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

電動汽車作為電動汽車的主要燃料之一，在電動汽車中發(fā)揮著非常重要的作用。為了滿足電動汽車的高功率應用需求,通常由幾百節(jié)電池串并聯(lián)組成的電池組來給電動汽車供電,如何有效地管理由數(shù)量如此巨大的電池構成的電池組成為電動汽車安全、可靠運行的關鍵技術之一。同時,電動汽車復雜的運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,在使用過程中,有部分電池就可能處于過度充電或者過度放電的狀態(tài)。這些長期處于過充電或者過放電狀態(tài)的電池很容易損壞,進而影響整個電池組的使用。更嚴重的是,過充電嚴重的電池存在爆炸的危險,威脅到人類的安全。所以,如何有效對電池進行均衡管理,使電池組內的電池性能保持一致,也是電池管理的一個重點。本文設計的分布式電池管理系統(tǒng),由多個電池管理單元組成。其中,每個電池管理單元都能夠精確地檢測電池的單體電壓、母線電流、母線電壓、節(jié)點溫度。根據(jù)單體電壓和母線電壓的信息對單體電池進行均衡,根據(jù)節(jié)點溫度信息對電池組進行熱管理,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),并定時將電池的信息存儲在Flash存儲器,以便檢修時查看記錄數(shù)據(jù)。1系統(tǒng)硬件設計本文設計的電池管理系統(tǒng)為分布式系統(tǒng),整個系統(tǒng)由幾個結構功能相同的單元組成,各個單元之間通過LIN總線進行數(shù)據(jù)的交換。每個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、電池組內單體電池電壓以及節(jié)點溫度的檢測。其中,單體電池電壓采樣有20個通道,采用MCU內置的AD模塊,12位采樣精度。電流的采樣通過霍爾式電流傳感器實現(xiàn)。節(jié)點溫度的采集由單總線數(shù)字式溫度計DS18B20來實現(xiàn)。MCU根據(jù)采樣電路的采樣結果,根據(jù)控制策略,給出控制信號,控制均衡電路以及溫度保護電路進行工作。圖1所示為本文設計的一個電池管理單元的硬件結構框圖。圖2為整個電池管理系統(tǒng)結構示意圖。本設計的特點如下:(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)點溫度的采集采用單總線數(shù)字式溫度計:DS18B20。實現(xiàn)單總線對多點溫度的采集,對溫度的檢測更加精確,同時,通過CRC校驗來保證通信的正確性;(3)外接風扇,一旦發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點溫度過高,立即打開風扇對電池組進行降溫處理。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對電池組進行均衡。由電子式開關來實現(xiàn)均衡支路的切換,無電磁干擾,工作安全可靠。有效地均衡管理大大增加了電池組內電池的一致性,提高了整個電池組的使用壽命。電子開關式集中均衡充電模塊的整體構架為通過一個DC/DC變換器將整個電池組的能量轉移到電量較低的電池組中,通過電量的重新分配實現(xiàn)電池組中所有電池單體的能量均衡。實驗證明,電子開關式集中均衡充電模塊能夠有效改善電池組內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構,通過MCU給出控制命令使每個電池單體輪流接入信號調理電路,然后將經過處理的電壓信號輸入到MCU內置的12位AD模塊。實驗證明,電壓采集電路的誤差小于1%。電流信號的采集由霍爾電流傳感器來實現(xiàn),通過選取高精度的電流傳感器可獲得高采樣精度;(7)設計中的CAN通信總線有兩個功能:(a)在系統(tǒng)調試階段,通過CAN轉USB設備,可以將系統(tǒng)與PC機相連,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及對電池數(shù)據(jù)的標定;(b)在實際使用階段,可以將CAN總線連入整車CAN網,實現(xiàn)同電動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計,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。整個軟件的設計采用自頂向下的設計方法,即首先確定頂層各個模塊之間的執(zhí)行順序,再完成對各個模塊內部的程序設計。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)的難點和重點之一。電池內部復雜化學反應、電動汽車復雜的運行工況都給電池SOC的估算增加了難度。本設計中采用的估算策略為靜態(tài)自學習殘余電量算法、動態(tài)安時計量法和擴展卡爾曼濾波算法相結合的綜合估算算法。在車輛啟動前,采用靜態(tài)自學習殘余電量算法來估算電池SOC的初始值,在車輛啟動后,通過安時計量法與擴展卡爾曼濾波法的交互式算法來實時估算電池的SOC。靜態(tài)自學習殘余電量算法是依據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)、電池上一次使用時的信息以及實時檢測到的電池兩端電壓、溫度等信息來估算電池的初始SOC。這些實驗數(shù)據(jù)包括:不同溫度下電池充電時開路電壓與SOC的關系數(shù)據(jù)、不同溫度下電池放電是開路電壓與SOC關系數(shù)據(jù)。該算法的實施步驟如下:(1)系統(tǒng)開機時,獲取上一次電池工作結束時電池的充放電狀態(tài)、電池的SOC、上一次系統(tǒng)斷電的時間等信息;(2)獲取本次開機的時間,并計算兩次時間間隔;(4)通過自學習算法,綜合以上信息,計算得出電池的初始SOC。通過靜態(tài)自學習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,利用動態(tài)安時計量法與擴展卡爾曼濾波交互式估算算法來實時估算電池的SOC。3電池均衡實驗本次實驗在兩組標稱電壓為144V、容量為6Ah的氫鎳電池組上進行。其中,每個電池組均是由20個小電池組串聯(lián)而成,每個小電池組又是由7個標稱電壓為1.2V、容量為6Ah的電池串聯(lián)而成。在整個實驗過程中,將每個小電池組看作一個電池單體。所以,每個電池組由20組標稱電壓為7.2V、容量為6Ah的電池單體組成。實驗中,由電池管理系統(tǒng)對電池組進行監(jiān)控,同時,通過安捷倫的電池監(jiān)控設備對電池組的電池信息進行監(jiān)測,以便對電池管理系統(tǒng)的性能進行評估。實驗分為兩部分,一部分是對均衡模塊進行功能驗證實驗,選取了11組電量嚴重不一致的電池進行充電,在充電過程中通過本文設計的BMS對電池組進行均衡管理。如圖4所示為本次實驗過程中的各個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,但是在結束均衡時,各個電池單體之間的電壓已經基本一致。本次實驗的第二部分為BMS全功能測試,分別以0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C的電流對電池組進行了充放電實驗,實驗結果分別如圖5~圖7所示。其中,圖5為0.2C充放電時的電池電壓和電流曲線,圖6為0.2C充放電過程中的電池SOC曲線,圖7為SOC估算誤差曲線。從這三個曲線中可以看出,本文設計的電池管理系統(tǒng)能夠準確檢測電池的單體電壓、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態(tài)安時計量算法電池組SOC估算和電池均衡技術一直是電池管理系統(tǒng)的重點和難點,本文中提出的電子開關式集中均衡充電模塊能夠有效地對電池組中電量較低的電池組進行均衡充電,避免了電池組中部分電池單