基于回跳电压的蓄电池剩余容量在线估算法-论文.pdf

基于回跳电压的蓄电池剩余容量在线估算法 陈伦琼 - ， 李蓓 z ， 张笛 2 ( 1 常州工学院， 江苏 常州 2 1 3 0 0 0 ； 2 湖南工业大学 ， 湖南 株洲 4 1 2 1 0 0) 摘要： 以单体动力电池为研究对象， 为解决动力电池动态剩余容量( s oc ) 在线估算的难题 ， 提出了一种新的动力电池剩 余容量在线估算方法。通过对铅酸蓄电池离线后所产生的回跳电压进行研究。 在考虑了放电率、 放电深度、 环境温度等 因素的情况下。 建立了回跳电压与电池剩余容量的函数关系； 采用 8 9 S 5 1单片机完成实时检测与计算， 实现了智能型蓄 电池剩余容量在线检测。 关键词 ： 回跳电压 ； 铅酸蓄电池； 剩余容量； 单片机 中图分类号： T M 9 1 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 2 0 8 7 X( 2 0 1 3 ) 1 2 - 2 1 7 9 0 3 SOC e s t i ma t i o n o f l e a d - - a c i d ba t t e r y o n l i ne us i n g r e bo u n d v o l t a g e CHE N L u n q i o n g ， L I Be i ， Z HANG Di Ch a n g z ho uI n s t i t u t eo fTe c h no l o g y ,C ha n g z h ou J i a n g s u21 3 0 0 0 ,C h i n a ； 2 Hu n a n U n i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y , Z h u z h o u H u n a n 4 1 21 0 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ba s e d o n t h e s i n g l e p o we r b a t t e r y ， i n o r d e r t o s o lv e S0C e s t i ma t io n o f l e a d -a c i d b a t t e r y o n - l i n e ， a k i n d o f n e w e s t i ma t i o n me t h o d wa s p r o p o s e d By a n a l y z i n g r e b o u n d v o l t a g e o f t h e le a d - a c id b a t t e r y o ff -li n e 。 d i s c h a r g e r a t e ， d e p t h o f dis c h a r g e a n d e n v i r on me n t t e mp er a t u r e， t h e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p b e t we e n r e b ou n d v o lt a g e an d SOC wa s e s t a b l is h e d Th e i n t e l l i g e n t r e a l - t i me de t e c t ion a p p ar a t u s b a s e d o n MCU 8 9 S5 1 f o r SOC e s t i ma t io n o n -l i n e wa s i n t r o d u c e d Ke y wo r d s ： r e b o u n d v o lt a g e ； l e a d - a c i d b a tt e ry： s t a t e o f c h a r g e ； MCU 蓄电池的端电压在离线瞬间存在一个跳变，如图 1中的 A点到B点所示。 把电池放电到截止电压的点记为 A点 ， 切断 放电回路，电池的端电压将从 A点跳变到 B点。图 1中的 C 点为电池脱离负载回路后经过一段时间的渐变，恢复到相对 稳定的电压值。将上述情况下电压达到 B点的值称为回跳电 压 ， 记为 U。在电池研究工作中， 我们观察到回跳电压经常是 变化的， 那么回跳电压的变化是否有一定规律， 其表现代表了 f mi n 图 1 蓄电池放电后回跳电压 的示意 图 收稿 日期 ： 2 01 3 0 4 1 2 基金项 目： 国家自然 科学基金项 目( 5 1 0 7 7 0 4 7 ) 作者简介 ： 陈伦琼 ( 1 9 7 3 _ ) 女 ， 湖北省 人 硕士 ， 讲师 ， 主 要研究 方 向为 电源技术及 自动控 制。 电池的哪些特性， 是否与电池的剩余容量 、 环境温度以及电池 老化程度、 电池性能存在一定的联系?本课题组进行了相应的 实验与研究 。 1 回跳 电压 的理论分析 蓄电池的数学模型可以用一等效阻容电路表示 ，如图 2 所示_ l _ ， 其中 R 为等效欧姆电阻， R 2 、 c为电化学极化和浓差极 化所产生的等效阻容环节的参数 ， E为电池的反电动势， L ， 为 电池端电压 ， ， 为工作电流。 图 2 蓄 电池等效数学模型 从图 1的B点到 C点的动态过程中， 有： R E ( ) 一 【 ， ( ) = ， ( ) ( 。 + 三 一 孚 ) ( 1 ) z + 吉 式中： R l 为回路中的欧姆电阻； R 2 为电化学极化和浓差极化电 21 7 9 2 0 1 3 1 2 V O J3 7 N 0 1 2 技 阻 ； C为 电化学极化和浓差极化电容。 将式( 1 ) 进行拉式反变换后得到： e ( t ) 一14 ( t ) =i ( t ) X R l +i ( t ) R 2 X( 1 一e T 2 ) ( 2 ) 式中： R 2 C ， 为极化时间常数。变化后得到电池两端的端 电压 ： u ( t ) =e ( t ) 一i ( t ) X ( R 1 +R 2 ) +“ 2 ( f ) “ ( f ) =e ( t ) 一“ 1 ( f ) +“ 2 ( f ) u 。 ( f ) 是 由于回路 中的各种电阻( 包括欧姆电阻和极化电 阻) 产 生的， 在电 流函 数的 ( f ) ：J ， 0 作 用下， 当t = 0 l 0 ， t 0 时， L I1 ( f ) = 0 ， 也就是图 1中的 AB段； 而 u 2 ( O 为恢复电压， 则 有 ： f ( f )= ( t )X R， e ( 3 ) 在 f =0后呈现一个 指数 衰减 的特性 ，由于 电流产生 的是 负跳变， 相当于输入信号为负 ， 因此电池端电压呈现一个缓慢 回归的态势 ， 即图 1中的 B C段 。 根据式( 3 ) ， 当 t = 0 ， 电池端 电压即为回跳电压 u ( f ) ， 而当 时， 电池的开路电压等于电池反电动势， 则： 2( f )= + f ( f ) ( 4 )t U R e 也就是说， 当电流为 0的瞬间， 由于极化产生的电压损失 还没有完全恢复， 需要一定时间的静置， 电池的端电压才可能 恢复到开路电压。 从以上分析可以看出： 回跳电压 u c ) 决定于电池开路电压 的大小 ( 尤其在开路电压较大， 极化损耗电压相对较小的 情况下 ) ， 而开路电压与电池的剩余容量有比较 固定的关 系_2 _3 】 ， 因此回跳电压与剩余容量有着密切的关系， 可贵的是回 跳电压在离线的瞬间就可以获得，这就为工作状态下获得剩 余容量信息提供了较为切实可行的方法。 下面将用实验的方法 ， 对 回跳 电压进行进一步的研究。 2 实验条件与工作制度 实验使用 B X 7 B 一 3 A型号铅酸蓄电池和B T S M 5 0 A J 1 2 V 蓄电池综合参数 自动测试仪。根据起动用铅酸蓄电池标准 G B 5 0 0 8 1 - 8 5中规定 ， 标称容量的放电率为 。 ， 电解液温度为 ( 2 5 -+2 ) ，相对密度为 1 2 8 +0 0 1( 2 5) ，放电终止电压为 1 0 5 v( 单格 1 7 5 v ) t 。充电电压恒定在 1 4 5 v( 单格 2 4 1 6 V) ， 充电截止电流为 0 0 1 A。 采用二阶段恒流 恒压充电方式 充电， 放电为恒流放电方式l 6 _。 3 回跳 电压 的实验研 究 3 1 回跳电压与剩余容量的关系 首先对电池进行如下实验： 选择相同的放电率， 放电至不 同深度 ， 记录下切断放电回路瞬间的回跳电压值 ； 静置 2 h 以后， 以 0 2 C放电至 1 0 5 V， 记录下放出的容量 s o Q。 然后， 对电池进行不同放电率下的完全放电( 放电截止电 压在 1 0 5 V) ， 静置 2 h后， 再次进行 0 2 C完全放电， 记录第 二次放 出的容量 s o G。 根据分析得出如下结论： ( 1 ) 在回跳电压 Ul 1 8 V时， 忽略放电率对 S OC k ： f ( U J 2 01 3 1 2 VO I 3 7 NO 1 2 函数的影响，取部分实验数据，绘出图 3所示的函数关系曲 线 ， 并用最小二乘拟合该函数关系如下 ： S O C 2 =( O 0 0 5 2 U t 一0 1 8 8 7 U ， + 2 3 0 3 4 一 9 3 9 4 ) x l 0 ( 5 ) 计算出罔3中拟合曲线 ( d a t a 2) 与实际值 ( d a t a 1) 之间的 最大误差 为 3 4 1 8 6 。 U 图 3 U1 1 8V时 S OC = 函数关 系曲线 ( 2) 当回跳电压处在 U r ( 0 ， 1 1 8 V ) 区间时， S O C _ _ J 电 流 检 测 = = ： 盼 S 5 l &鏖捡测 = = ： 图 6硬件部分原理框图 4 2 主要检测电路及算法 检测电路如图 7所示， 分为电压 、 电流、 温度三部分。 电压 检测由 L M3 2 4 A和 A D芯片 MC P 3 2 0 8组成 】 ， 蓄电池的回 跳电压范围为 1 0 5 1 3 v，而 A D芯片的输入范 围为 0 5 V， 可用 A D5 8 4产生 1 0V基准电压 和 5V基准电压 ， 21 81 CI - I I V0C e| l Vr e f 锄C I a l 4 l ， 鳓 彻l I al 6 疆 Cl l 7 Aam Cl l B DaI - H ) 图 7检测 电路图 由 L M3 2 4 A实现回跳电压 ( 如图 7中的 、 ) 和参考电压 的比较和转换。由数字温度传感器 DS 1 8 B 2 0进行温度数据采 集， 经 P 3 3口送入单片机。 A D 芯片 的 C L K、 D D 和 C S端分别位 于单 片机的 P 1 4 P 1 7端 口。MC P 3 2 0 8为 1 2位逐次逼 近型的模数转 换芯 片， 其工作电压为 2 7 5 5 V， 同时带有 S P I 串行总线接口。 单 片机的定 时器产 生 2 MH z的外部时钟信号给 A D芯片的 C L K脚， 完成模 数转换后数据经 P 1 5口读入单片机。 电流由8 9 S 5 1单片机的外部 中断 0即 P 3 2口实现检测， 一 旦蓄电池电流从工作状态跳变为零 ，外部中断 0响应并进 入中断检测程序， 实现对温度和电压信号的处理， 流程图如图 8所示。阀值 = 1 1 8 v， 考虑到放电深度对剩余容量的影响， 单片机求取剩余容量 s o G时， 分段处理 ： 厂 由 ( 6 )式 算 出 Q 二 江 度 謦正 2 启 动报 警 N H 启 动 ， D 采集 回 磷 电压 t U t 闷值 d ! 由 ( 5 )式 算 出 s 2 二二二 沮 度量 正 1 s o 乜 1嘣 二 二 送豆 图 8 数 据 采 集 处 理流 程 ( 1 ) 在回跳电压 U 1 1 8 V时， 用式( 5 ) 表示， 考虑到温 度对 s o G的影响进行如下温度补偿 ： 以 2 5作为基准温度 ， 温度每升高 1 ， S O C 2 下调 1 ， 即图 8中的 “ 温度修正 1 ” 环 节 。 ( 2) 在 Ufi e ( 0 ， 1 1 8 v) 区间， 用式( 6 ) 表示， 考虑到温度的 影响较小 ， 温度每升高 2， s oG下调 1 ， 即图 8中的 “ 温度 f - t 4g 2 2 6 8页) 2 01 3 1 2 VO I 3 7 NO 1 2 投 不 汉理工 大学 ， 2 0 0 7 4 】 陈新 基于 We b的远程监控与数据采集系统 J 电子科技大学学 报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 ( 4 ) ： 4 3 3 4 3 6 5 】 胡心专， 皱沐昌 逆变电源设备中远程监控系统的研究 J 计算机 工程与应用 。 2 0 0 4 ， 4 0 ( 2 2 ) ： 1 8 5 1 8 8 6 李军， 鲍鸿， 程院莲， 等 单片机网络控制系统 J 】 广东工业大学学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 1 ) ： 8 一 l 2 7 】 于海晨 ， 仲崇权 基于l n t e m e t 的控制系统远程监控方案及实例 J 】 计 算机自动测量与控制， 2 0 0 1 ， 9 ( 5 ) ： 1 4 1 6 【 8 】 袁池 ， 楮亚萍， 谷兴才， 等 远程监控与维护系统及其在 P C - P L C 网络上的实现 J 上 海交通大学学报， 2 0 0 3 ， 3 7 ( 3 ) ： 4 5 0 4 5 3 9 9 孙健， 蔡凌 ， 汪晋宽 远程监控与诊断系统的设计实现 J f 义 器仪 表学报 ， 2 0 0 5， 2 6 ( 8 ) ： 6 9 5 6 9 7 【 l O 唐建涛， 李耿， 徐国鑫 用 I n t e me t 实现锅炉远程监控 J 1 科技创 业家 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ； 1 4 2 1 1 】 李恒超， 张家数 基于嵌入式 We b的远程监控研究 J 西南交通 大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 8 ( 3 ) ： 2 3 2 7 ( 1 2 仲崇权， 鲁辛凯， 李卓函。 等 基于嵌入式 We b 远程监控的研究 与应用 仪器仪表学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 6 ) ： 5 7 5 5 7 7 周曼丽 ， 姜 文刚 基 于嵌 入式 We b服务 器的植物工 厂远程监控 系统研究 与实 现 J 中国农机化 ， 2 0 l l ( 5 ) ： 9 0 - 9 5 施卫强 ， 吴敏， 曹卫华 基于嵌人式系统的 I n t e me t 接口开发 J 计算机 系统应用 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 8 8 9 4 陈波 ， 高秀娥 ， 隋广洲 无线远程控制系统研究与实现 J 仪器仪 表 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 6 ) ： 5 7 3 5 7 4 王路， 张国圆， 杨琳 蓝牙无线远程控制的应用研究 J 福建电 脑 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 3 0 田圣彬 ， 刘兆魁 感应加热系统的远程控制技术的研究 J 工业 控制计算 机 ， 2 0 0 8 ， 2 1 f 1 ) ： l 1 1 5 刘敏娜 ， 潘宏侠， 黄小娟 基于 G P R S的风力发电机远程监控系 统设计 【 J 自动化与仪表 ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 7 ) ： 2 9 3 3 孙忠富， 曹洪太， 李洪亮， 等 基于 G P R S和 WE B的温室环境信 息采集 系统的实现 J 农业工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 2 ( 6 ) ： 1 3 1 - 1 3 4 张军， 尚敏， 陈剑 基于 3 G技术的智能农业远程监控与管理系 统 J 计算机测量与控制， 2 0 1 1 ， 1 9 ( 5 ) ： 1 0 5 8 1 0 6 1 。 ， 茬 。 ： t毒 。； z 菩。 0 ，毒 。 j r 一 - t奎 。 ： r j 害 。 ： 芒。 ： Z = 垒 生 乒 ： j 些 = 堑 _ 3 ( 上接 第 2 1 8 1页) 修正 2 ” 环节。 4 3 显示和报警 经温度修正后的剩余容量值 s OG输出到 L E D显示 ， 显 示模块由三合一共阴 L E D数码管 、 4 5 1 1 译码器、 7 4 0 4反相器 和限流电阻组成。单片机的 P 2 4 P 2 7口信号经 4 5 1 1 译码后 提供 L E D的段控信号； MC U的 P 2 0 P 2 2口提供三个 L E D 的公共端 C OM信号。若 s o G低于 1 0 ， 则启动报警， 由单片 机的 P 2 。 3口控制蜂呜器报警。 5 结束语 本文通过对铅酸蓄电池离线回跳电压的分析 ，兼顾温度 补偿 ，提出了一种在线估算蓄电池剩余容量的新方法。并以 8 9 S 5 l 单片机为核心， 完成了智能型蓄电池剩余容量在线检测 装置。该铅酸蓄电池剩余容量检测装置结构简单、 成本低 、 产 品开发周期短、 可靠性高， 可满足蓄电池在线监测剩余容量的 要求， 有较高的应用价值和较为广阔的市场前景。 参考文献 ： 1 范红军 ， 殷合 香 ， 郑卫东 铅酸 蓄电池 自放 电程 度的人 工神经 网 络检测 J 自 动化与信息工程， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 3 4 。 3 6 【 2 李蓓， 王耀南， 吴亮红， 等 端电压模糊估算动力电池 S O C的新方 法 J 湖南大学学报： 自 然科学版， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 4 7 5 3 3 李蓓 ， 叶玮琼 ， 王耀南 ， 等 基于工作 电压 的动力电池剩余容 量动 态估 算 J 变流技术与 电力牵引 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 6 5 0 4 谢爽 中国铅酸蓄电池标准化的现状及展望 J 蓄电池， 2 0 1 l ( 2 ) ： 8 3 8 6 5 5 代睿， 曹龙汉， 吴帆 ， 等 铅酸蓄电池组容量测试与活化技术研究 与实现 J 工业控制计算机 ， 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 5 9 6 3 6 6 史鹏飞 化 学电源工 艺学【 M 哈尔滨 ： 哈尔 滨工业 大学 出版社 ， 2 0 0 6： 1 0 3 1 O 7 7 李国勇 智能控制及其 MA T L A B实现 M 北京： 电子工业 出版 社 ， 2 0 0 5 ： 2 0 0 2 4 5 8 】 王黎明 基于 A T 8 9 S 5 l 单片机的数字电压测量 J 价值工程 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 5 3 f 9 9 许安涛， 赵国生 高精度电压测量回路的研究 J 河南师范大学学 报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 1 4 3 1 4 8 、 羔 釜 ( 上接 第 2 2 6 0 i g ) 3 结论 本文分析了分布式发电 微电网中储能的配置原则和影 响因素， 并结合储能的自身特性， 给出了分布式发电和微电网 中储能的功率 容量优化配置方法。 详细阐述了基于低通滤波 原理的分布式发电储能系统的配置方法、基于高通滤波原理 的功率型和能量型储能系统的配置方法 ，以及基于供用电平 衡的微电网储能配置方法。 在实际应用中， 应结合优化 目标 、 评价标准和储能 自身特 性， 计算不同类型储能的功率 容量， 同时应根据储能成本构 成、 投资回报率和电力市场需求等进行深入研究和评价，