電動(dòng)車電池保護(hù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李敏

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院， 湖北 黃岡 438002）

電動(dòng)車電池保護(hù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

李敏

（黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院， 湖北 黃岡 438002）

隨著電動(dòng)車在日常生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，各種技術(shù)事故也多有發(fā)生。電動(dòng)車的質(zhì)量關(guān)鍵在電池，如何提升電池使用壽命，提高電池安全性，從而延長(zhǎng)電瓶車使用壽命，提高安全系數(shù)越來越受到人們的重視?；贒SP2407的電池保護(hù)系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的電壓、電流、工作溫度等參數(shù)，運(yùn)用卡爾曼濾波算法估算電池的剩余電量，判斷電池 SOC(荷電狀態(tài))，當(dāng)電池工作狀態(tài)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警，從而延長(zhǎng)電池使用壽命，確保電池使用安全。

電動(dòng)車；電池保護(hù)；荷電狀態(tài)；卡爾曼濾波

電瓶車又稱為“電動(dòng)車”，它是由蓄電池（電瓶）提供電能，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)機(jī)動(dòng)車輛。電瓶車主要用于觀光載客、治安巡邏、搬運(yùn)貨物以及個(gè)人代步之用。據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)電瓶車的保有量為超過10億輛。電瓶車蓄電池（電瓶）的質(zhì)量決定了電瓶車的使用壽命，國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局公布的數(shù)據(jù)顯示，在我國每年因電池故障而引起的電瓶車自燃事故有數(shù)萬起，經(jīng)濟(jì)損失超過千萬元。

電動(dòng)車的電池保護(hù)系統(tǒng)(BMS),是電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵，它可以進(jìn)行能量合理分配、提升電池使用壽命，提高電池安全性，從而延長(zhǎng)電瓶車使用壽命，提高安全系數(shù)。

1電池工作原理分析

1.1 電池工作原理

目前電動(dòng)車電池很多是鉛酸電池（VRLA），是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。電池的反應(yīng)方程式如下：

負(fù)極反應(yīng)：

式中

Eθ------標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)（V）

n-------電池反應(yīng)中得失的電子數(shù)

F-------法拉第常數(shù)，F(xiàn)=9687C

R------摩爾氣體常數(shù)，R=8.31J/ (Kmol)

apr-------電池反應(yīng)產(chǎn)物（ H2O）的活度

are------電池反應(yīng)作用物（ H2S O4）的活度

1.2 鉛酸電池的剩余容量以及SOC估算

電池管理就是對(duì)電池組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，精確測(cè)量電池的剩余容量，并對(duì)電池進(jìn)行充電放電保護(hù)，確保電池工作在最佳狀態(tài)下。電動(dòng)車的電池管理功能主要有

（1）電池組的荷電狀態(tài)(SOC))測(cè)量，精確預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車剩余能量。

（2）電池組的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)監(jiān)測(cè):即動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集蓄電池組中的單個(gè)電池的端電電壓、溫度、電流值以及電池組總電壓。當(dāng)蓄電池池電量低于設(shè)定值時(shí),應(yīng)及時(shí)報(bào)警，以防止電池過量量放電而損害電池的使用壽命。當(dāng)電池組的溫度超超過設(shè)定值時(shí)也要及時(shí)報(bào)警,以保證電池工作安全。。

（3）動(dòng)力電池組的熱平衡管理理:通過內(nèi)置風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)和熱電阻加熱裝置保證證電池工作在正常溫度范圍內(nèi)。

要實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)功能，準(zhǔn)確測(cè)測(cè)量電池的荷電狀態(tài)（SOC）是關(guān)鍵，其定義為電電池的剩余容量與額定電池容量的比值:

式中：QC------電池的剩余容量量

C0------額定電池容量

對(duì)于鉛酸電池SOC值，本文采采用卡爾曼濾波法。當(dāng)噪聲是正態(tài)分布時(shí),卡爾曼濾濾波法給出了狀態(tài)的最小方差估計(jì)；當(dāng)非正態(tài)情況況時(shí),給出了狀態(tài)的線性最小方差估計(jì),卡爾曼濾波可可以不斷地修正狀態(tài)估計(jì),減小狀態(tài)估計(jì)誤差。

圖1 卡爾曼濾波結(jié)構(gòu)圖

Ad為系統(tǒng)矩陣，Bd為控制輸入入矩陣，Cd為測(cè)量矩陣，Uk為測(cè)量噪聲，σk為為系統(tǒng)噪聲，Zk為系統(tǒng)輸出的電池電壓。

由圖1可得：

2電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電池管理系統(tǒng)的功能是對(duì)對(duì)電池的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控與管理，實(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的電壓、電流和溫度，預(yù)測(cè)電池的 SOOC，并在異常情況下及時(shí)報(bào)警，盡量延長(zhǎng)電池的使使用壽命，保證使用安全。

圖2 電池管理系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)采用DSP器件TMS320LLF2407為核心控制器，能實(shí)現(xiàn)電池電壓、電流的的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度與電池溫度的的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示，能實(shí)現(xiàn)電池剩余電量預(yù)測(cè)、顯顯示，當(dāng)參數(shù)異常時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。

2.2 子電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電壓檢測(cè)電路

本系統(tǒng)電壓檢測(cè)電路采用光電電耦合作為隔離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)傳遞器件，，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)通過運(yùn)算放大器放大后傳送送到核心控制器進(jìn)行處理。具體硬件實(shí)現(xiàn)如圖3所示示。

圖3 電壓檢測(cè)電路

2.2.2 電流采集與測(cè)量電路

本設(shè)計(jì)采用CHB-100SF霍爾效效應(yīng)電流傳感器作電流采樣。測(cè)量頻率是0～100KKHZ，供電電壓為±15V。

圖4 電流采集與與測(cè)量

2.2.3 溫度檢測(cè)電路

本系統(tǒng)采用 DHT11數(shù)字字溫度計(jì)進(jìn)行溫度檢測(cè)。DHT11是可直接讀數(shù)的溫溫度傳感器，精度最高可達(dá)12位。DHT11通過一個(gè)個(gè)單線接口發(fā)送或接受信息，因此在中央處理器和和DHT11之間僅需一條連接線（加上地線）。它的的測(cè)溫范圍為-55～＋125℃，并且在-10～＋85℃精精度為±5℃。

圖5 溫度檢測(cè)電電路

2.2.4 CAN通訊接口電路

采用 TI公司生產(chǎn)的SN665HVD230芯片實(shí)現(xiàn)CAN通訊接口，具較高的通訊訊速率、良好的抗電磁干擾能力,可實(shí)現(xiàn)高可靠性串串行通信。

圖6 CAN BUS硬件接口電路

3.主程序設(shè)計(jì)

電池保護(hù)的關(guān)鍵是對(duì)電池電流流狀態(tài)的判斷，程序設(shè)計(jì)中卡爾曼算法是重點(diǎn)，通通過計(jì)算電池的剩余容量，來控制電池的充電過程。。

圖7 主程序流程圖

4.系統(tǒng)測(cè)試

表1為電池組電壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，電電池組SOC預(yù)算值，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上看，精度可控制制在0.5%以內(nèi)。

表1 電池組電壓檢測(cè)

5.結(jié)論

本電池管理系統(tǒng)硬件電路路可靠、經(jīng)濟(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn):電池電壓壓、電流、溫度的模擬量采集，剩余電量的計(jì)算，，電池狀態(tài)的判斷，實(shí)時(shí)顯示故障，及時(shí)報(bào)警等相相關(guān)功能。

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TH702

A

1672-1047（2017）05-0114-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2017.05.33

* 收搞日期：2017-09-20

黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目“電瓶車充電系統(tǒng)智能保護(hù)系統(tǒng)研究”（2015C2022120）

李敏，男， 湖北蘄春人，教授。研究方向：智能儀器儀表、數(shù)字信號(hào)處理。

[責(zé)任編輯：劉良瑞]