新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁文甫

摘要：隨著環(huán)境污染、化石能源短缺的影響日益嚴(yán)重，高效節(jié)能與新能源汽車成為研究熱.毅，同時(shí)新能源客車在城市公共交通應(yīng)用廣泛。電池是新能源客車的關(guān)鍵設(shè)備，其性能關(guān)系到整車的安全與可靠運(yùn)行。電池監(jiān)測系統(tǒng)通過及時(shí)獲取電池相關(guān)參數(shù)用于支撐新能源客車穩(wěn)定的運(yùn)行，從而確保新能源客車的性能。因此，對(duì)新能源客車的電池監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究具有實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：新能源客車;電池監(jiān)測;SOC估算

引言

環(huán)境污染、能源短缺等問題日益嚴(yán)重，世界各國都展開了清潔能源和新能源汽車的研究及其應(yīng)用。新能源客車作為一種使用清潔能源的新型客車，在現(xiàn)今社會(huì)中得到了廣泛的商用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新能源客車發(fā)生自燃現(xiàn)象，主要原因就是電池出現(xiàn)了故障[1]。

根據(jù)目前的電池制造技術(shù)，要想降低新能源客車的使用成本，提升使用效率和安全可用性，就有必要對(duì)新能源客車的電池能量進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測與實(shí)施管理。開展電池監(jiān)測主要目的是監(jiān)測電池狀態(tài)是否處在合理的范圍內(nèi)，方便駕駛員及管理人員查看，同時(shí)為維護(hù)檢修人員提供數(shù)據(jù)支撐。有效的電池監(jiān)測能夠確保新能源客車的性能，進(jìn)一步保障新能源客車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，推動(dòng)新能源客車的發(fā)展。對(duì)新能源客車的電池監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)概述

電池監(jiān)測系統(tǒng)是新能源客車的能源管理樞紐，它的主要功能是對(duì)電池組進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)、相關(guān)信息檢測、報(bào)警及安全控制以及信息數(shù)據(jù)匯總上傳。電池通過CAN總線將若干個(gè)從控模塊與主控模塊連接起來并相互傳遞信息，并將數(shù)據(jù)上發(fā)到上位機(jī)進(jìn)行顯示或通過GPRS模塊上發(fā)到服務(wù)器進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析;對(duì)電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算，并以電池的荷電狀態(tài)或單體電池電壓為均衡依據(jù)，來對(duì)電池進(jìn)行均衡操作，提高電池的循環(huán)次數(shù)，改善整車的續(xù)航能力;檢測電池組對(duì)地的絕緣電阻，防止出現(xiàn)漏電流的情況。

2 新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

將電池組分為若干塊子電池組，每個(gè)電池組由一個(gè)從控板控制，從控板將相應(yīng)的電池電壓、電流、溫度等信息采集以后上傳到單獨(dú)的主控模塊，每一塊從控板還可以根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算每節(jié)單體電池的SOC，以SOC為均衡變量進(jìn)行電池均衡控制。主控板在獲得電池?cái)?shù)據(jù)后，可通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳送到顯示模塊，也可通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送到中心數(shù)據(jù)庫中。

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)的硬件模塊分成以下幾個(gè)部分：①數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集由電壓和溫度采集器構(gòu)成，通過設(shè)置在各個(gè)電池和節(jié)點(diǎn)上檢測和收集電池和節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。②中央處理模塊。數(shù)據(jù)模塊是管理系統(tǒng)的處理中樞，因此需要較強(qiáng)的運(yùn)算能力，因此采用微處理器為STM32。③檢測模塊。檢測模塊分成電壓檢測和電流檢測單元組成，電壓檢測單元通過電池管理芯片對(duì)總電壓和單體電壓數(shù)據(jù)檢測和收集，電流檢測單元?jiǎng)t是利用霍爾電流傳感器將采集到電流值。溫度檢測單元采用熱電偶測溫技術(shù)，通過熱電偶的模擬差分電壓測得溫度值，通過總線上傳到溫度模塊內(nèi)的單片機(jī)，CPU對(duì)溫度值做溫度補(bǔ)償處理后，上報(bào)給主控器。④顯示模塊。⑤控制模塊。均衡控制模塊采用非耗散式的集中均衡管理電路實(shí)現(xiàn)，主要作用是確保充電時(shí)各個(gè)電池的一致性，延長電池的使用壽命。⑥通信模塊。信息通信采用CAN總線技術(shù)完成[2]。⑦信息管理模塊。將電池?cái)?shù)據(jù)作為處理的目標(biāo)，檢測單元通過通信模塊交換數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。

2.2 SOC算法

新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)的SOC算法采用卡爾曼濾波法，通過對(duì)靜態(tài)自學(xué)習(xí)殘余電量算法來計(jì)算電池的初始SOC，需要使用到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和精確地電池使用信息，同時(shí)還需要電池兩端的電壓值和溫度信息，這樣計(jì)算的初始SOC比較準(zhǔn)確，然后將這個(gè)值作為輸入值，可以使用卡爾曼濾波法來估算實(shí)時(shí)電池SOC[3]。由于計(jì)算公式并不是線性的方程，因此要在計(jì)算中實(shí)現(xiàn)線性化必須給出誤差和估計(jì)值的協(xié)方差矩陣來估算誤差范圍，然后再取比較精確的SOC數(shù)值。

2.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1 電池組控制單元軟件模塊設(shè)計(jì)

電池組控制單元的軟件功能包括：主程序、電流檢測與總電壓檢測程序、絕緣檢測程序、系統(tǒng)狀態(tài)控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、CAN通信程序和GPRS通信程序。其中電流檢測與總電壓檢測程序?yàn)镾TM32通過AD采樣電路讀取前段采集到的總電壓電流數(shù)據(jù);然后進(jìn)行CAN總線和汽車整車控制器、非車載通信模塊和從控板通訊，并將GPRS數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，匯總各個(gè)電池的電壓、電流、溫度、均衡等數(shù)據(jù)，處理報(bào)警信息等;絕緣檢測程序是通過絕緣檢測模塊上傳的絕緣電阻模擬信號(hào)到AD采樣電路后得到的數(shù)字信號(hào)判斷系統(tǒng)的絕緣電阻安全程序。

2.3.2 電池監(jiān)測單元軟件模塊設(shè)計(jì)

電流電壓采集程序是電壓檢測模塊將采集到的電壓數(shù)據(jù)和霍爾傳感器經(jīng)過調(diào)理后的電流信號(hào)傳輸給STM32;溫度檢測程序是熱敏電阻的分壓值經(jīng)過濾波電路后直接接入STM32的ADC模塊，并根據(jù)熱敏電阻的溫度一阻值特性推算出電池溫度;SOC模塊主要是通過迭代法計(jì)算電池荷電狀態(tài)，為均衡的開啟與控制作準(zhǔn)備;均衡程序根據(jù)SOC迭代法估算的SOC值進(jìn)行均衡判斷，對(duì)需要被均衡的電池打開開關(guān)矩陣對(duì)應(yīng)的MOS管柵極，進(jìn)行電池空間重組和能量轉(zhuǎn)換;CAN通信程序是從控板與主控板的通信程序。

3 新技術(shù)的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是模擬人腦的神經(jīng)元以處理非線性系統(tǒng)的一種智能算法[4]。該方法適用于各類電池，只需要提前從待測電池中獲取大量的測試數(shù)據(jù)作為預(yù)測樣本，然后將其輸入到建好的模型中即可得到電池的SOC值，可以動(dòng)態(tài)地獲取電池的運(yùn)行參數(shù)，并能有效的避免Kalman濾波法將電池模型做線性處理所產(chǎn)生的誤差。

結(jié)語

新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)新能源客車電池工作和應(yīng)用有極其重要的影響，因此在本文中對(duì)現(xiàn)階段電池監(jiān)測系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行分析，并重新進(jìn)行新型智能化新能源客車電池監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重新設(shè)計(jì)了硬件及軟件，通過更新硬件設(shè)施和智能化算法和軟件應(yīng)用，能夠在很大程度上滿足新能源客車電池工作的要求，促進(jìn)我國新能源客車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]李桂娟，張持健，施志剛，等.基于LabVIEW的鋰電池SOC預(yù)估與參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（10）：69-71.

[2]劉志偉，荊有澤.基于CAN總線的鋰原電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2018，42（05）：645-647+670

[3]羅世昌，楊進(jìn).基于迭代卡爾曼粒子濾波器的鋰電池SOC估算算法研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2019（02）：104-106.