电动汽车电池充放电电能量计量方案

电动汽车电池充放电电能量计量方案

0电动汽车换电运营模式现状作为一种环保环保的新汽车，电动汽车以电池为动力，具有低噪声、低排放、易维护、低能源利用率等优点。当前能源危机和环境污染问题日趋严重,发展电动汽车是一个重要方向。目前电动汽车的发展和推广仍面临着许多瓶颈,电池价格昂贵、充电时间长、充电桩覆盖水平不高是其中较为突出的问题。针对这些现状,国家电网公司将电动汽车的基本运营模式确定为“换电为主、插电为辅、集中充电、统一配送”的方式。换电模式下对电池进行统一管理和维护,降低成本的同时提高了效率,是电动汽车兴起阶段较为经济适用的运营模式。目前换电模式电动汽车按照行驶里程进行计费,即每公里收取固定费用。此种计费方式存在着明显的不足,没有考虑使用车内空调等电器以及电动汽车在不同负载下电池放电电流的波动,同样的行驶里程所消耗的电量完全不同。本文主要研究一种基于直流电能计量模块及车载终端的换电模式电动汽车用电计量方案,此方案能够对电动汽车电池充放电电能量进行准确计量。1动力电池组点换电模式下电动汽车使用的快换电池箱具有统一的外形尺寸和功能接口。电动乘用车快换电池箱内的单体蓄电池为软包电池,软包单体电池规格为22Ah/3.2V,设计容量为60Ah。每个单体电池模块由3个单体电池并联构成,24个单体电池模块串联成组后即为一个动力电池组。电动汽车快换电池箱由电池单体、LECU模块(电池管理系统)、AGPS模块及标准接口组成。其中电池单体通过串联的方式组成电池箱的主体储能单元;LECU模块负责采集电池单体的电压与温度,并通过CAN总线上报数据;AGPS模块负责对电池箱的定位,以确定其位置。2电动汽车快换电池箱考虑到电动汽车由专业汽车厂商设计制造,已投入到规模化运营,若为实现电池放电电量计量的功能而对电动汽车本身进行改造,这种方案显然并不现实。故尝试对电池箱内部进行结构布局的改进设计,增加具有CAN总线通信功能的直流双向电能计量模块,或将原电池箱内的LECU模块与直流双向电能计量模块整合设计,从而实现电池充放电电能量的计量。改进后具有电池充放电计量功能的电动汽车快换电池箱结构如图1所示。直流计量模块对电池组电压、电流进行采样,经计算得到电池组充放电电压、电流、功率,并累积得到电池组充放电电能量。直流计量模块与LECU模块使用同一路工作电源及CAN总线,均从快换电池箱与电动汽车连接器处取得。同时在用户操作侧可安装车载终端,通过CAN总线与快换电池箱通信,对电池状态进行监测。直流计量模块通过CAN总线将电池组电压、电流、功率、放电量等数据上送到车载终端,供用户查询及结算。总的来说,本文所描述方案的基本原理是采用具有电池充放电电能量计量功能的快换电池箱,并结合车载采集交互终端的方式,实现电动汽车电池充放电电能量的准确计量。3电力计量模块3.1电池箱放电数据及安时数直流电能计量模块的核心功能是计量电池充放电电能量。根据实际使用需求,本模块实现了对以下数据的采集和计量:(1)直流电能计量模块状态(正常工作、硬件故障等);(2)电池箱实时数据(电压、电流、功率);(3)电池箱放电电量(本次行驶放电电量、本次放电电量、放电总累计电量);(4)电池箱充电电量(本次充电电量、充电总累计电量);(5)电池箱放电安时数(本次行驶放电安时数、本次放电安时数、放电总累计安时数);(6)电池箱充电安时数(本次充电安时数、充电总累计安时数);(7)最近三次行驶放电电量;(8)最近三次放电电量;(9)最近三次充电电量;(10)最近三次行驶放电安时数;(11)最近三次放电安时数;(12)最近三次充电安时数。3.2基于cu的直流电能计量模块直流电能计量模块硬件系统主要由直流电压采样、直流电流采样、MCU控制模块、CAN总线通信、数据储存、电源、电能脉冲输出、运行监控等部分电路单元组成,实现电动汽车电池充放电电能计量和管理功能,其结构示意图如图2所示。根据计量模块功能要求MCU控制模块具备2路16位以上ADC。本方案MCU使用TI公司的超低功耗MSP430系列电能表专用微控制芯片CSG550,此款MCU具备3个独立16位ADC,可同步采样数据,实现电能计量和系统管理功能。MCU的计量程序模块将A/D转换得到的数据进行相关的数字运算,得到直流电压值、直流电流值与直流功率值,主程序每秒钟读取电压、电流与功率值,其中功率值用于累加电量。相关数字运算的流程图如图3所示,相关计量参数的计算如式(1)~式(4)所示:式中U0(k)、I0(k)、P0(k)分别为第ks电压、电流有效值和功率平均值;un(k)、in(k)分别为第k秒内第n个采样点的数字电压、电流信号值;KU、KP分别为电压和功率的前端电路数据转换增益系数;W0为直流电能量累加值。CAN总线是应用最广泛的现场总线之一,全称“ControllerAreaNetwork”,即控制器局域网,具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好等优点。本方案选用CAN总线作为直流电能计量模块与车载终端之间的通信总线。CAN总线通信单元电路如图4所示。MCU通过SPI通信端口与CAN总线通信控制芯片U2进行数据交换,实现CAN总线通信数据收发功能;U4、U5实现直流电能计量模块内部电路与外部车辆CAN总线的电气隔离;U3为CAN总线收发器,实现CAN总线通信的电性能匹配。本方案CAN总线通信控制芯片选用Microchip公司的MCP2515,通信收发芯片选用Microchip公司的MCP2551。对于本模块的软件系统,将底层驱动分层设计,使应用层、任务层得到有效保护,在保证系统安全的基础上又保证了软件的可移植性;同时,任务层分任务模块进行设计,让各个功能的实现趋于独立,保证了模块功能的可扩展性和易维护性。3.3用电计量相对误差测试直流电能计量模块的主要技术参数指标见表1。计量模块经由中国计量科学研究院进行测试,在额定参比电压下,选取不同输入电流的测试点,电能计量相对误差测试结果见表2。由表2数据可知,直流电能计量模块的电能计量准确度可达0.5级。4终端硬件设计车载终端的主要作用是通过CAN总线采集电池管理系统及直流电能计量模块的数据,可以方便直观的查看电池的运行数据和电池放电使用情况,对电动汽车动力电池进行监视。同时可对其功能进行扩展,提供服务网点查询、预约换电、服务网点导航、紧急救援等多种服务。基于系统设计的可扩展性和实现复杂度考虑,按照模块化设计思想,将车载终端设计为采集终端和交互终端两部分,两者通过蓝牙进行无线数据通信,逻辑架构如图5所示。采集终端以NXP公司推出的基于ARMCortexM3内核的微控制器LPC1768为核心。此外还包括CAN总线通信模块、蓝牙通信模块、SD卡和GPS模块。GPS模块采用台湾环天公司的EB365,与LPC1768通过USART串口进行相关配置和通信,接上电源之后模块即会自动发送坐标信息给主芯片LPC1764,由主芯片解析出经纬度信息。交互终端采用7寸平板电脑,主CPU芯片的工作频率为800MHz的,带有电容式多点触控屏,Android2.3.5操作系统,包括蓝牙通信模块和GPRS通信模块。交互终端上部署的主要应用包括电表监测、电池监测、车况监控等。将本文所研发成功的直流电能计量模块及车载终端,安装于海马普力马纯电动乘用车(杭州在运行的一种电动出租车)上,进行实际的车载运行,验证了计量模块及车载终端运行的可靠性,为推广应用积累了经验,取得了较为满意的成果。经车载实际运行测试,在城市道路上正常行驶耗电量约为(0.25~0.3)kWh/km。5a/d转换电路本文研究一种基于直流电能计量模块及车载终端的换电模式电动汽车用电计量方案,并研发成功相应直流电能计量模块和车载终端,计量模块准确度可达0.5级。经实际车载测试,整体可靠性较高,具有极大的推广应用价值。直流电压采样通过基本的电阻分压方式实现,经电阻分压后得到的电压值即为电压采样信号;直流电流的采样则采用锰铜分流器实现。电池充放电时在锰铜分流器上会产生与电流大小成线性关系的电压信号,此电压值即为电流采样信号。考虑到电压采样信号和电流采样信号的值均较小,易受干扰,