動力電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究

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(許昌智能繼電器股份有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

目前在新能源產(chǎn)業(yè)中電動汽車無法大面積推廣的主要原因就是續(xù)航里程差并且針對不同的環(huán)境適應(yīng)性差，這兩個問題能否解決取決于電動汽車的電源系統(tǒng)和電源管理的優(yōu)劣[1]，電源管理系統(tǒng)是限制電動汽車前進(jìn)的核心技術(shù)之一，電源管理技術(shù)的研發(fā)直接關(guān)系到電動汽車是否能稱為汽車發(fā)展的前景產(chǎn)業(yè)。

現(xiàn)有的電源管理系統(tǒng)電池成組方式是一種固定模式，并且電池組的單體電池連接形式多為串聯(lián)模式，不能隨外界對電源需求的變化而切換電池成組方式[2]；電動汽車在不同工況、不同的運(yùn)行階段，由于行駛速度不同，對電源的功率需求不同，即對電池組的電流和電壓要求不同，電池組固定的串并聯(lián)方式會造成單體電池過放，所以造成對不同工況的適用性差并且會對電池造成損害[3]。例如溫家鵬目前針對動力電池供電問題采用電池更換模式的做法，但是采用的是軟件設(shè)計調(diào)節(jié)，硬件部分仍然是被動地均衡，徐順剛等[7-8]采用的方式仍然是沒有在數(shù)據(jù)采集后能實現(xiàn)部分的電池供電控制問題，但是仍然會增加電池的能耗，更加容易加速電池的老化，縮短使用壽命。

針對上述問題采用了一種新的電池成組方式，即根據(jù)環(huán)境需求不同電池組在多種連接方式之間靈活的切換，同時也解決了電池組充電的不均衡性，并對這種具有此類成組方式的電池組進(jìn)行電源管理系統(tǒng)[4]。本文設(shè)計了實現(xiàn)對鋰電池在線控制和監(jiān)視的電池管理系統(tǒng)，提出了一種實用于磷酸鐵鋰電池的等效電路模型，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波[5]的方法進(jìn)行SOC估算，建立了Matlab數(shù)學(xué)仿真模型模擬單體電池在不同工況下的電壓曲線，通過將一般電池成組和可切換電池成組方式的仿真對比驗證了可靈活切換電池成組方式具有更強(qiáng)的供電動力，將仿真曲線與電池實際輸出曲線對比，驗證了電池成組技術(shù)的可靠性和SOC估算的準(zhǔn)確性。

1 動力鋰電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

電動汽車電源管理是對充電過程和電動汽車行駛過程中電池組的監(jiān)測，充電過程中對電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行剩余電量的估算，提醒使用者電池是否已充滿[6]；放電過程中對相關(guān)數(shù)據(jù)采集、電池剩余電量的估算，所有的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)顯示，方便用戶查看。

1.1 系統(tǒng)功能框架

通過對功能分析和單片機(jī)C8051F040芯片的引腳使用明確了系統(tǒng)的外圍電路。電源管理系統(tǒng)需要采集的模擬量有電流、電壓、溫度三個數(shù)據(jù)，狀態(tài)識別需要通過按鍵電路作為控制芯片的輸入；單片機(jī)輸出有保護(hù)電路、充放電過程管理電路、電池成組電路等；控制器將采集的數(shù)據(jù)作為控制算法的輸入，最終得出電池剩余電量的估算值；同時方便使用者直觀的了解控制系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)，需要設(shè)置人機(jī)交互功能，即通過通訊電路實現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的聯(lián)系，整體方案如圖1所示。

圖1 電源管理系統(tǒng)功能需求框圖

電池成組控制，為了適應(yīng)電動汽車不同工況下對電源電壓和電流的不同需求，電池組在幾種不同成組方式之間靈活切換，避免電池組使用過程中過放，有利于增加電池組循環(huán)使用的次數(shù)。不同工作模式之間的切換可以通過開關(guān)電路實現(xiàn)，開關(guān)電路由單片機(jī)控制，首先核心控制芯片接受指令，判斷電動汽車處于哪種運(yùn)動狀態(tài)，之后做出判斷，控制對應(yīng)的開關(guān)電路，將電池組切換到正確的模式下。

1.2 電壓檢測電路設(shè)計

基于精密電阻分壓方式，此方案雖然實現(xiàn)成本低，但是分壓會造成利用率低并且電池組中每一個單體電池都要對應(yīng)一個AD檢測端口，不實用于電池組串聯(lián)多的電源管理系統(tǒng)，造成AD檢測的浪費(fèi)。

對于本系統(tǒng)，電壓采集頻率要求較低，所以適用于共享A/D輪流采集的方案。基于繼電器和輪流采集的方式采集，原理如圖2所示，其中B1-Bn為電池組中的單體電池，S1-Sn為光繼電器，通過切換光繼電器實現(xiàn)對不同單體電池兩端電壓檢測。此方案克服了電阻分壓法的AD檢測口浪費(fèi)的缺點，只需要兩個AD檢測端口，檢測模式設(shè)置為差分模式，所有單體電池共享AD端口，單體電池電壓范圍在AD檢測范圍以內(nèi)，不需要設(shè)置分壓電阻，避免分壓電阻帶來的能量損失。Sa1-Sa4是切換正負(fù)極的繼電器控制開關(guān)，所有繼電器采用常開，不進(jìn)行電壓采集時，繼電器處于斷開狀態(tài)，不會造成額外電量損失和單體電池之間的不均衡，保證了檢測精度。

圖2 基于繼電器和共享A/D輪流采集方式

1.3 電流檢測電路設(shè)計

本系統(tǒng)電池組工作模式有多種，串并聯(lián)方式不固定，要想檢測充放電電流，需要為每個單體電池配置一個霍爾傳感器，檢測對應(yīng)單體電池充放電電流，選定的霍爾傳感器的額定輸出電壓4 V，電源電壓為±15 V。傳感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓，電壓可以通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換直接被檢測，采用片內(nèi)集成的12位轉(zhuǎn)換器ADC0，由于傳感器輸出電壓超過了ADC0普通端口電壓檢測范圍，所以需要在傳感器和單片機(jī)之間加放大器。充電和放電通過傳感器的電流方向相反，兩個過程得到的電壓值有正值也有負(fù)值，因為單端輸入，檢測電壓范圍是0～2.4 V，為了既能檢測充電也能檢測放電過程電流，需要將ADC0設(shè)置為差動模式。

選擇四則運(yùn)算芯片LM324，內(nèi)部集成了4個獨立和具有內(nèi)部補(bǔ)償功能的放大器。采用反向比例輸入法，令R14=R12=20 K，R13=10 K，輸出電壓Vout與輸入電壓Vint的關(guān)系滿足：Vout=Vint(-R13/R12)，即放大倍數(shù)為1/2，通過放大器后電壓范圍為0～2 V，滿足檢測范圍，原理如圖3所示。

圖3 電流采集電路原理圖

2 電池成組技術(shù)的研究

本文提出一種適用于多種工況的可靈活切換電池成組方式的電源管理系統(tǒng)。首先，分析電動汽車在不同工況和運(yùn)行速度過程中電機(jī)對電源電流、電壓的要求，然后以此為依據(jù)，使得電池組在幾種不同的成組方式之間靈活的切換，保證電池充放電電流、電壓都在安全范圍以內(nèi)，增加了電池組的循環(huán)使用次數(shù)，同時也提高了管理系統(tǒng)的精度和效率[7]。

2.1 不同工況下對電源系統(tǒng)的需求分析

本文主要分析電動汽車在行駛過程中對電源電流、電壓以及功率的要求，參照北京某純電動公交汽車行駛過程中不同時間段電源總電流和總電壓的變化，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示；表2所示數(shù)據(jù)是電動汽車在不同的行駛狀態(tài)下即加速、勻速、滑行、制動等過程中，電機(jī)對功率和速度的需求。

分析表中數(shù)據(jù)可知電動汽車行駛過程中電壓和電流成反比，速度和功率、電流成正比。其中制動過程電流和功率為負(fù)值，說明此階段是能量回收過程，制動過程類似于電池組充電過程。制動原理如圖4所示，即將一部分機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)/電動機(jī)轉(zhuǎn)換為儲蓄能，完成對電池組的充電

表1 不同時間段電流、電壓分布

表2 不同速度段電流、功率分布

過程。而加速過程相對于其他行駛過程，電機(jī)對電源電流需求較大。

圖4 制動過程

基于電動汽車行駛過程的分析，電動汽車行駛在不同的階段對電源的需求不同，將電池組對應(yīng)的分為三種工作模式[8]。模式一：制動和充電過程；模式二：均速行駛過程；模式三：加速行駛過程。根據(jù)每一種工作模式的實際需要，對應(yīng)切換電池組成組模式。

2.2 電池成組電路設(shè)計

電池組充電方式分為兩種，即串聯(lián)或并聯(lián)方式。在并聯(lián)充電過程中，單體電池的端電壓不停升高，其值U1高于電池的電動勢E，他們之間的差值即為電池的內(nèi)阻壓降，充電時滿足的關(guān)系式U1=E+△U1，放電時，端電壓U2低于E，滿足的關(guān)系式U2=E-△U2，對兩節(jié)并聯(lián)電池充電時，只有端電壓差大于2△U時，才會出現(xiàn)其中一節(jié)單體電池對另外一節(jié)單體電池充電的現(xiàn)象，然而這種情況只會出現(xiàn)在某只電池出現(xiàn)短路時。所以在并聯(lián)充電過程中不會出現(xiàn)其中一節(jié)單體電池對另外一節(jié)充電現(xiàn)象，更不會加劇并聯(lián)電池組之間的不均衡性。本系統(tǒng)選擇并聯(lián)充電方式。

為了達(dá)到一定的電壓和電流，電池組中存在串并聯(lián)混合成組方式，現(xiàn)有的串并聯(lián)成組方式有兩種，方式一：先并聯(lián)后串聯(lián)，如圖5所示；方式二：先串聯(lián)后并聯(lián)，如圖6所示。

圖5 先并后串聯(lián)

圖6 先串后并聯(lián)

分析對比這兩種方式，方式一可靠性大于方式二的系統(tǒng)，電池組的可靠性大于單體電池的可靠性；對于方式二，當(dāng)某個單體電池發(fā)生斷路故障，則會導(dǎo)致整條支路都無法運(yùn)行。通過分析對比本系統(tǒng)采用的電池成組技術(shù)方案如下：模式一，制動/充電，并聯(lián)充電；模式二，勻速過程，電池組串聯(lián)；模式三，加速過程，電池組先并聯(lián)后串聯(lián)。

電池組在三種工作模式之間的切換是通過單片機(jī)控制的開關(guān)電路實現(xiàn)的，具體切換電路如圖7所示，所有的切換開關(guān)均為常開，減少系統(tǒng)的額外電量損耗。此方案可以實現(xiàn)多種電池成組方式的快速轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計簡單，沒有復(fù)雜元器件的使用，減少硬件電路的成本，并且切換電路的控制策略易實現(xiàn)。本系統(tǒng)中電池組的三種工作模式都是由圖7通過控制策略切換而來。

圖7 電池成組電路

模式一，制動/充電過程，該模式下電池組處于充電過程，具體實現(xiàn)方法：單片機(jī)控制K1、K4、K7…K3n-5閉合，K2、K5…K3n-4斷開，K3、K6…K3n-3閉合。模式二，勻速行駛過程，勻速行駛過程中電池組處于放電過程，并且電機(jī)對電流要求相對不大，具體實現(xiàn)方法：單片機(jī)控制K1、K4、K7…K3n-5斷開，K2、K5…K3n-4閉合，K3、K6…K3n-3斷開。模式三，加速過程，加速行駛過程相對于勻速過程，電機(jī)對電流需求大，所以在電池組中，需要有并聯(lián)形式的存在，增大輸出電流，具體實現(xiàn)方法：單片機(jī)控制K1、K4閉合，K3、K6閉開，K2、K5斷開，K7斷開，K8閉合，K9斷開，K10、K13閉合，K12、K15閉合，K11、K14斷開，以此類推。

3 軟件設(shè)計

軟件采取自頂而下，模塊化思路，采集部分是將檢測到的數(shù)據(jù)處理，然后作為其他功能的輸入[9]。本系統(tǒng)根據(jù)磷酸鐵鋰電池的外特征，搭建電池模型，并在其基礎(chǔ)上應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波的SOC算法。為了將電池參數(shù)直觀的呈現(xiàn)出來，加入了人機(jī)交互功能。

3.1 軟件系統(tǒng)總體設(shè)計

按照系統(tǒng)需要制定的控制策略如圖8所示。其中電池成組模塊根據(jù)電動汽車運(yùn)動狀態(tài)和當(dāng)前速度判斷電池工作模式是否與系統(tǒng)設(shè)定的一致，如果不一致，需要控制特定的繼電器動作，使電池組處于正確的串并聯(lián)模式；故障診斷和記錄模塊，軟件系統(tǒng)列舉了可能出現(xiàn)的故障，進(jìn)行故障分類，即過流、高壓、欠壓、高溫、低溫，每一類故障對應(yīng)硬件電路一個指示燈，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，首先接通故障蜂鳴器，然后定位故障類型，將相應(yīng)類型故障指示燈點亮，最后定位到具體單體電池，以文字標(biāo)簽的形式顯示，此模塊自動記錄所有出現(xiàn)過的故障，方便維護(hù)查看。充放電控制模塊主要是控制與外界連接的負(fù)載電路與充電機(jī)。

圖8 系統(tǒng)軟件模塊

3.2 電量檢測算法設(shè)計

在動態(tài)系統(tǒng)中由于本文建立的的電池模型是一個三階的等效RC模型如圖9，由于模型的高階特點會產(chǎn)生的高斯白噪聲，且電池在三種模式切換時會產(chǎn)生激勵噪聲[10]，且在繼電器切換過程中會產(chǎn)生震蕩對檢測到的數(shù)據(jù)造成極大的誤差，由于汽車在運(yùn)動過程中的振動對電池造成許多非平穩(wěn)且隨機(jī)的干擾?？紤]到目前的嵌入式的可實現(xiàn)性和目前的電池檢測濾波算法，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法是可以隨著電池電量的變化進(jìn)行實時的濾除掉隨機(jī)噪聲，擴(kuò)展卡爾曼濾波作為一種比較成熟的濾波方法比較廣泛的應(yīng)用到計算機(jī)系統(tǒng)中，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展卡爾曼作為一種有效的估算方法越來越廣泛的應(yīng)用到嵌入式系統(tǒng)中。

圖9 電池模型圖

用狀態(tài)方程式(1)和測量方程(2)中確定電池的狀態(tài)空間模型，其中的方程系數(shù)在上述三階的等效RC模型中確定的A(k-1)，B(k-1)和H(K-1)的方程系數(shù)如下所示。

X(k)=A(k-1)X(k-1)+B(k-1)U(k)+w(k)

(1)

Z(k)=H(k-1)X(k-1) +v(k)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中:C(Ik,T,K)是在不同放電倍率和不同溫度下的電池容量。f(s)是關(guān)于SOC和開路電壓的關(guān)聯(lián)函數(shù)，U(k)為現(xiàn)在狀態(tài)的控制量，且假設(shè)狀態(tài)中的w(k)和測量中的v(k)均為高斯白噪聲，且為互相不干涉的噪聲。

應(yīng)用卡爾曼濾波對于系統(tǒng)的預(yù)測公式，基于系統(tǒng)的過程模型[11]，由上一個狀況而計算出現(xiàn)在的狀況，再結(jié)合現(xiàn)在的狀況我們可以得到現(xiàn)在的最優(yōu)化估算值。然后根據(jù)下列遞推循環(huán)式來得到最優(yōu)的SOC估算的推導(dǎo)過程如下:

1)狀態(tài)變量估計U(k)：

U(k)=A(k-1)X(k-1)+B(k-1)Δt+w(k)

(6)

2)觀測量估計V(k)：

V(k)=H(k-1)U(k)+v(k)

(7)

3)均方估計誤差預(yù)測估計P(k):

P(k)=A(k-1)P(k-1)AT(k-1)+QW

(8)

4)卡爾曼濾波增益Kg(k)：

Kg(k)=kg(k-1)HT(k-1)[H(k-1)P(k)+QV]

(9)

5)狀態(tài)最優(yōu)估計X(k-1)：

X(k-1)=U(k-1)+Kg(k)[V(k)-X(k-1)]

(10)

6)均方誤差最優(yōu)估計P(k)：

P(k)=[1-Kg(k)H(k-1)]P(k-1)

(11)

其中:U(K-1)表示U的初試預(yù)計值，U(K)是通過上一個狀態(tài)的預(yù)測，X(k-1)是上一個過程的最佳預(yù)測，QW表示狀態(tài)噪聲的協(xié)方差，QV表示測量噪聲的協(xié)方差，V(k)是端電壓預(yù)計值。

利用充電機(jī)對電池進(jìn)行恒流轉(zhuǎn)恒壓充電，截止電壓設(shè)為3.6 V，擱置一段時間，此時電池的SOC值為1。然后進(jìn)行放電試驗，以0.5 C的放電速度接通電阻300 s，靜置3600 s，通過上位機(jī)的顯示記錄下最后一秒的開路電壓，之后繼續(xù)以0.5 C的速率放電300 s，靜置3600 s，記錄下最后一秒的開路電壓，不斷循環(huán)這個過程直到電池電壓為2.2 V，結(jié)束測試?？筛鶕?jù)每次記錄的開路電壓值計算出所對應(yīng)的SOC值，因此獲得OCV-SOC關(guān)系曲線，如圖10所示，且其和理論相吻合。根據(jù)圖10所示得出f(s,t)的函數(shù)關(guān)系式，是關(guān)于OCV和SOC的函數(shù)。

圖10 OCV-SOC關(guān)系曲線

3.3 人機(jī)交互設(shè)計

為了方便上位機(jī)的界面的操作和信息的顯示，本系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)置啟動界面、操作界面、電池參數(shù)實時顯示界面、電壓參數(shù)記錄界面等多個歷史界面。啟動界面是系統(tǒng)上電后的顯示的界面，操作界面是電源管理系統(tǒng)在自動運(yùn)行過程中的執(zhí)行一些必要操作的界面，電池參數(shù)實時顯示界面是實時顯示系統(tǒng)運(yùn)行過程單體電池和電池組的電流、溫度、電壓和SOC，歷史顯示界面是一段時間內(nèi)各參數(shù)隨時間變化的曲線。

系統(tǒng)上電啟動后，上位機(jī)自動進(jìn)入啟動界面，點擊界面任意位置會進(jìn)入自動操作界面。操作界面如圖11所示，界面的下方設(shè)置有進(jìn)入其他界面的按鈕，方便不同界面的切換；右側(cè)設(shè)置了手/自動切換按鈕和自動模式下的啟動、停止按鈕；當(dāng)標(biāo)簽呈現(xiàn)綠色時說明系統(tǒng)處于當(dāng)前狀態(tài)，否則顯示紅色，電池組當(dāng)前電壓顯示表反應(yīng)了電池組的工作模式；界面內(nèi)還設(shè)置了速度輸入旋鈕，控制器會根據(jù)速度值自動定位電池組的工作模式。

圖11 自動操作界面

4 實驗仿真及分析

4.1 實驗仿真結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)電池成組控制技術(shù)和SOC估算的正確性，應(yīng)用Simulink模擬了一種包含多種速度狀態(tài)即加速、勻速、減速、制動的工況曲線如圖12。將工況曲線作為模型輸入，以設(shè)計的單片機(jī)電源管理系統(tǒng)作為平臺[12]，得到的SOC估算曲線如圖14，電壓仿真如圖13，由上圖可以得出SOC估算誤差和電壓掛算精度都可以控制在5%以內(nèi)，由上述可知仿真得到的電壓曲線與實驗得到的曲線誤差在5%以內(nèi)處于可接受范圍內(nèi)。

圖12 模擬工況曲線

圖13 模擬工況下SOC仿真曲線

圖14 普通電池成組和新型電池成組對比

圖15 不同工況下電池電壓仿真曲線與實際輸出電壓曲線

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過分析不同的工況把電流信號分為三段作為輸入信號，來模擬電池組在不同工作狀態(tài)下的需求，并通過卡爾曼濾波等技術(shù)測出電池組的電壓等均衡狀態(tài)，通過圖12可以看出來把三種電池狀態(tài)，勻速模式一，制動/充電，并聯(lián)充電；模式二，勻速過程，電池組串聯(lián)；模式三，加速過程，電池組先并聯(lián)后串聯(lián)。

把圖12作為輸入時通過測量普通并聯(lián)電池和可切換狀態(tài)電池輸出的過程，可以看出來新型切換狀態(tài)能適應(yīng)更多的狀況，在加速過程中新型成組方式可以提供更大的電壓即功率輸出提高8%左右，因此使電池具有更強(qiáng)的動力特性。

通過圖13可以觀測出，仿真出來的圖和通過測量出來的數(shù)據(jù)趨勢基本相符，整體測量出來的實驗數(shù)據(jù)略高于仿真值，原因在于實際電池的功耗會有小幅度的提升，可以控制在百分之五之內(nèi)。模擬工況圖14的結(jié)果可以看出，伴隨著加速減速等過程SOC估算會有波動，但是整體的線性度基本符合電池成組的測量規(guī)律。

5 結(jié)束語

針對基于單片機(jī)的動力鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計中，在采集模塊、擴(kuò)展卡爾曼濾波算法和電池成組電路的共同作

用下，在matlab仿真本系統(tǒng)設(shè)計時，改進(jìn)后的成組電路會有更強(qiáng)的適應(yīng)性且SOC估算精度和電壓精度都得到的提高，趨于穩(wěn)定并符合實際實驗測量的數(shù)據(jù)，驗證了SOC準(zhǔn)確的估算和系統(tǒng)根據(jù)工況的不同自動切換電池成組方式的可靠性。