新能源汽車電池soc估算方法研究

新能源汽車電池soc估算方法研究

電動(dòng)汽車作為電動(dòng)汽車的主要燃料之一，在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著非常重要的作用。為了滿足電動(dòng)汽車的高功率應(yīng)用需求,通常由幾百節(jié)電池串并聯(lián)組成的電池組來(lái)給電動(dòng)汽車供電,如何有效地管理由數(shù)量如此巨大的電池構(gòu)成的電池組成為電動(dòng)汽車安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí),電動(dòng)汽車復(fù)雜的運(yùn)行工況也給電池的管理增加了難度。另外,由于制造工藝的缺陷,很難保證所有的電池都保持高度的一致性。這樣,在使用過(guò)程中,有部分電池就可能處于過(guò)度充電或者過(guò)度放電的狀態(tài)。這些長(zhǎng)期處于過(guò)充電或者過(guò)放電狀態(tài)的電池很容易損壞,進(jìn)而影響整個(gè)電池組的使用。更嚴(yán)重的是,過(guò)充電嚴(yán)重的電池存在爆炸的危險(xiǎn),威脅到人類的安全。所以,如何有效對(duì)電池進(jìn)行均衡管理,使電池組內(nèi)的電池性能保持一致,也是電池管理的一個(gè)重點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的分布式電池管理系統(tǒng),由多個(gè)電池管理單元組成。其中,每個(gè)電池管理單元都能夠精確地檢測(cè)電池的單體電壓、母線電流、母線電壓、節(jié)點(diǎn)溫度。根據(jù)單體電壓和母線電壓的信息對(duì)單體電池進(jìn)行均衡,根據(jù)節(jié)點(diǎn)溫度信息對(duì)電池組進(jìn)行熱管理,主電池管理單元除了能夠執(zhí)行上述功能外,還接收來(lái)自從電池管理單元的數(shù)據(jù),估算電池的荷電狀態(tài)(SOC),并定時(shí)將電池的信息存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器,以便檢修時(shí)查看記錄數(shù)據(jù)。1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)為分布式系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)由幾個(gè)結(jié)構(gòu)功能相同的單元組成,各個(gè)單元之間通過(guò)LIN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。每個(gè)電池管理單元的功能包括電池組母線電壓、電池組母線電流、電池組內(nèi)單體電池電壓以及節(jié)點(diǎn)溫度的檢測(cè)。其中,單體電池電壓采樣有20個(gè)通道,采用MCU內(nèi)置的AD模塊,12位采樣精度。電流的采樣通過(guò)霍爾式電流傳感器實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)溫度的采集由單總線數(shù)字式溫度計(jì)DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)。MCU根據(jù)采樣電路的采樣結(jié)果,根據(jù)控制策略,給出控制信號(hào),控制均衡電路以及溫度保護(hù)電路進(jìn)行工作。圖1所示為本文設(shè)計(jì)的一個(gè)電池管理單元的硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖2為整個(gè)電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)如下:(1)電壓采樣模塊和均衡模塊共用采樣線,大大減少了線束的數(shù)量;(2)節(jié)點(diǎn)溫度的采集采用單總線數(shù)字式溫度計(jì):DS18B20。實(shí)現(xiàn)單總線對(duì)多點(diǎn)溫度的采集,對(duì)溫度的檢測(cè)更加精確,同時(shí),通過(guò)CRC校驗(yàn)來(lái)保證通信的正確性;(3)外接風(fēng)扇,一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度過(guò)高,立即打開風(fēng)扇對(duì)電池組進(jìn)行降溫處理。如果電池組持續(xù)保持高溫,將斷開總繼電器,切斷電池的充放電回路,保證電池安全工作;(4)采用非耗散式、集中均衡管理電路來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行均衡。由電子式開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡支路的切換,無(wú)電磁干擾,工作安全可靠。有效地均衡管理大大增加了電池組內(nèi)電池的一致性,提高了整個(gè)電池組的使用壽命。電子開關(guān)式集中均衡充電模塊的整體構(gòu)架為通過(guò)一個(gè)DC/DC變換器將整個(gè)電池組的能量轉(zhuǎn)移到電量較低的電池組中,通過(guò)電量的重新分配實(shí)現(xiàn)電池組中所有電池單體的能量均衡。實(shí)驗(yàn)證明,電子開關(guān)式集中均衡充電模塊能夠有效改善電池組內(nèi)電池單體的不一致性,大大提高電池組的使用壽命;(5)電壓采集采用類單總線性結(jié)構(gòu),通過(guò)MCU給出控制命令使每個(gè)電池單體輪流接入信號(hào)調(diào)理電路,然后將經(jīng)過(guò)處理的電壓信號(hào)輸入到MCU內(nèi)置的12位AD模塊。實(shí)驗(yàn)證明,電壓采集電路的誤差小于1%。電流信號(hào)的采集由霍爾電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn),通過(guò)選取高精度的電流傳感器可獲得高采樣精度;(7)設(shè)計(jì)中的CAN通信總線有兩個(gè)功能:(a)在系統(tǒng)調(diào)試階段,通過(guò)CAN轉(zhuǎn)USB設(shè)備,可以將系統(tǒng)與PC機(jī)相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)定;(b)在實(shí)際使用階段,可以將CAN總線連入整車CAN網(wǎng),實(shí)現(xiàn)同電動(dòng)汽車上其他控制器之間的通信。2電池soc估算算法系統(tǒng)軟件均采用模塊化設(shè)計(jì),主要模塊有:系統(tǒng)初始化模塊、電池信息采集模塊、SOC估算模塊、均衡控制模塊、熱管理模塊以及通信模塊。整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,即首先確定頂層各個(gè)模塊之間的執(zhí)行順序,再完成對(duì)各個(gè)模塊內(nèi)部的程序設(shè)計(jì)。圖3所示為系統(tǒng)主程序流程框圖。電池的SOC估算一直是電池管理系統(tǒng)的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一。電池內(nèi)部復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)、電動(dòng)汽車復(fù)雜的運(yùn)行工況都給電池SOC的估算增加了難度。本設(shè)計(jì)中采用的估算策略為靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法、動(dòng)態(tài)安時(shí)計(jì)量法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法相結(jié)合的綜合估算算法。在車輛啟動(dòng)前,采用靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法來(lái)估算電池SOC的初始值,在車輛啟動(dòng)后,通過(guò)安時(shí)計(jì)量法與擴(kuò)展卡爾曼濾波法的交互式算法來(lái)實(shí)時(shí)估算電池的SOC。靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法是依據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、電池上一次使用時(shí)的信息以及實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電池兩端電壓、溫度等信息來(lái)估算電池的初始SOC。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括:不同溫度下電池充電時(shí)開路電壓與SOC的關(guān)系數(shù)據(jù)、不同溫度下電池放電是開路電壓與SOC關(guān)系數(shù)據(jù)。該算法的實(shí)施步驟如下:(1)系統(tǒng)開機(jī)時(shí),獲取上一次電池工作結(jié)束時(shí)電池的充放電狀態(tài)、電池的SOC、上一次系統(tǒng)斷電的時(shí)間等信息;(2)獲取本次開機(jī)的時(shí)間,并計(jì)算兩次時(shí)間間隔;(4)通過(guò)自學(xué)習(xí)算法,綜合以上信息,計(jì)算得出電池的初始SOC。通過(guò)靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法估算得出電池組的初始SOC之后,將電池組的初始SOC作為輸入值,利用動(dòng)態(tài)安時(shí)計(jì)量法與擴(kuò)展卡爾曼濾波交互式估算算法來(lái)實(shí)時(shí)估算電池的SOC。3電池均衡實(shí)驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)在兩組標(biāo)稱電壓為144V、容量為6Ah的氫鎳電池組上進(jìn)行。其中,每個(gè)電池組均是由20個(gè)小電池組串聯(lián)而成,每個(gè)小電池組又是由7個(gè)標(biāo)稱電壓為1.2V、容量為6Ah的電池串聯(lián)而成。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將每個(gè)小電池組看作一個(gè)電池單體。所以,每個(gè)電池組由20組標(biāo)稱電壓為7.2V、容量為6Ah的電池單體組成。實(shí)驗(yàn)中,由電池管理系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)控,同時(shí),通過(guò)安捷倫的電池監(jiān)控設(shè)備對(duì)電池組的電池信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),以便對(duì)電池管理系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)分為兩部分,一部分是對(duì)均衡模塊進(jìn)行功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),選取了11組電量嚴(yán)重不一致的電池進(jìn)行充電,在充電過(guò)程中通過(guò)本文設(shè)計(jì)的BMS對(duì)電池組進(jìn)行均衡管理。如圖4所示為本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)電池單體的電壓曲線圖。從圖中我們可以看出,開始均衡前,各個(gè)電池單體之間的電壓差異非常大,最高組電壓比最低組電壓高約4V,但是在結(jié)束均衡時(shí),各個(gè)電池單體之間的電壓已經(jīng)基本一致。本次實(shí)驗(yàn)的第二部分為BMS全功能測(cè)試,分別以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C的電流對(duì)電池組進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5~圖7所示。其中,圖5為0.2C充放電時(shí)的電池電壓和電流曲線,圖6為0.2C充放電過(guò)程中的電池SOC曲線,圖7為SOC估算誤差曲線。從這三個(gè)曲線中可以看出,本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)電池的單體電壓、電池的充放電電流,并估算電池的SOC,估算誤差小于0.02,滿足工程精度的要求。4電池組剩余電量和動(dòng)態(tài)安時(shí)計(jì)量算法電池組SOC估算和電池均衡技術(shù)一直是電池管理系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn),本文中提出的電子開關(guān)式集中均衡充電模塊能夠有效地對(duì)電池組中電量較低的電池組進(jìn)行均衡充電,避免了電池組中部分電池單