基于安時(shí)法的電池剩余電量檢測(cè)方法

基于安時(shí)法的電池剩余電量檢測(cè)方法

0基于動(dòng)態(tài)剩余電量的測(cè)量算法許多電動(dòng)汽車使用電池作為動(dòng)力。與傳統(tǒng)汽車的功能一樣，電池剩余的能源為電動(dòng)汽車的可持續(xù)行駛距離提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)，這對(duì)正確測(cè)量也很重要。由于電池的充電狀態(tài)即SOC(stateofcharge)不能直接測(cè)量,只能通過(guò)其外在特性如電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)的變化來(lái)估計(jì)電池的剩余電量。電池的有效容量受到放電電流、電解液溫度、自放電和非恒定放電電流放電條件下恢復(fù)效應(yīng)等因素的影響,因此,以上參數(shù)與剩余電量的關(guān)系并不是一成不變的,而是隨著電池的不斷老化而發(fā)生變化,其規(guī)律是不可預(yù)見(jiàn)的,從而增加了電量檢測(cè)的復(fù)雜度及檢測(cè)誤差。目前,電量檢測(cè)的基本方法有密度法、開(kāi)路電壓法、安時(shí)法、內(nèi)阻法等等,這些方法雖然簡(jiǎn)單,但都只考慮了與電池容量有關(guān)的一個(gè)因素,因此測(cè)量精度低,或者不能實(shí)現(xiàn)電池的在線測(cè)量。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和精度要求的提高,將上述多種基本方法組合起來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的方法正逐步得到實(shí)際應(yīng)用,如內(nèi)阻-安時(shí)法,Peukert-安時(shí)法等等。另一種方法是采用專用電池監(jiān)測(cè)芯片如DS2438,但這種方法成本高,而且需要采樣電阻,不適合在大電流的場(chǎng)合下應(yīng)用。該文以安時(shí)法為基礎(chǔ),根據(jù)電池充放電特性,提出了一種易于工程應(yīng)用的剩余電量計(jì)算方法,該方法可通過(guò)MCU實(shí)現(xiàn),并可嵌入到其他車輛儀表中去,以降低硬件開(kāi)支。1檢測(cè)原理1.1放電過(guò)程中電池端電壓下降一般稱放電時(shí)電池端電壓隨時(shí)間的變化曲線為電池的放電特性曲線,如圖1的曲線OEFG所示。從圖中可以看出,放電曲線基本上由3部分組成:放電開(kāi)始時(shí),電池端電壓沿著OE快速下降;然后端電壓變成沿EF緩慢下降;最后在曲線的G點(diǎn)以后,端電壓急劇降低,一般認(rèn)為,此時(shí)電池已經(jīng)沒(méi)有能量了,繼續(xù)使用將會(huì)損壞電池。圖1中OABCD曲線為充電特性曲線,可見(jiàn),充電過(guò)程也可分為充電初期電壓急劇上升(OA段)、緩慢上升(ABC段)、快速上升(CD段)和端電壓平衡段(D點(diǎn)后),到D點(diǎn)后,可認(rèn)為電池已經(jīng)充滿電了。1.2電池釋放電量的測(cè)量電量不方便直接測(cè)量,所以常根據(jù)電流來(lái)計(jì)算。根據(jù)電流強(qiáng)度的定義,可以得到如下公式來(lái)計(jì)算放電量(負(fù)時(shí)為充電量):q(t)=t0i(τ)dτ(1)根據(jù)能量守恒定律,理想情況下電池放出的電量應(yīng)等于充電時(shí)充入的電量,所以只需測(cè)出電池充電時(shí)充電電流和充電時(shí)間就可以知道電池的實(shí)際電量Q0,再測(cè)出電池的放電電流和放電時(shí)間就可以得出電池放出的電量,用實(shí)際電量減去輸出電量就可以算出電池的剩余電量。但是電池工作電流隨加減速、負(fù)載、路況的不同而發(fā)生變化,因此i(t)是個(gè)隨機(jī)信號(hào),不能直接用式(1)計(jì)算電量。但是i(t)變化速度相對(duì)較慢,可以用下面的方法近似計(jì)算:q(t)=∑n=0ti(nΔt)Δt(2)q(t)=∑n=0ti(nΔt)Δt(2)式中Δt為采樣時(shí)間,只要Δt足夠小,就能精確計(jì)算出電池釋放的電量,但這必然會(huì)增大計(jì)算量。據(jù)統(tǒng)計(jì),i(t)的變化時(shí)間一般小于200ms,故根據(jù)采樣定理,選取Δt≤100ms就可以保證離散信號(hào)i(nΔt)攜帶原始信號(hào)i(t)的全部信息,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間、CPU速度和精度要求選擇合適的采樣時(shí)間。1.3電池老化補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算電池容量受到溫度、老化、自放電等諸多因素的影響,電池實(shí)際電量Q0也隨著這些因素而發(fā)生變化,因此必須進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的實(shí)際電量采用公式(3)來(lái)計(jì)算:Q0=KTKAQN(3)式中QN為電池額定容量,KT,KA分別為溫度補(bǔ)償系數(shù)和電池老化補(bǔ)償系數(shù)。這些系數(shù)通常是非線性的,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)得到,但是最好按照電池廠家提供的曲線來(lái)進(jìn)行修正。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)事先算好,以表格的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,計(jì)算時(shí)采用插值算法,可以大大減小計(jì)算量。根據(jù)上述分析,可得電池剩余電量百分?jǐn)?shù):qr(t)=(Q0?q(t))Q0×100%(4)qr(t)=(Q0-q(t))Q0×100%(4)2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件由微處理器、定時(shí)器、數(shù)字I/O、兩路放大器與A/D轉(zhuǎn)換、通信接口和EEPROM組成,框圖如圖2所示。其工作原理為:電流傳感器檢測(cè)電池的充放電電流,溫度傳感器測(cè)出電池的溫度,兩路模擬信號(hào)經(jīng)濾波、放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送微處理器,微處理器根據(jù)式(4)計(jì)算出剩余電量的百分比,最后通過(guò)LED顯示出來(lái)。通信接口用來(lái)將電池補(bǔ)償系數(shù)表格送入處理器,并存儲(chǔ)在EEPROM中,每次系統(tǒng)初始化時(shí)會(huì)從EEPROM讀入這些數(shù)據(jù)用于計(jì)算。EEPROM還用來(lái)存儲(chǔ)電池的充放電次數(shù),每當(dāng)電池連續(xù)放電到容量小于20%時(shí),該計(jì)數(shù)器就加1,電池老化補(bǔ)償系數(shù)就根據(jù)該計(jì)數(shù)值查表來(lái)確定的。按照這種結(jié)構(gòu)制作樣機(jī),處理器采用飛思卡爾的低功耗高性能8位單片機(jī)MC68HC908GR8A,片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器、6個(gè)8位的ADC、1個(gè)SCI、1個(gè)SPI和最多21個(gè)通用I/O口。利用SCI2.2溫度采樣程序和通信模塊按照上述方法,該儀表軟件應(yīng)包含如下幾個(gè)模塊:主程序模塊、定時(shí)器中斷模塊、A/D采樣模塊、顯示模塊和通信模塊。主程序流程如圖3所示,定時(shí)器中斷流程見(jiàn)圖4。由前面的分析,電流采樣時(shí)間要小于100ms才能得到其全部信息,這里將定時(shí)器中斷設(shè)為50ms,即每50ms發(fā)生一次定時(shí)器中斷。又由于溫度的變化相對(duì)緩慢,所以將溫度采樣周期設(shè)為200ms。同樣,顯示屏刷新周期也為200ms。3電池電量檢測(cè)技術(shù)由于電池特性隨著多種因素在改變,其中存在著許多不確定因素,無(wú)