智能蓄電池

成建生， 孫業(yè)梅， 劉家駿

(1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.淮安市計量測試所，江蘇 淮安 223001）

蓄電池組作為一種清潔、綠色能源得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其在電動汽車上占有重要的地位[1]。如何管理和監(jiān)控電池組一直是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，我們知道電動汽車用戶并不關(guān)心電池電壓、容量測量的準確性，而更多關(guān)注的是蓄電池是否要充電，是否需要維護和更新，剩余電量還能使車行駛多少千米等問題。生產(chǎn)和營銷企業(yè)更多的是關(guān)心蓄電池組在客戶中的使用狀況。本文就以上問題進行了一系列研究。（1）利用短距離通訊技術(shù)設(shè)計了一款智能蓄電池（已申請專利，專利號：ZL 200920232437.2）；（2）采用單片機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一套蓄電池組管理系統(tǒng)；（3）采用現(xiàn)代通訊技術(shù)和計算機技術(shù)設(shè)計了一套綜合管理系統(tǒng)。智能蓄電池有效解決了電池組連線復(fù)雜、剩余電量預(yù)測[3]、電池劣化分析等[4]問題，由于我們能實時/連續(xù)檢測每節(jié)蓄電池的充/放電的電壓和電流，因此電池劣化分析中我們引入了新的分析方法，通過計算充電電量和放電電量，結(jié)合剩余電量預(yù)測，可計算出每節(jié)蓄電池的實際放電量（Q實），這樣就可描述出每節(jié)蓄電池的（Q實）變化曲線，從而判斷每節(jié)蓄電池的劣化程度。綜合管理系統(tǒng)為企業(yè)和用戶之間搭建了一個服務(wù)平臺。本文重點介紹智能蓄電池設(shè)計方案和數(shù)據(jù)通訊方案和綜合管理系統(tǒng)。

1 蓄電池組管理系統(tǒng)整體設(shè)計方案

電動汽車用電池一般由數(shù)塊單節(jié)電池串聯(lián)組成，傳統(tǒng)的電池組管理方案主要有集中檢測法、分布檢測法和集中/分布檢測法。

分布檢測法是用一套檢測電路分時檢測各個單體電池。檢測技術(shù)比較直觀，主要缺點是信號線較多，增大了接線的難度和復(fù)雜度，影響測試精度，降低了可靠性。

集中/分布式檢測法即“局部集中”、“整體分布”，將全部電池分成若干個小組，每個小組用一個檢測模塊進行“集中式”檢測，整個系統(tǒng)由若干個檢測模塊通過CAN總線連接而成。主要優(yōu)點：加強了組建系統(tǒng)的靈活性和擴充性，增加了系統(tǒng)的可靠性，具有較高的性價比。這種方法主要缺點是連線復(fù)雜，對電池組安裝人員要求高，其次是不能對每一節(jié)電池進行管理。以上兩種方案還共同存在一個問題,就是電動車輛生產(chǎn)或銷售企業(yè)不能及時掌握車用蓄電池組運行狀態(tài)，影響了對蓄電池組的及時維護和維修。

本方案在分布檢測法基礎(chǔ)上利用SMT技術(shù)，將電壓檢測模塊、短距離通訊（數(shù)據(jù)收/發(fā)）模塊安裝在每一節(jié)電池上，在一個串聯(lián)蓄電池組上安裝一個標示電流、壓力、溫度檢測裝置，形成智能蓄電池組，采用短距離通訊技術(shù)，實現(xiàn)蓄電池檢測數(shù)據(jù)和車載蓄電池組管理系統(tǒng)的無線傳輸。安裝人員只要將蓄電池串接起來，方便了安裝和維護，同時降低了對人員的要求。由于能實時連續(xù)檢測蓄電池工作狀態(tài)（充電或放電、電流、電壓），在采用神經(jīng)元模糊推斷理論進行蓄電池劣化程度預(yù)測[3]和基于灰色模型的蓄電池剩余電量預(yù)測[4]原理的基礎(chǔ)上，利用與實測數(shù)據(jù)進行比對并修正，使計算的精度更高。利用現(xiàn)代通訊技術(shù)(GPRS)，實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，從而實現(xiàn)生產(chǎn)或銷售企業(yè)與用戶的連接，讓生產(chǎn)或銷售企業(yè)及時了解每一個用戶蓄電池組的運行情況。蓄電池組管理系統(tǒng)由三部份組成，見圖1。

圖1 蓄電池組管理系統(tǒng)

綜合管理系統(tǒng)安裝在蓄電池生產(chǎn)（經(jīng)營）企業(yè)或電動汽車生產(chǎn)（經(jīng)營）企業(yè)，主要包括一套管理軟件、一臺電腦和一套遠距離數(shù)據(jù)傳輸裝置（GPRS）。

綜合管理系統(tǒng)功能有:（1） 登錄電池用戶的基本信息；（2）接收車載管理系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)；（3）對數(shù)據(jù)進行進一步分析和處理；（4）向用戶發(fā)出提示信息。

車載管理系統(tǒng)安裝在每一輛電動汽車上，主要由單片機構(gòu)成的控制系統(tǒng)、GPRS遠距離（網(wǎng)絡(luò)）數(shù)據(jù)傳輸裝置、短距離數(shù)據(jù)通訊裝置和顯示系統(tǒng)組成。

功能有：（1）定時向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出檢測指令；（2）接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)；（3）采用相應(yīng)的算法和標準對數(shù)據(jù)進行相關(guān)的計算和分析，并作出判斷；（4） 存貯數(shù)據(jù)；（5）顯示蓄電池組有關(guān)參數(shù)；（6）采用GPRS實現(xiàn)與綜合管理系統(tǒng)之間遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。

智能蓄電池就是在每節(jié)蓄電池上安裝帶有電壓檢測和短距離信號收發(fā)功能電路的蓄電池。其電壓檢測電路原理圖如圖2。

圖2中+V IN和-V IN分別為單節(jié)蓄電池的正極和負極；R1、VDZ1、C1構(gòu)成穩(wěn)壓電路，輸出5 V電壓，為電路工作提供穩(wěn)定的電源；R3、R4、W1串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，調(diào)節(jié) W1，使（R3+W1）/R4=4/1，當+V IN（單節(jié)蓄電池電壓）為最大值（15 V）時間，輸出電壓為3 V，保證比較器輸入端電壓小于5 V；R4、C3構(gòu)成低通濾波電路，提高電路的抗干擾能力。VDZ2穩(wěn)壓值為3 V，起保護作用；W2、C2構(gòu)成RC充放電路，VD1縮短放電時間，P1.5=1高電位時充電，P1.5=0低電位時放電，充放電曲線如圖3。JO4V為短距離信號發(fā)送芯片，F(xiàn)05P為短距離信號接收芯片。

圖2 智能蓄電池電壓檢測電路原理圖

圖3 電容器C2充、放電曲線

初始時，P1.1=1/5 V IN，P1.0=UC2=0，P1.5=0，P3.6=0，當接收到檢測指令時，P1.5=1，同時單片機開始計時，電流經(jīng)過W2給C2充電，C2兩端電壓不斷升高，當U+≥U－時，P3.6=1，單片機立即停止計時，保存時間數(shù)據(jù)，并計算輸入電壓（V IN），延時10 μs，置P1.5=0對C2進行放電，準備下次電壓檢測。計時時間與V IN電壓大小成一一對應(yīng)關(guān)系如圖4。

關(guān)系表達式為V IN=K×[V CC－V CC×e－(t/W2×C2)]=22.5(1－e－350t)(K=R4/(R3+R4+W1)=5，V CC=4.5 V，W2=56 K，C2=51000 pF，t為計時值），測量精度為5 mV，滿足蓄電池電壓測量的要求。

2 方案實施

方案實施內(nèi)容包括綜合管理系統(tǒng)的開發(fā)、車載管理系統(tǒng)的開發(fā)和智能蓄電池加工。以下主要說明智能蓄電池加工。選12節(jié)12 V/20 Ah酸鉛蓄電池，分為3組。

2.1 電壓檢測

電路設(shè)計如圖2，電流檢測，壓力檢測，溫度檢測電路略。

2.2 電路板制作

所有的元器件均采用SMT技術(shù)制作在一塊PCB板上，外形尺寸為30 mm×30 mm×5 mm。

2.3 單片機程序開發(fā)

總邏輯圖如圖5，中斷服務(wù)程序邏輯圖如圖6，數(shù)據(jù)發(fā)送子程序邏輯圖如圖7。

圖5 總邏輯圖

圖6 中斷服務(wù)程序邏輯圖

圖7 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序邏輯圖

地址碼：由5位10進制數(shù)組成，分區(qū)域編號，每輛車一個編號。

電池編號：由 6位 10進制數(shù)組成，最大數(shù)據(jù)可達999999。

數(shù)據(jù)類型：由1位10進制數(shù)組成，1表示電壓，2表示電流，3表示溫度，4表示壓力。

數(shù)據(jù)：由4位10進制數(shù)組成，前二位表示整數(shù)，后二位表示小數(shù)，精度為±0.01。

發(fā)送/接收信號采用ASM方法，頻率為315 MHz，調(diào)制頻率為10 kHz。

2.4 電路調(diào)試

第一步：分壓值調(diào)節(jié)。用可調(diào)標準電壓源代替V IN，在V IN兩端和P1.1端分別接一數(shù)字電壓表，調(diào)V IN=10.50 V，改變W的值，使VP1.1=2.10 V，保證分壓比為5。

第二步：測量誤差調(diào)節(jié)。用可調(diào)標準電壓源代替V IN，在V IN兩端接一數(shù)字電壓表，用P3口和P1口多余端接一顯示模塊（VA1602A），顯示測試電壓值，調(diào) V IN=10.50 V，改變W2的值，使顯示值為10.50 V，保證測量值與實際相同，消除由W2和C2參數(shù)誤差引起的誤差。

2.5 電路安裝

電路板調(diào)試合格后用環(huán)氧固封，安裝在每一節(jié)蓄電池上，線路板上的“+”端接蓄電池正極,“—”端接蓄電池負極，并將四節(jié)蓄電池串聯(lián)起來，構(gòu)成蓄電池組，標記為A1，A2，A3組。

2.6 蓄電池電壓檢測

選A1組蓄電池，并充滿電，在每一節(jié)接一數(shù)字電壓表，在蓄電池組兩端接一個7 Ω/350 W的假負載進行放電，每10 min記錄一次數(shù)字電壓表和車載管理系統(tǒng)顯示的電壓值，直至放電結(jié)束(U≤10.5 V)，比對電壓檢測的準確度。

數(shù)據(jù)發(fā)送采用編碼發(fā)送，編碼方式如圖8。

信號組成：同步頭+地址碼+電池編號+數(shù)據(jù)類型+數(shù)據(jù)五部份組成，如圖9。

圖8 編碼方式

圖9 信號組成

2.7 剩余容量SOC預(yù)測實驗

選A1組蓄電池，并充滿電在蓄電池組兩端接一個5 Ω/550 W的假負載進行放電，每10 min記錄一次車載管理系統(tǒng)顯示的剩余容量SOC。10 min作一個采樣時間間隔,直至放電結(jié)束(U≤10.5 V)。

2.8 判斷劣化程度SOH實驗

選A2、A3兩組蓄電池進行多次充/放電，直至蓄電池實際容量≤60%理論容量。在綜合管理系統(tǒng)上繪制實際容量的變化曲線。

充電采用西普爾48 V/2.5 A充電器進行充電，放電電流為0.5 A，溫度 20～28℃。

判斷劣化程度SOH，目前在很多場合使用的電池監(jiān)測裝置只是對浮充電壓數(shù)據(jù)進行檢測，但是，浮充電壓由充電裝置控制，電池之間的小幅電壓差異與SOC沒有確定關(guān)系[5]。

蓄電池內(nèi)阻變化是電池性能變壞的重要信息，但內(nèi)阻值并不能嚴格對應(yīng)SOH[6]，因此，只能把內(nèi)阻作為蓄電池性能變化的一個重要參考數(shù)據(jù)值，蓄電池在使用過程中發(fā)生老化失效現(xiàn)象，最終體現(xiàn)在輸出容量的下降，不同的劣化程度可以用能放出的容量來表示。把溫度、放電電流、內(nèi)阻、上次放電深度、浮充電壓、浮充保持時間、本次放電深度作輸入?yún)?shù),在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型下計算(一次充放電過程計算一次)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 蓄電池電壓檢測

檢測結(jié)果如表1。

對單節(jié)12 V/20 Ah鉛酸蓄電池充/放電電壓檢測 (每10 min檢測一次，檢測20次)，與高分辨率萬用表進行比對，平均誤差在10 mV內(nèi)，個別在20 mV內(nèi)。通過篩選元器件和在軟件中加入溫度系數(shù)補償?shù)却胧┛梢赃M一步提高單體電池測量精度。

3.2 剩余容量SOC預(yù)測實驗

圖10為剩余容量SOC預(yù)測與實際放電量比對關(guān)系曲線，蓄電池編號：100001。從圖10曲線上我們可以看出，在放電初期和要結(jié)束時誤差較大，其原因是因為蓄電池在放電初期（在前20 min）和要結(jié)束時的電壓變化較大，而且內(nèi)阻變化繁雜，在初期容量損失較小，使預(yù)測值小于實際值；在要結(jié)束時，內(nèi)阻變大，使預(yù)測值大于實際值，影響預(yù)測的精確度，我們在綜合管理系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)A2、A3兩組8節(jié)蓄電池都有相同的現(xiàn)象，因此我們可通過實驗，找出關(guān)聯(lián)參數(shù)據(jù)，在計算時給予補償，以提高剩余容量SOC預(yù)測的準確性。

圖10 剩余容量SOC預(yù)測與實際放電量比對關(guān)系曲線

3.3 判斷劣化程度SOH實驗

如圖11所示（蓄電池編號：300002），蓄電池劣化度SOH與放電量強烈關(guān)聯(lián)，雖然SOH與內(nèi)阻變化、充電率、放電率也有關(guān)聯(lián)，影響SOH因素較多，但我們采用智能蓄電池能隨時檢測蓄電池的工作狀態(tài)（充電或放電），其工作電壓和電流的大小可通過兩級數(shù)據(jù)傳輸，送到綜合管理系統(tǒng)，利用電腦強大的計算能力和存貯容量，可準確判斷每節(jié)蓄電池的劣化程度大小，根據(jù)蓄電池組的使用狀態(tài)，提前計算出蓄電池損壞時間。

通過以上實驗，數(shù)據(jù)能準確傳輸，短距離通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊有較強的抗干擾能力。

圖11 劣化程度SOH實驗曲線

4 結(jié)論

采用智能蓄電池解決了蓄電池組接線復(fù)雜的問題，提高了蓄電池組安裝和維護的方便性，而且成本較低，每節(jié)只需要增加15～20元。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了生產(chǎn)/銷售企業(yè)與用戶的聯(lián)接，數(shù)據(jù)的實時采集為生產(chǎn)/銷售企業(yè)提供了制定維護和維修計劃可靠真實的數(shù)據(jù)，蓄電池組通過及時的維護和維修，使用壽命可得到很大的提高，提高了對用戶的服務(wù)水平。SOC和SOH的預(yù)測存在的誤差，可通過調(diào)整算法和相關(guān)參數(shù)補償?shù)玫竭M一步的提高。

[1]李成學(xué),丁磊.電動汽車蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2009，4：186-190.

[2]陳清泉,孫逢春.混合電動車輛基礎(chǔ)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.

[3]章艷,曾昭華,李洪春,等.灰色系統(tǒng)在蓄電池失效預(yù)測中的應(yīng)用[J].電源技術(shù),2005(5):319-321.

[4]劉險峰,鄒積巖.基于灰色理論的蓄電池容量預(yù)測[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2005,45(5):630-632.

[5]SUITER F J，CORTES T M.Considerations for a reliable telecommunication power system at remote facilities utilizing valve regulated lead-acid battery management system technologies[J].IEEE INTELEC,1994,17(1):464-468.

[6]趙強寶.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蓄電池劣化程度預(yù)測[J].電源技術(shù),