淺談電池管理系統(tǒng)

淺談電池管理系統(tǒng)

1電池管理系統(tǒng)概述隨著汽車電子技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車采用了更先進(jìn)、更智能的電池管理系統(tǒng)，但也存在問題。例如，電池剩余能量的計(jì)算和電動(dòng)汽車能量的回收，為了確保電池的良好工作性能，更好地延長(zhǎng)電池的使用壽命，必須有效控制和管理電池系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)特別重要。電池管理系統(tǒng)(BMS)就是對(duì)電池組中的電池各種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控,是一種具有高精確性、實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性的控制系統(tǒng)。通過對(duì)電池剩余電量(SOC)的準(zhǔn)確估算,合理有效的控制充放電,優(yōu)化電池的性能參數(shù),提高電池使用壽命。電池管理系統(tǒng)主要有以下3個(gè)功能:1)精確地監(jiān)測(cè)電池電流和電壓,這兩個(gè)參數(shù)是電池管理系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。2)在得到正確電池性能參數(shù)的情況下,通過相關(guān)的算法實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電量地準(zhǔn)確計(jì)算。3)采用一個(gè)分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信,一般是通過CAN總線,通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)具體電池參數(shù)的顯示與監(jiān)控。基于MC9S12XEP100單片機(jī)等硬件結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)下位機(jī)和上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的SOC計(jì)算,從而設(shè)計(jì)了更加精確的高效的電池管理系統(tǒng)。2電池管理系統(tǒng)概述本電池管理系統(tǒng)包括:電池組模塊部分,在電動(dòng)汽車中的實(shí)際使用電池,這里采用的是1.2V×6×20的電池組;充放電控制電路模塊,其中又包括保護(hù)電路,電子負(fù)載和繼電器陣列,保護(hù)電路的作用是為了對(duì)純硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)過流和過溫保護(hù),并且故障解除后具有自恢復(fù)功能。電子負(fù)載主要起限流作用,通過繼電器陣列式實(shí)現(xiàn)充放電之間的切換,保證電路的安全性和可靠性。存儲(chǔ)模塊,用于存儲(chǔ)電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);AD模塊,實(shí)現(xiàn)電壓,電流等所需要參數(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換;CAN通信模塊,用于實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的通信功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。電池管理系統(tǒng)使用的電池組是由多節(jié)鎳氫電池組成,鎳氫電池電量?jī)?chǔ)備大,使用壽命長(zhǎng),并且環(huán)保高效,已經(jīng)在電子電力,通信,交通等部門得到廣泛應(yīng)用。在電池使用時(shí),如果充放電設(shè)計(jì)不合理,會(huì)導(dǎo)致電池的壽命大大縮短。電池剩余電量(SOC)是電池能夠進(jìn)行有效管理的重要參數(shù),它的誤差一般在10%。當(dāng)誤差過大則會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)一些過度充電或放電的不良后果。通過一定的策略來保證電池充分發(fā)揮本身的能量,提高使用效率,從而達(dá)到延長(zhǎng)電池的使用壽命的功能。目前有較多的方法計(jì)算SOC,常用的是安時(shí)法,Kalman濾波法,開路電壓法,等效電路法,本電池管理系統(tǒng)采用修正的安時(shí)發(fā)和Kalman濾波法來實(shí)現(xiàn)SOC的計(jì)算。3芯片特性Freescale的MC9S12XEP100芯片是一款16位雙核的MCU,具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力,抗干擾性好,低成本,低功耗和高效的代碼率,適用于電池管理軟件開發(fā)的硬件環(huán)境。3.1實(shí)時(shí)監(jiān)控存儲(chǔ)MC9S12XEP100內(nèi)部的AD模塊有6個(gè)ATD控制寄存器,2個(gè)ATD狀態(tài)寄存器,1個(gè)使能寄存器和多個(gè)ATD轉(zhuǎn)化結(jié)果寄存器,通過對(duì)上述寄存器的設(shè)置來完成AD轉(zhuǎn)換波特率,轉(zhuǎn)換采樣頻率等參數(shù)的設(shè)置,完成AD轉(zhuǎn)換函數(shù)的設(shè)置,通過CodeWarrior自動(dòng)生成功能,完成中斷向量表的設(shè)置,設(shè)置RTI控制寄存器,設(shè)置相應(yīng)的控制字,來得到所需要的時(shí)間中斷。因?yàn)殡姵豐OC的計(jì)算對(duì)實(shí)時(shí)電壓、電流的要求較高,所以實(shí)時(shí)中斷函數(shù)的時(shí)間間隔設(shè)置為1ms。電路中設(shè)置了350mA的驅(qū)動(dòng),根據(jù)設(shè)置值向低位開關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)保持時(shí)鐘極性來控制開關(guān)。在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)模塊的,MC9S12XEP100采用的是P-Flash存儲(chǔ)器,它的讀寫是以8個(gè)字節(jié)為一個(gè)單位寫數(shù)據(jù)到Flash上,建立對(duì)應(yīng)的數(shù)組,以4個(gè)數(shù)組即8字節(jié)為一個(gè)單位,利用指針偏移,實(shí)現(xiàn)16個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。若出現(xiàn)意外掉電的情況,則不執(zhí)行存儲(chǔ),采用折半查找的算法找到當(dāng)前Block空白的區(qū)域,記錄掉電時(shí)候的地址,下次上電時(shí)候,接著上次掉電的地址繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),直到整個(gè)存儲(chǔ)過程的結(jié)束。3.2套式計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)3.2.1電池充放電動(dòng)態(tài)監(jiān)控通過實(shí)時(shí)中斷函數(shù),進(jìn)入中斷,執(zhí)行5ms調(diào)用一次判溫控制函數(shù),實(shí)時(shí)的監(jiān)控溫度和實(shí)現(xiàn)充放電狀態(tài)之間的切換,保證電池安全正常的工作。程序流程如圖2所示。3.2.2不同算法在電池soc變化問題上的應(yīng)用為了解決一般SOC估算不能準(zhǔn)確的計(jì)算SOC和電池可用容量變化的問題,實(shí)驗(yàn)采用基于安時(shí)法配合開路電壓法的SOC估算以及采用Kalman濾波法的SOC估算,這兩種算法可以有效的控制SOC計(jì)算誤差,保證電池的工作效率,提高使用壽命。1細(xì)胞socv與環(huán)路c的關(guān)系安時(shí)法實(shí)際上是一種預(yù)測(cè)計(jì)算,隨著時(shí)間的增加誤差會(huì)逐漸積累,最終誤差越來越大,所以這里采用安時(shí)法結(jié)合開路電壓法,可以得到較為理想的精度。式中:w為安時(shí)法和開路電壓法兩者所占比照值,根據(jù)仿真結(jié)果這里w取值0.95。SOC(k-1)為前一拍的SOC值,SOC(k)代表當(dāng)前的SOC值。ΔSOCi為用安時(shí)法計(jì)算得到的每拍SOC增量:式中:i(k)為當(dāng)前的電流值;Qo是電池在標(biāo)準(zhǔn)狀況下所能放出的電量;Δt為采樣時(shí)間;KC、KL、KT是修正參數(shù)。SOCV是用開路電壓法計(jì)算得到的電池SOC?；诎矔r(shí)法和開路電壓法的SOC估算程序流程圖如圖3所示。2電池模型及基于salman濾波器的soc估算Kalman濾波法是一種對(duì)電池管理系統(tǒng)做出最優(yōu)估計(jì),SOC的實(shí)時(shí)估算能夠保持很好的精度,并且能夠修正初始值的誤差,抗干擾能力強(qiáng)?？柭鼮V波應(yīng)用于電池SOC估計(jì)時(shí)。電池被電池模型描述為由狀態(tài)方程和量測(cè)方程組成的系統(tǒng)?；趉alman法的SOC估算程序流程圖如圖4所示。電池模型:式中:X(k)為狀態(tài)變量,是電池的SOC值;X(k-1)為上一拍SOC值;Y(k)輸出量,是電池的端電壓;式中:w(k)、v(k)是高斯白噪聲,其方差分別為W和Q。因?yàn)楹瘮?shù)g(X(k))是非線性方程,要將其線性化,對(duì)方程Y(k)=g(X(k))-Ri(k)+v(k))進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開并忽略高次項(xiàng)可得:g(X1(k))-C(k)X1(k)是與X(k)無關(guān)的項(xiàng),所以得到的方程為線性方程。Kalman濾波器的是由式(6)~(12)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算狀態(tài)變量X(k)的預(yù)測(cè)值X1(k):計(jì)算量測(cè)量的估計(jì)值Y(k):計(jì)算C(k):計(jì)算預(yù)測(cè)誤差p1(k):計(jì)算濾波器增益K(k):計(jì)算狀態(tài)變量的最優(yōu)估計(jì)X(k):計(jì)算最有估計(jì)的偏差p(k):3.3系統(tǒng)的存儲(chǔ)模塊CAN通信模塊用來實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與外部的通信,把電池的電壓,溫度,SOC以及相關(guān)參數(shù)通過CAN總線發(fā)送到電腦,顯示電池組狀態(tài)的信息。存儲(chǔ)模塊是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)參數(shù)的存儲(chǔ),由USB轉(zhuǎn)CAN模塊,通過CCP協(xié)議讀取存儲(chǔ)在Flash上的數(shù)據(jù),在VC的環(huán)境中用SQL語言把數(shù)據(jù)寫入在對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)組中,實(shí)現(xiàn)存入EXCEL的操作。流程圖如圖5所示。4充電系統(tǒng)soc的計(jì)算為了驗(yàn)證電池管理系統(tǒng)的有效性和可靠性,按照?qǐng)D1搭建調(diào)試平臺(tái),對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試實(shí)驗(yàn),在充放電的條件下,借助于Codewarrior開發(fā)環(huán)境,通過BDM將程序燒入ECU來完成對(duì)電池參數(shù)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)SOC計(jì)算的結(jié)果,電池開始充電前,系統(tǒng)SOC為14%,經(jīng)過5小時(shí)的時(shí)間以1A電流充電,充電結(jié)束時(shí)系統(tǒng)估算的SOC為90.7%,以凱爾曼法計(jì)算是94%,誤差為3.3%,滿足了設(shè)計(jì)要求。圖6是在調(diào)試過程中從Flash芯片中讀取的數(shù)據(jù)都是以ASCII碼形式存儲(chǔ)在Flash芯片中,從圖6的運(yùn)行結(jié)果可以看出,對(duì)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了對(duì)電池SOC等參數(shù)的精確監(jiān)控的效果。5c9s12xep為主隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展,對(duì)車用電池管理系統(tǒng)性能的要