基于老年代步車的電池能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

查懿倫

摘 要

本文主要研究對(duì)象是老年代步車的電池能量管理系統(tǒng)，根據(jù)鋰電池的優(yōu)良特性，使用磷酸鐵鋰電池，設(shè)計(jì)電池能量管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，針對(duì)鋰電池使用過程中估算電池荷電狀態(tài)問題，提出一種新型的soc估算方法，對(duì)電池能量管理系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，再進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析，檢測(cè)出soc估算的可操作性。

關(guān)鍵詞

電池能量管理系統(tǒng);系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;soc估算;系統(tǒng)設(shè)計(jì)與估算

中圖分類號(hào)： TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 47

Abstract

In this paper， the main research object is old walking car battery power management system， according to the excellent characteristics of lithium batteries， using lithium iron phosphate batteries， battery energy management system system structure diagram， for lithium battery used in the process of estimating the battery charged state issues， put forward a new kind of soc estimation method， the battery energy management system for the overall design， systems design and analysis， to detect the operability of soc estimation.

Key words

Battery energy management system; System structure diagram; Soc estimation; System design and estimation

0 引言

老年代步車作為一種老年人出行工具，將逐漸成為社會(huì)的潮流。老年代步車的關(guān)鍵在于其動(dòng)力電池，動(dòng)力電池及其應(yīng)用技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，也是制約老年代步車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。其中，電池能量管理系統(tǒng)是動(dòng)力電池應(yīng)用技術(shù)的核心。鋰電池以較為優(yōu)良的自身特性，在眾多種類的電池中脫穎而出。本文主要設(shè)計(jì)的電池為磷酸鐵鋰電池，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于材料成本低，鐵儲(chǔ)量豐富，體積重量小，超長(zhǎng)壽命等，其性價(jià)比在電池行業(yè)中首屈一指。

作為電池能量管理系統(tǒng)，其剩余電量是最重要的指標(biāo)之一，對(duì)剩余容量的估計(jì)也是本文的核心之一，選擇合適的soc預(yù)測(cè)算法，再對(duì)電池能量管理系統(tǒng)主控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的可操作性以及可靠性。

1 soc估算方法的選擇

這個(gè)定義是理想化的定義，沒有考慮到電池壽命，以及溫度，充放電時(shí)間、次數(shù)，對(duì)電池的影響，所以選擇合適的預(yù)估方法尤為重要，最常見的幾種預(yù)估方式有以下幾種：（1）安時(shí)積分法，也成庫倫計(jì)量法，是把不同電流下的放電電量等效于某個(gè)特定電流下的放電電量。（2）放電試驗(yàn)法;主要采用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行連續(xù)放電至終止電壓，放電電流與時(shí)間的乘積即為使用電量。（3）開路電壓法，工作電流為零時(shí)的情況下，通過測(cè)量動(dòng)力電池的開路電壓來估計(jì)電池的soc。（4）內(nèi)阻法，一般運(yùn)用于鉛酸電池與鎳氫電池。（5）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與模糊控制法，模擬人腦來進(jìn)行信息的傳輸，具有較好的自學(xué)習(xí)性。（6）卡爾曼濾波法。

由于卡爾曼濾波法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法雖然能較好地估計(jì)soc，但其涉及的運(yùn)算量太大，且需要的數(shù)據(jù)太多，建立的模型較為復(fù)雜，故在本次設(shè)計(jì)中不采用這幾種方法。安時(shí)積分法在充放電初期與末期對(duì)soc有較好的估計(jì)作用，但是在充放電其他時(shí)刻的估計(jì)效果較差，所以我們采用開路電壓法結(jié)合安時(shí)積分法對(duì)soc進(jìn)行預(yù)估。

2 soc方案的估計(jì)

要驗(yàn)證soc方案的可取性以及可靠性，可以利用充放電實(shí)驗(yàn)來檢測(cè)，由于其鋰電池的特殊性，需要靜置45分鐘以上才可以保證充電電壓與電流的穩(wěn)定性，提高估算的精度。而且在實(shí)驗(yàn)過程中，不應(yīng)該只計(jì)算一次soc的值，為了soc的估算可靠，應(yīng)該多測(cè)量幾次取平均值。

2.1 soc充電方案估計(jì)流程圖

流程圖說明：主控系統(tǒng)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)，判斷兩次開關(guān)機(jī)時(shí)間間隔，在開路電壓法中，當(dāng)開機(jī)時(shí)間間隔大于45分鐘時(shí)，開路電壓才穩(wěn)定，測(cè)得開路電壓以后，可以通過查找開路電壓表獲得對(duì)應(yīng)的剩余容量初始值。最后再根據(jù)模型公式求得最終的剩余容量。

2.2 soc放電方案估計(jì)流程圖

流程圖說明：將電流采集模塊采集到的電流信號(hào)傳輸給主控制器，進(jìn)入主控制器以后，判斷兩次開機(jī)時(shí)間間隔，若間隔大于45分鐘，進(jìn)行開路電壓的測(cè)量，若小于45分鐘，直接讀取上一次的荷電值，在測(cè)量完開路電壓以后，在開路電壓表里查找對(duì)應(yīng)的荷電量初始值用來進(jìn)行放電工作，先將電池放電一段時(shí)間，再計(jì)算出放電時(shí)間，看是否大于15分鐘，如果大于15分鐘就進(jìn)行負(fù)載電壓的測(cè)量以及當(dāng)前時(shí)刻荷電量的計(jì)算，再通過查找負(fù)載電壓表得到當(dāng)前狀態(tài)下的荷電量，與求出來的當(dāng)前時(shí)刻的荷電量做和取平均值，這樣可以增加電池荷電量的準(zhǔn)確度。

3 電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的電池能量管理系統(tǒng)，主要應(yīng)包括電池的數(shù)據(jù)采集模塊，主控模塊、均衡模塊以及通訊輸模塊幾大部分，其中數(shù)據(jù)采集模塊主要包括電流采集模塊、電壓采集模塊、溫度采集模塊，通訊模塊主要采取的是CAN總線通訊方式。本次電池能量管理系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)圖如下圖3所示。

從圖中可以看出，在充放電過程中，先將電壓信號(hào)，電流信號(hào)以及溫度信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)街骺叵到y(tǒng)上，主控系統(tǒng)通過建立的數(shù)學(xué)模型，確定的模型算法來估算電池的soc，同時(shí)主控系統(tǒng)還包括了安全管理控制，熱管理以及能量管理幾大部分，將處理好的信號(hào)通過CAN總線發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)將接收到的信號(hào)進(jìn)行分析、處理，最后將處理完成的信號(hào)發(fā)送給PC與手機(jī)，實(shí)現(xiàn)了鋰電池的充放電的能量管理。其中主控系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要就是對(duì)主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在主控芯片選擇的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)考慮計(jì)算能力強(qiáng)，處理速度快，功能完善，功耗低，工作頻率高，存儲(chǔ)容量大，集成度高等特性，所以主控芯片可以選擇STM32f103系列。

4 系統(tǒng)的檢驗(yàn)與結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要是用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)電池能量管理系統(tǒng)的優(yōu)越性，實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備跟儀器主要有以下幾樣：鋰電池電池組、STM32f103系列主控制器、PC機(jī)一臺(tái)、手機(jī)一部、數(shù)字萬用表、穩(wěn)壓電源、示波器等。用組建好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試電池能量管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性，由于實(shí)驗(yàn)存在一定的誤差，所以需要多次反復(fù)測(cè)量取平均值，將得到的實(shí)際平均值與理論平均值做對(duì)比，得到的誤差在3左右，所以可以證明本設(shè)計(jì)用開路電壓法結(jié)合安時(shí)積分法是一種合理的估計(jì)soc的方式。

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