基于樹莓派的房車電池管理系統(tǒng)研制

岳賢杰, 李成偉, 沈 倩, 張子超

(1. 哈爾濱工業(yè)大學 儀器科學與工程學院, 哈爾濱 150000； 2. 廊坊市中燃宏勝能源科技有限公司 工程技術部, 河北 廊坊 065000)

0 引 言

隨著生活水平的提高, 人們逐漸傾向于通過戶外活動享受生活, 因此房車成為了重要選擇之一, 其需求量也越來越大。房車是集衣、 食、 住、 行于一身, 實現(xiàn)生活中旅行, 旅行中生活的時尚產品[1]。我國的房車市場雖然起步較晚, 但隨著國民消費觀念的改變, 國家對旅游業(yè)的大力支持, 國內的房車市場將迎來新的發(fā)展。

房車市場的快速發(fā)展, 最大的問題就是如何保證房車在使用過程中的安全性與可靠性。房車又稱車輪上的家, 兼具房與車兩大功能[2-3], 而如何方便智能合理地使用車載電源成為研究的重點[4]。與普通汽車相比, 房車的用電設備更多, 用電系統(tǒng)更加復雜, 電能消耗更大, 這樣就會因為電池組的不合理使用而導致電池的損壞[5-7], 從而導致車輛不能正常使用。為了能讓車載電池和相應的用電設備正常使用, 有必要設計一套管理系統(tǒng), 保證車輛能實時正常使用, 提高用戶的享受度。目前市場上的房車僅能通過檢測電池電壓, 間接反映SOC(State of Charge,SSOC)[8-9], 用戶不能直觀地得到所需信息, 同時對用電設備僅僅起到配電的作用。針對以上情況, 筆者提出基于樹莓派的房車電池管理系統(tǒng), 以樹莓派為主控制器, 具有以下優(yōu)點： 1) 可以使設備趨于小型化, 可直接通過軟件設計豐富的UI用戶界面; 2) 內置32位高性能ARM芯片能滿足SOC計算, 運算速率快； 3) 樹莓派本身的功耗低, 減少車載供電系統(tǒng)的供電壓力。

該系統(tǒng)可以使用戶直觀地了解電池使用狀況以及用電設備的運行情況, 實現(xiàn)用戶對電量合理分配使用, 從而保證安全可靠地用電, 達到保障使用者的人身和財產安全的目的。

1 硬件系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)以樹莓派3B+型為中央處理器, 控制和處理各功能模塊。主要有兩大功能模塊： 電池管理模塊和用電器電能計量模塊。其中電池管理模塊與控制器之間通過單總線方式通訊[10-13], 根據DS2438芯片的采集頻率將每次采集的數據(溫度、 電壓和電流)傳輸給處理器進行處理, 實際應用時需要將該模塊貼近蓄電池[9], 以便更好地反應蓄電池溫度； 以電能芯片RN8209為核心的電能計量模塊與控制器之間通過SPI(Serial Peripheral Interface)通訊方式鏈接, 將每次采集數據發(fā)送到主控制器。主控制器完成數據處理和顯示, 并具有一定的故障處理和報警功能。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

其中電池監(jiān)控模塊原理圖如圖2所示, 由于DS2438電流測量為毫伏級, 須通過霍爾傳感器TBC200AP, 對電流按照2 000 ∶1進行縮小, 將大電流轉換為小電流； 通過檢測精密采樣電阻的電壓值得到相應的電流值； 蓄電池電壓為10～13 V, 超出DS2438測量范圍, 因此, 通過電阻分壓方式對電壓進行采集； DS2438芯片內置溫度傳感器可直接用于溫度檢測。

RN8209提供了兩路有功功率的計算和校正, 設計框圖如圖3所示, 對用電器的電流、 電壓值進行采樣, 通過計算可得到功率值。

圖2 電池數據采集模塊框圖 圖3 功率計量模塊框圖

電壓信號采用電阻分壓形式進行信號采樣, 電流信號首先經過電流互感器(CT350C)將用電接口產生的大電流信號等比例轉化為小電流信號, 經采樣電阻分壓, 將模擬電流信號轉換成電壓信號提供給RN8209電流采樣端。

2 SOC算法及用電策略

2.1 電池模型及參數化辨識

系統(tǒng)采用Thevenin模型模擬蓄電池, 如圖4所示, 該等效電路同時考慮了電池的極化特性, 其中參數可依據不同工況完成辨識。

圖4 Thevenin等效模型

2.2 SOC算法

為了能在精確估算電池剩余電量的同時降低算法的復雜度, 系統(tǒng)使用開路電壓法結合修正安時積分法的SOC估算法[13-15]。首先通過開路電壓法預測電池的初始SOC狀態(tài), 在此基礎上通過安時積分法實時計算電池在使用過程中的電量變化。當電池未使用時(未處于充電或放電狀態(tài)), 則使用開路電壓法對SOC進行校正, 兩種方法交叉進行, 提高了SOC估算的準確性。

2.2.1 開路電壓法

開路電壓法[16]實現(xiàn)原理是根據待測電池的電容與電壓關系曲線圖, 系統(tǒng)使用的蓄電池為鉛酸蓄電池, 由廠家提供了相應的數據曲線)在估算電量時, 通過測量電源兩端的電壓, 代入對應的曲線圖, 得到相應的容量值。

2.2.2 修正安時積分法

安時積分法是將電池容量、 實時電流和充放電時間作為考慮因素, 放電時電流為正, 充電時電流為負, 通過電流與時間的積分計算電量, 從而得到在充放電情況下的電池SOC如下

(1)

1) 充放電倍率修正。在實際情況下, 電池以不同大小的電流放電, 所反映的電池容量是不同的[17], 這就是充放電倍率的影響, 公式如下

(2)

其中Q0為電池以標準電流I0進行放電對應的標稱容量,Q1為以電流I1進行放電對應的電池容量, 兩者均是恒流放電下的電池容量, 但兩者并不相等。為了解決該問題， 一種非固定電流下放電對應的容量修正公式被提出[17], 公式如下

Int=Const(K)

(3)

對式(3)進行處理變形

(4)

令充放電倍率η=(I1/I0)1-n, 用于表示實際放電電流I1與標準電容對應電流I0大小的比值。其中n、k為與電池類型及活性物質有關的量,p=1-n為Peukert常數； 根據廠家提供的本系統(tǒng)待測蓄電池的數據解方程組得p=-0.016 8, 充電倍率為

(5)

通過上述推導將SOC表達式(1)的充放電倍率公式修正為

(6)

2) 溫度修正系數。溫度是影響蓄電池充放電的重要因素之一[18], 與電流類似, 不同溫度下工作的蓄電池對應的電量也不同?？紤]到該問題, 引入了溫度修正系數ω(τ), 通過廠家提供本系統(tǒng)所用型號電池的信息獲得不同溫度下該型號電池的容量Q0,Qτ, 依據經驗公式, 不同溫度下電池的容量之間滿足

(7)

其中Q0和Qτ分別是20 ℃和τ℃時測得的電池容量,τ為實驗測得溫度,τ0為工作溫度,α為溫度影響因子, 根據經驗獲得范圍為 0.006～0.008 ℃-1, 筆者取為0.007 ℃-1, 將溫度修正系數ω(τ)加入式(6)進行電池溫度修正, 得

(8)

2.2.3 仿真驗證

實際上, 電池工作環(huán)境很復雜。因此, 在仿真中引入了充放電倍率、 溫度修正系數, 此外, 為了更貼近實際工作環(huán)境, 此次仿真中考慮了環(huán)境中可能存在的暗電流干擾和溫度波動, 并將此作為噪聲信號, 在Simulink中構造充電模型, 在不同的放電倍率和溫度下SOC與實際實驗對比如圖5所示。

a 0.05 C, 20 ℃條件下SOC對比圖 b 0.1 C, 20 ℃條件下SOC對比圖 c 0.17 C, 15 ℃條件下SOC對比圖

隨時間延長, 誤差是逐漸累積的, 因此在完全放電時, 誤差最大, 用放電時間近似代表SOC誤差值, 分析數據得到表1。

表1 仿真實驗結果

由表1數據可知, 實驗誤差小于3%, 說明該方法估算SOC有效。

2.3 用電方法

目前, 大部分智能手機在電池低于20%時會給用戶提示, 20%對大多數電池而言也是合理的低電量模式, 鑒于此, 該系統(tǒng)設置電池低電量模式為20%。當電池電量低于20%時, 系統(tǒng)會給用戶提示信息, 提醒用戶及時充電或關閉當前非必要使用的電器, 從而保證基本行車用電。鑒于此, 將車載電器進行簡單分類以便詳細規(guī)劃用電方法[19-22]。

1) 長時間連接使用的設備(A1)。此類電器一般一直或長時間處于運行狀態(tài), 如燈具、 冰箱等。

2) 短時間內使用的設備(A2)。只在一定的短時間內使用, 其余時間處于關閉狀態(tài)的設備, 如電視、 電磁爐、 洗衣機等。一般在低電量模式下主要考慮關閉此類電器。

3) 預留充電用接口(A3)。供用戶充電用的USB接口等。

在電池SOC低于20%時, 提示用戶, 并自動關閉A2類電器, 同時提示用戶可選擇性地關閉A1類電器。

3 軟件設計及功能測試

3.1 系統(tǒng)總體軟件設計

樹莓派3B+使用Linux系統(tǒng), 其GPIO口可以像單片機一樣進行IO控制, 一般使用wring Pi庫進行GPIO操作, wring Pi庫支持C/C++等多種語言。本系統(tǒng)的開發(fā)基于QT進行, 在QT中添加wring Pi庫并運用C++完成軟件編寫。程序設計與硬件設計相對應, 主要分為蓄電池參數采集模塊數據處理和電能采集模塊數據處理, 并將處理完的數據進行UI可視化顯示。

3.2 主要模塊與功能測試

3.2.1 電池監(jiān)測模塊測試

電壓的采集是電池參數采集的核心部分, 測試時用可調電源進行(可調范圍0～30 V), 蓄電池的電壓一般為9～13 V, 因此將可調電源的電壓分別設為9 V、10 V、11 V、12 V、 13 V, 并用蓄電池采集模塊進行參數采集, 結果如表2所示。

表2 電池電壓采集數據

3.2.2 電器功率監(jiān)測模塊測試

為了驗證電能計量模塊的可靠性, 選用額定功率已知的不同電器, 讓用電器正常工作, 用電能采集模塊采集, 將采集得到的結果與已知的功率進行比較, 結果如表3所示。

表3 功率采集數據

3.2.3 電池監(jiān)測模塊測試

電池管理系統(tǒng)作為電源的監(jiān)控系統(tǒng), 必須把電池實時信息、 故障信息發(fā)送給樹莓派, 以便了解電池的工作狀態(tài), 當出現(xiàn)問題時及時提醒用戶, 同時, 當用電接口電流過大時, 也會給予提示。表4定義了本系統(tǒng)中的故障類型。

表4 系統(tǒng)故障類型

4 結 語

筆者主要研究了房車電源管理系統(tǒng), 實現(xiàn)了對電池組電壓、 溫度、 荷電狀態(tài)(SOC)的監(jiān)測。在樹莓派上進行軟件設計完成狀態(tài)顯示及報警提示； 并結合智能家居的思想, 對電器進行智能化管理, 為用戶打造更舒適的體驗。

通過仿真表明, 筆者提出的SOC估算算法實驗誤差小于3%, 說明該方法可用于預測電池的SOC。其次, 對系統(tǒng)進行電壓采集測試和功率采集測試；電壓的采集誤差不超過0.2%, 用電器功率的采集誤差不超過3%, 說明本系統(tǒng)具有一定的實用性。