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电池管理系统.pdf

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上传者: emily 2011-11-01 评分1 评论0 下载29 收藏10 阅读量1008 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《电池管理系统pdf》,可适用于专题技术领域,主题内容包含《电气自动化)oi年第卷第期电源控制技术PowerSupplyControlTechnolog电动汽车电池管理系统六EVBatteryManagem符等。

《电气自动化)2oi0年第32卷第1期 电源控制技术 Powe r Supply Control Technolog 电动汽车电池管理系统六 EV Battery Management System 北京交通大学 电气工程学院(北京 100044) 刘保杰 王 艳 殷天明 (Beijing Jiaotong University,Belting 1 00044,China) Liu Baojie Wang Yan Yin Tianming 摘 要:文章设计了应用于铅酸蓄电池的电池管理系统,提出了单体电池电压、电流、温度检测电路。依据电池等效 R.c模型建模,通过 实验确定了该模型的参数。应用卡尔曼滤波算法,估算出蓄电池荷电状态(SOC)。为电池的维护与保养提供数据支持。 关键词:电池管理系统 电池等效模型 卡尔曼滤波 Abstract:This paper presents the management systenl of lead—acid batteR,pack which can detect the voltage,current and temperature of each cel1. To estimate the SOC,the modeling was achieved by the R—C battery equivalent model and the parameters of this model were determined through the experiment.The Kalman filter arithmetic is applied to estimate the state—of-charge of the batteries,which supply information for the maintenance. Keywords:batteries management system R—C batteL") equi~,alent model kalman filtering 【中图分类号】TM912 【文献标识码]A 【文章编号1 1000—3886(2010)01—0060.04 1 引言 铅酸类动力蓄电由于技术成熟、性价比高,尤其是尢记忆性等 特点,被大量应用到电动汽车领域。然而,动力蓄电池的电池管理 系统却还处于起步阶段。电池管理系统对防止电池过充、放电,提 高电池利用率,维护电池,延长电池寿命等意义重大 集中式电池 管理系统结构框图如图 1所示。由于电池在使用过程中的高度非 线性,使得准确估计电池荷电状态 SOC极为[祠难 目前还没有统 一 的估算方法。但得到大家公认的是:电池 SOC的估算首先要建 立电池等效电路模型。典型的等效电路模型有 Rint、R—C、 Fevenin、 及 PNGV模型等。几种模型在具体的估计方案中各有利弊,在本篇 文章里面采用 R.c型计算电池荷电状态,在此基础上采用卡尔曼 滤波对电池荷电状态进行估计。 2 电动汽车电池组管理系统方案 z ] 一 显示 数据保存 一 L....... ........., . . 一 c A N 通信 图 1 集中式电池管理系统结构框图 -k基金项目:北京交通大学重大科技基金“电动中巴车开关磁阻电 机驱动控制系统的研究”资助项目(2005SZ008) 6O I Electrical Automation 采样L— 妻 滤波 样 嚣 盔 墼 舞 DSP 皇鎏 二阶 采样 一 { FO 詈路 F 29 C B200 H l J J l 电池温度 L 、保护 A~II, 篓堡 塑 一1 L里 lJ 一 采样电路 I电路 —— 图 2 电池管理系统的硬件功能电路 电动汽车供电系统一般是由数十块电池串联组成的电池组。 本文提m~种分散数据采集以及集中数据处理的方法。分别设计 了电压、电流、温度采集电路,通过中心控制器 DSP完成计算与控 制。并通过 CAN总线与电动汽车中心控制器进行通信,实现整车 的控制。 3 电池管理系统设计 3.1 电池组分布式管理系统硬件设计 电池管理的硬件电路部分主要有控制芯片的外围电路设计、 电流电压采集电路 、温度采集电路、CAN通信接口电路。首先分别 对单体电池的电压 、单体电池温度、串联电池组的工作电流、环境 温度进行采样。本设汁有 20路电压采样通道,通过模拟多路开关 分时选择不同单体的电压输入 DSP。电流与电压通过采样保持电 路,保证采样到的是一个单体同一时刻的电压和电流,这样便于计 算出电池单体内阻。电池温度信号采样使用热敏电阻,电池温度 数据主要用于判断电池安全。输出数据通过显示板显示,并通过 CAN总线,送到电动汽车整车控制中心作相应的控制和液晶显 Admin 高亮 电源控 制技术 《电气自动化)2010年第32卷第1期 Power Supply Control Technolog 示。图2所示为电池管理系统的硬件电路组成。需要特别说明的 是.在电压采集电路中,为了降低电池电压对电压采集电路的干 扰 ,采用光耦隔离,并利用光耦搭建负反馈电路 ,降低光耦的非线 性失真。图3为电压采集电路的电路图。 04 前 障 15 卜—c= —_{ .1l 嘶 图 3 带光耦 的电压 采集 电路 3.2 电池组管理系统软件设计 C bt k 图 4 电池等效 R.c模型 3.2.1 电池 的等效 电路模型 电池工作时,其内部的电化学过程是一个对环境敏感的复杂 的非线性过程,很难用一个简单的数学模型来精确描述电池的特 性 。对于某一类 型的电池 ,通过充放 电试验和理论分析 ,可以用一 个近似的模型来描述它的工作过程与特性。本文针对铅酸电池在 电动车上的应用,采用二阶R—C模型。如图 4所示,电容 C 为一 大电容,反映电池中储存电能能力的大小, 代表电池电动势; c 和 尺 分别表示表面效应电容和电阻,主要反映电池电极的 表面效应;见表示电池的终端欧姆电阻;R 分别代表放电时电池 内部的极化电阻和欧姆电阻。 3.2.2 电池模型参数的确定 电池处于开路状态时,电池的电动势约为电池开路电压,可以 直接测量得到。对电池在不同开路电压下做恒流放电实验,记录 电池不同电动势对应电池储存能量情况 ,可得到电池的电动势与 SOC的关系函数 SOC=f( )。电路中各等效元件的值可由电池脉 冲性能测试试验得到,具体方法描述如下: 容量电容 , 反映电池中储存电能能力的大小。电池中储存 的能量与电池的电容和电压具有如下关系: E‰ =0.5 n( 。o 一 % ) (1) 电池在恒流放电时的容量变化可按下式计算: { f!. EcⅢ‘=』,fI t {Idt dT 【2) J t J, 式中 为电池电压 ,,为恒定的放电电流,r,为总的放电时问。由 式(1)、式(2)得电容 c 在某一温度下的值为: cw = (3) ——瓦 =_= ==_ (3) 式 中 为 电池 的额定放 电电流, 为以 厶恒 流放 电时 的放 电时 问。1oTo/3600为电池的总容量(安时)。 对本系统管理对象——12V/100Ah铅酸电池组,20A恒流放电 54,时,其中某电池起始开路电压为12.8V,放电终止开路电压为 10.2V。故 U * =l2,8V,Uo =10.2V,代 入 式 (3), = 20149.25F。 由于铅酸电池剩余电量和电池电动势有很好的线性关系,当 电池长期静置时 开路电压即 w 为电池电动势,故由电池组恒 流放电实验数据可推出: SOC: “ ):38.46-k( 一10.2)% 对本系统管理 的铅酸电池 以 20A脉冲电流放电,电池端电 压波形图如图5所示。 其中: 为一个周期脉冲放 电的初始电压;V2为一个脉冲放 电中放电时电压 ; 为一个脉冲 放 电周期 中截止时起始点压 ; K为一个脉冲放电周期结束后的 电 池 端 电 压 ; 一 =0.12 V, 图 5 电池脉冲 K一!/3=0.08V,t=1.55 放 电端 电压波形 对于 R ,R 和 R 3个电阻,引入 3个汁算因子 , 和 ,其 值与电池的结构相关,取值范围为0.3—0.8。故有 : R = K Rh,R = K Rt,,R = KtRh 其中 代表电池总内阻。 R6=0.0046n = =0.75 =0.6l_0 可得 : R,=0.002745n.Re=Rs=0.00375n 对于 c 参考电池模型可知: V = +( 一 )(1一e) (4) 由式(4)可推出: r一『ln(1一 )=1.65 对电池的模型进行动态分析可知,电路的时间常数为: f=(R +R )C 即 专 220F 3.2.3 电池 SOC的卡尔曼滤波估计 卡尔曼滤波应用于电池SOC估计时,电池被电池模型描述为 由状态方程和量测方程组成的系统,如图 6所示。电池剩余电量 和系统状态变量 中的 有关, 为系统矩阵, 为控制输入 矩阵,C 为量测矩阵。控制输入 为电池的工作电流 I,系统输出 为电池模型计算的电池端电压。 为系统噪声, 为量测噪 声,它们均为 Gauss型白噪声,协方差分别为 Q和 R。本算法的核 心思想是在蓄电池静置不用时,根据开路电压来更新蓄电池模型 状态变量,完成初始化工作。利用卡尔曼滤波算法估算电池电动势 ,再根据 与 SOC的关系函数 ,'( )估算出电池的 SOC。 由图6所示的卡尔曼滤波结构图可将系统状态方程写成如下 《电气自动化)2010年第32卷第1期 电源控制技术 Power Supply Control Technology . . 芈= (f)+B( ) 形式 : d v(f):Cx( ) 式中:“——系统输入(电池工作电流 I) — — 系统状态变量([ , ) 广 系统输出(电池端电压) C——量测矩阵([0 0 1】) 将式(5)离散化可得: 瓤+l:A + dM^ +l C +1 式中:A 一E+A B =BL C =G (系统采样时间) 考虑 , 噪声的影响,式(6)可变为 鼽+l=A +BdM +, zk+1=C k+1 (5) (6) (7) 式中:卜 考虑 噪声影响的系统输出(电池端电压) 应用卡尔曼滤波算法对电池 SOC估算主要分为三个阶段 : 各符号标记的含义是: ( )表示变量 x的第 i次采样估计值, 它包含了时刻 j及以上所有时刻的信息,P( 同理。卡尔曼滤波的 一 个特性就是使系统的被估计状态矢量孙 )在 k+l时刻的和 平方误差最小,这个误差是实际值和被估计值之间的误差。 min{E[( +l— +l/ +1)( +1一 +J^ 】) ]} 通过递归方法,如图7,可以从前一个值瓤 ,输入 ”和测量 信号 z计算出卡尔曼滤波的估计 t-, 。因此,在每一次采样中 11,0,11,l一 “ 和 动~ .Z 被认为是有效的输入/输出数 据。通过预测/纠错和迭代递推方法可以实现 尔曼滤波策略 . 4 试验结果与仿真分析 考虑系统噪声、量测噪声,应用 MATLAB编写电池剩余电量卡 尔曼滤波估计 m函数(程序流程图如图7J~)r示),对本系统所管理铅 酸电池20A恒流放电过程进行仿真。仿真波形如图8中曲线1所示。同 样考虑系统噪声、量测噪声,应用 MAT[ AB编写 in函数,用电池电 动势估计剩余电量,对本系统所管理铅酸电池20A恒流放电过程进 行仿真。仿真波形如图8中曲线2所示。从仿真波形来看,电池剩余电 量卡尔曼滤波估计大大减小了系统噪声、量测噪声带来的估汁误 差,使剩余电量在线估算更为准确。且算法只需要记住前一步的估 计结果,大大减少了存贮器的使用量。由此电池剩余电量卡尔曼估 计算法十分适合电动汽车铅酸电池管理系统使用 . 5 结论 从实验有管理系统测得的电压、电流数据来看,尽管与手动专 门测量有存在着误差,但已经初步达到了判断电池状态的要求。 依据电池电压以及电流、温度等参数实现的电池剩余电量估测结 图 6 卡尔曼滤波结构图 62 I ElectricaI Autclmation 图 7 卡尔曼滤波递归算法 表 1 电池组循环检测试验数据 6.Ol 15.45 20.85 26.98 470 498 515 533 6.6 16.15 21.75 28.1l O.61 0.7O 0.895 1.13 5.98% 4.53% 4.29% 4.20% 30.0l 542 31.95 1.94 3.98% 果仍然需要大量实验验证,也是电池管理系统能否有实质性进步 的重要一环,关键是需要为电池建立合适的等效模型,应用更为先 (下转第一8l页) 5.设 DP总线为主站 ,首先将 变频器 的98.02设为 FIELDBUS,这时51组参数被激活。采用 DP通讯 ,变频器 51.01MODULE TYPE设置为 PROFIBUS DP profibus默认的 传输速率为1.5Mbit/s。变频器51.03BAUDRATE设置为1500 6.在总线上添加变频器适用的适配器。并设置变频器 的通讯节点地址。例如图1中退纸辊的变频器节点地址设为 4,那么在变频器相应的参数51.02NODE ADDRESS中输入 4。其他同理。 设 计 实 例 . D . . . . . e . . .. . s . . . . i . g . . . . . n . . . . . . . I . d .. . . . e . . — a — s 《电气 自动化》2O10年第 32卷 第 1期 表 3 程序编写举例 读 写 CALL SFC14 CALL SFC15 LADDR.:W #16#1O0 LADDR.=W #16#100 RET.VAL.= #TEMP0 REC0RD.=P样DB4.DBXO.0 BYTE 12 REC0RD.:P#DB2.DBx0.0 BYTE 12 RET.VAL.= #TEMPl 从变频器读取状态字,如是否起停,有无 给变频器写下控制字命令起停,速度给 故障,电流大小等 定、转矩给定等 7.注意硬件组态时 PPO类型的选择。选择哪种类型的 PPO , 取决于在自动化网络中传动装置的任务。PPO类型选定以后 ,相应 组态地址对应的含义也就定了。 DP通讯数据读写: 要控制退纸辊、前后底辊、圆刀变频器的启动停止、速度给定 等功能以及各个部分电流状态等的读取,这些都由通讯完成。在 程序中可以编写单独的 FC块来完成控制器 PLC对变频器的控制 功能,即通讯读写。通讯中数据的含义与硬件组态时选择的 PPO 类型有关。完成这些可以用 PROFIBUS网络通信 的系统功能 SFC14 “DPRD _ DAT”读 ,SFC15“DPWR_DAT”写。 写下类似的通讯程序,安装相应变频器的通讯说明书,根据观 察到的现象,判断通讯成功与否 ,比如通讯指示灯。如果通讯未成 功可以检查硬件连接控制器到变频器。尤其是 DP头的连接。软件 编写时地址是否按 PPO类型选择对应等等。 在实际的工程应用中,也有将两者混用的方式。 4 总结 PROFIBUS—DP和MODBUS规定了各自的通讯协议方式方法。 Modbus的通讯协议本身特点在一定程度上限制了其通讯速率。 PROFIBUS本身的优势使其在工业自动化领域越来越广泛的应用。 在实际工程中也用过两种通讯方式。利用 PROFIBUS现场总线将主 从站点连接在一起,主站系统的所有信息都通过 DP总线进行传递, 从站的信息及时反馈回主站,并做相应的处理。PROFIBUS现场总线 通讯速率快,可靠性高。 读 写; j I t RPBA-01 操 (4) 赢 _辊 s80 号 读 写 I fRPBA.01一 (6) i后底辊 { ACs8O0 I DIP总线 图 2 采用 DP通讯的复卷机电气控制系统示意图 参 考 文 献 [1]廖常初主编 s7.300/400PLC应用技术[M】.北京:机械工业出版社, 2005. 【2】廖常初.PLC技术问答[M].北京:机械工业出版社,2006. f 3】朱小囊.ModBus通信协议及编程 [J].计算机与自动化技术,2005,31 (7):42~44. [4】李正军.现场总线及其应用技术【M】.北京:机械工业出版社,2005. [作者简介]孟彦京(1956一),男(汉),教授,硕士研究生导师。主要研究方 向为电力电子与电力传动,长期从事变频器传动方面的教学与工程应用 工作; 孙小平(1985一),女 (汉),研 究生 ,主要研 究方向为电力电子与 电力传动 。 (上接第 62页 ) T(s) 图 8 仿真波形 进的算法,才能是电池剩余电量的估算更加准确,为蓄电池更为广 泛的应用创造条件。 参 考 文 献 [1]朱松然.铅蓄电池技术[M].北京:机械工业出版社 ,2002:45—107 [2】张承宁,朱 正.电动汽车动力电池组管理系统设计(J].计算机工程与 应用,2006【25]:35~37 [3]Johnson V H,Battery Performance Models in Advisor[J】,Journal of pow— er Sources,2002,110(8):321~329 【4】B.S.Bhang,P.Bentley,D.A.Stone,and C.M.Bingham ,Nonlin— ear Observers for Predicting State-of-Charge and Stateof-Health of Lead-—Acid Batteries for Hybrid—Electric Vehicles, IEEE. Transactions on Vehicular Technology,2005,54(3):783~794 [作者简介]刘保杰(1984一),男,汉族,硕士研究生,研究方向为电动汽车 动力蓄电池管理系统,电力电子传动及其控制,电机与电器; 王 艳 (1966一),女,汉族,特聘教授 ,硕士生导师,研究方向为电力电子传动及 其 控制 ,开关磁 阻电机 及其控 制 ; 殷 天明(1962~),男,汉族 ,高级X- 程师,研究方向为开关磁阻电机控制技术,电动气车驱动系统。 Electrical Automation l 81 丫电液比例放大 器 电液比例阀 一 __张力放大器 卜I 张力检测 器

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