CHINALIUBAOJIEWANGYANYINTIANMING摘要文章设计了应用于铅酸蓄电池的电池管理系统，提出了单体电池电压、电流、温度检测电路。依据电池等效RC模型建模，通过实验确定了该模型的参数。应用卡尔曼滤波算法，估算出蓄电池荷电状态SOC。为电池的维护与保养提供数据支持。关键词电池管理系统电池等效模型卡尔曼滤波ABSTRACTTHISPAPERPRESENTSTHEMANAGEMENTSYSTENLOFLEADACIDBATTER,PACKWHICHCANDETECTTHEVOLTAGE，CURRENTANDTEMPERATUREOFEACHCEL1TOESTIMATETHESOC，THEMODELINGWASACHIEVEDBYTHERCBATTERYEQUIVALENTMODELANDTHEPARAMETERSOFTHISMODELWEREDETERMINEDTHROUGHTHEEXPERIMENTTHEKALMANFILTERARITHMETICISAPPLIEDTOESTIMATETHESTATEOFCHARGEOFTHEBATTERIES，WHICHSUPPLYINFORMATIONFORTHEMAINTENANCEKEYWORDSBATTERIESMANAGEMENTSYSTEMRCBATTEL“EQUI，ALENTMODELKALMANFILTERING【中图分类号】TM912【文献标识码A【文章编号1100038862010010060041引言铅酸类动力蓄电由于技术成熟、性价比高，尤其是尢记忆性等特点，被大量应用到电动汽车领域。然而，动力蓄电池的电池管理系统却还处于起步阶段。电池管理系统对防止电池过充、放电，提高电池利用率，维护电池，延长电池寿命等意义重大集中式电池管理系统结构框图如图1所示。由于电池在使用过程中的高度非线性，使得准确估计电池荷电状态SOC极为祠难目前还没有统一的估算方法。但得到大家公认的是电池SOC的估算首先要建立电池等效电路模型。典型的等效电路模型有RINT、RC、FEVENIN、及PNGV模型等。几种模型在具体的估计方案中各有利弊，在本篇文章里面采用RC型计算电池荷电状态，在此基础上采用卡尔曼滤波对电池荷电状态进行估计。2电动汽车电池组管理系统方案Z一显示数据保存一L，一CAN通信图1集中式电池管理系统结构框图K基金项目北京交通大学重大科技基金“电动中巴车开关磁阻电机驱动控制系统的研究”资助项目2005SZ0086OIELECTRICALAUTOMATION采样L妻滤波样嚣盔墼舞DSP皇鎏二阶采样一FO詈路F29CB200HLJJL电池温度L、保护AII,篓堡塑一1L里LJ一采样电路I电路图2电池管理系统的硬件功能电路电动汽车供电系统一般是由数十块电池串联组成的电池组。本文提M种分散数据采集以及集中数据处理的方法。分别设计了电压、电流、温度采集电路，通过中心控制器DSP完成计算与控制。并通过CAN总线与电动汽车中心控制器进行通信，实现整车的控制。3电池管理系统设计31电池组分布式管理系统硬件设计电池管理的硬件电路部分主要有控制芯片的外围电路设计、电流电压采集电路、温度采集电路、CAN通信接口电路。首先分别对单体电池的电压、单体电池温度、串联电池组的工作电流、环境温度进行采样。本设汁有20路电压采样通道，通过模拟多路开关分时选择不同单体的电压输入DSP。电流与电压通过采样保持电路，保证采样到的是一个单体同一时刻的电压和电流，这样便于计算出电池单体内阻。电池温度信号采样使用热敏电阻，电池温度数据主要用于判断电池安全。输出数据通过显示板显示，并通过CAN总线，送到电动汽车整车控制中心作相应的控制和液晶显电源控制技术电气自动化2010年第32卷第1期POWERSUPPLYCONTROLTECHNOLOG示。图2所示为电池管理系统的硬件电路组成。需要特别说明的是在电压采集电路中，为了降低电池电压对电压采集电路的干扰，采用光耦隔离，并利用光耦搭建负反馈电路，降低光耦的非线性失真。图3为电压采集电路的电路图。04前障15卜C_1L嘶图3带光耦的电压采集电路32电池组管理系统软件设计CBTK图4电池等效RC模型321电池的等效电路模型电池工作时，其内部的电化学过程是一个对环境敏感的复杂的非线性过程，很难用一个简单的数学模型来精确描述电池的特性。对于某一类型的电池，通过充放电试验和理论分析，可以用一个近似的模型来描述它的工作过程与特性。本文针对铅酸电池在电动车上的应用，采用二阶RC模型。如图4所示，电容C为一大电容，反映电池中储存电能能力的大小，代表电池电动势；C和尺分别表示表面效应电容和电阻，主要反映电池电极的表面效应；见表示电池的终端欧姆电阻；R分别代表放电时电池内部的极化电阻和欧姆电阻。322电池模型参数的确定电池处于开路状态时，电池的电动势约为电池开路电压，可以直接测量得到。对电池在不同开路电压下做恒流放电实验，记录电池不同电动势对应电池储存能量情况，可得到电池的电动势与SOC的关系函数SOCF。电路中各等效元件的值可由电池脉冲性能测试试验得到，具体方法描述如下容量电容，反映电池中储存电能能力的大小。电池中储存的能量与电池的电容和电压具有如下关系E05N。O一1电池在恒流放电时的容量变化可按下式计算FEC，FITIDTDT【2JTJ，式中为电池电压，为恒定的放电电流，R，为总的放电时问。由式1、式2得电容C在某一温度下的值为CW3瓦_3式中为电池的额定放电电流，为以厶恒流放电时的放电时问。1OTO3600为电池的总容量安时。对本系统管理对象12V100AH铅酸电池组，20A恒流放电54,时，其中某电池起始开路电压为128V，放电终止开路电压为102V。故UL2，8V，UO102V，代入式3，2014925F。由于铅酸电池剩余电量和电池电动势有很好的线性关系，当电池长期静置时开路电压即W为电池电动势，故由电池组恒流放电实验数据可推出SOC“3846K一102对本系统管理的铅酸电池以20A脉冲电流放电，电池端电压波形图如图5所示。其中为一个周期脉冲放电的初始电压；V2为一个脉冲放电中放电时电压；为一个脉冲放电周期中截止时起始点压；K为一个脉冲放电周期结束后的电池端电压；一012V，图5电池脉冲K一3008V，T155放电端电压波形对于R，R和R3个电阻，引入3个汁算因子，和，其值与电池的结构相关，取值范围为0308。故有RKRH，RKRT,，RKTRH其中代表电池总内阻。R600046N07506L_0可得R，0002745NRERS000375N对于C参考电池模型可知V一1一E4由式4可推出R一LN1一165对电池的模型进行动态分析可知，电路的时间常数为FRRC即专220F323电池SOC的卡尔曼滤波估计卡尔曼滤波应用于电池SOC估计时，电池被电池模型描述为由状态方程和量测方程组成的系统，如图6所示。电池剩余电量和系统状态变量中的有关，为系统矩阵，为控制输入矩阵，C为量测矩阵。控制输入为电池的工作电流I，系统输出为电池模型计算的电池端电压。为系统噪声，为量测噪声，它们均为GAUSS型白噪声，协方差分别为Q和R。本算法的核心思想是在蓄电池静置不用时，根据开路电压来更新蓄电池模型状态变量，完成初始化工作。利用卡尔曼滤波算法估算电池电动势，再根据与SOC的关系函数，估算出电池的SOC。由图6所示的卡尔曼滤波结构图可将系统状态方程写成如下电气自动化2010年第32卷第1期电源控制技术POWERSUPPLYCONTROLTECHNOLOGY芈FB形式DVFCX式中“系统输入电池工作电流I系统状态变量，广系统输出电池端电压C量测矩阵001】将式5离散化可得瓤LADMLC1式中A一EABBLCG系统采样时间考虑，噪声的影响，式6可变为鼽LABDM，ZK1CK1567式中卜考虑噪声影响的系统输出电池端电压应用卡尔曼滤波算法对电池SOC估算主要分为三个阶段各符号标记的含义是表示变量X的第I次采样估计值，它包含了时刻J及以上所有时刻的信息，P同理。卡尔曼滤波的一个特性就是使系统的被估计状态矢量孙在KL时刻的和平方误差最小，这个误差是实际值和被估计值之间的误差。MINELL11一J】通过递归方法，如图7，可以从前一个值瓤，输入”和测量信号Z计算出卡尔曼滤波的估计T，。因此，在每一次采样中11,0，11,L一“和动Z被认为是有效的输入输出数据。通过预测纠错和迭代递推方法可以实现尔曼滤波策略4试验结果与仿真分析考虑系统噪声、量测噪声，应用MATLAB编写电池剩余电量卡尔曼滤波估计M函数程序流程图如图7JR示，对本系统所管理铅酸电池20A恒流放电过程进行仿真。仿真波形如图8中曲线1所示。同样考虑系统噪声、量测噪声，应用MATAB编写IN函数，用电池电动势估计剩余电量，对本系统所管理铅酸电池20A恒流放电过程进行仿真。仿真波形如图8中曲线2所示。从仿真波形来看，电池剩余电量卡尔曼滤波估计大大减小了系统噪声、量测噪声带来的估汁误差，使剩余电量在线估算更为准确。且算法只需要记住前一步的估计结果，大大减少了存贮器的使用量。由此电池剩余电量卡尔曼估计算法十分适合电动汽车铅酸电池管理系统使用5结论从实验有管理系统测得的电压、电流数据来看，尽管与手动专门测量有存在着误差，但已经初步达到了判断电池状态的要求。依据电池电压以及电流、温度等参数实现的电池剩余电量估测结图6卡尔曼滤波结构图62IELECTRICAIAUTCLMATION图7卡尔曼滤波递归算法表1电池组循环检测试验数据6OL1545208526984704985155336616152175281LO6107O0895113598453429420300L5423195194398果仍然需要大量实验验证，也是电池管理系统能否有实质性进步的重要一环，关键是需要为电池建立合适的等效模型，应用更为先下转第一8L页5设DP总线为主站，首先将变频器的9802设为FIELDBUS，这时51组参数被激活。采用DP通讯，变频器5101MODULETYPE设置为PROFIBUSDPPROFIBUS默认的传输速率为15MBITS。变频器5103BAUDRATE设置为15006在总线上添加变频器适用的适配器。并设置变频器的通讯节点地址。例如图1中退纸辊的变频器节点地址设为4，那么在变频器相应的参数5102NODEADDRESS中输入4。其他同理。设计实例DESIGNIDEAS电气自动化2O10年第32卷第1期表3程序编写举例读写CALLSFC14CALLSFC15LADDRW161O0LADDRW16100RETVALTEMP0REC0RDP样DB4DBXO0BYTE12REC0RDPDB2DBX00BYTE12RETVALTEMPL从变频器读取状态字，如是否起停，有无给变频器写下控制字命令起停，速度给故障，电流大小等定、转矩给定等7注意硬件组态时PPO类型的选择。选择哪种类型的PPO，取决于在自动化网络中传动装置的任务。PPO类型选定以后，相应组态地址对应的含义也就定了。DP通讯数据读写要控制退纸辊、前后底辊、圆刀变频器的启动停止、速度给定等功能以及各个部分电流状态等的读取，这些都由通讯完成。在程序中可以编写单独的FC块来完成控制器PLC对变频器的控制功能，即通讯读写。通讯中数据的含义与硬件组态时选择的PPO类型有关。完成这些可以用PROFIBUS网络通信的系统功能SFC14“DPRD_DAT”读，SFC15“DPWR_DAT”写。写下类似的通讯程序，安装相应变频器的通讯说明书，根据观察到的现象，判断通讯成功与否，比如通讯指示灯。如果通讯未成功可以检查硬件连接控制器到变频器。尤其是DP头的连接。软件编写时地址是否按PPO类型选择对应等等。在实际的工程应用中，也有将两者混用的方式。4总结PROFIBUSDP和MODBUS规定了各自的通讯协议方式方法。MODBUS的通讯协议本身特点在一定程度上限制了其通讯速率。PROFIBUS本身的优势使其在工业自动化领域越来越广泛的应用。在实际工程中也用过两种通讯方式。利用PROFIBUS现场总线将主从站点连接在一起，主站系统的所有信息都通过DP总线进行传递，从站的信息及时反馈回主站，并做相应的处理。PROFIBUS现场总线通讯速率快，可靠性高。读写；JITRPBA01操4赢_辊S80号读写IFRPBA01一6I后底辊ACS8O0IDIP总线图2采用DP通讯的复卷机电气控制系统示意图参考文献1廖常初主编S7300400PLC应用技术M】北京机械工业出版社，2005【2】廖常初PLC技术问答M北京机械工业出版社，2006F3】朱小囊MODBUS通信协议及编程J计算机与自动化技术，2005，31742444】李正军现场总线及其应用技术【M】北京机械工业出版社，2005作者简介孟彦京1956一，男汉，教授，硕士研究生导师。主要研究方向为电力电子与电力传动，长期从事变频器传动方面的教学与工程应用工作；孙小平1985一，女汉，研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动