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上传者: emily 2011-11-01 评分 5 0 224 31 1017 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IT/计算机领域,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)oi年第卷第期电源控制技术PowerSupplyControlTechnolog电动汽车电池管理系统六EVBatteryManagementSystem北京交通大学电气工程学院(北京)刘保杰王艳殷天明(BeijingJiaotongUniversityBeltingChina)LiuBaojieWangYanYinTianming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:ThispaperpresentsthemanagementsystenlofleadacidbatteR,packwhichcandetectthevoltagecurrentandtemperatureofeachcel.ToestimatetheSOCthemodelingwasachievedbytheRCbatteryequivalentmodelandtheparametersofthismodelweredeterminedthroughtheexperiment.TheKalmanfilterarithmeticisappliedtoestimatethestateofchargeofthebatterieswhichsupplyinformationforthemaintenance.Keywords:batteriesmanagementsystemRCbatteL")equi~alentmodelkalmanfiltering【中图分类号】TM【文献标识码A【文章编号().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、RC、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。电动汽车电池组管理系统方案z一显示数据保存一L..................一cAN通信图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(SZ)OIElectricalAutomation采样L妻滤波样嚣盔墼舞DSP皇鎏二阶采样一{FO詈路FCBHlJJl电池温度L、保护A~II,篓堡塑一L里lJ一采样电路I电路图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。电池管理系统设计.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)年第卷第期PowerSupplyControlTechnolog示。图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。图为电压采集电路的电路图。前障卜c={.l嘶图带光耦的电压采集电路.电池组管理系统软件设计Cbtk图电池等效R.c模型..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RC模型。如图所示电容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。..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‰=.n(。o一%)()电池在恒流放电时的容量变化可按下式计算:{f!.EcⅢ‘=』fIt{IdtdT【)JtJ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()、式()得电容c在某一温度下的值为:cw=()瓦====()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。oTo/为电池的总容量(安时)。对本系统管理对象V/Ah铅酸电池组A恒流放电,时其中某电池起始开路电压为.V放电终止开路电压为.V。故U*=lVUo=.V代入式()=.F。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:“):.k(一.)%对本系统管理的铅酸电池以A脉冲电流放电电池端电压波形图如图所示。其中:为一个周期脉冲放电的初始电压V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=.V图电池脉冲K一!/=.Vt=.放电端电压波形对于RR和R个电阻引入个汁算因子和其值与电池的结构相关取值范围为..。故有:R=KRhR=KRt,R=KtRh其中代表电池总内阻。R=.n==.=.l可得:R=.n.Re=Rs=.n对于c参考电池模型可知:V=(一)(一e)()由式()可推出:r一『ln(一)=.对电池的模型进行动态分析可知电路的时间常数为:f=(RR)C即专F..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)年第卷第期电源控制技术PowerSupplyControlTechnology..芈=(f)B()形式:dv(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(】)将式()离散化可得:瓤l:AdM^lC式中:A一EAB=BLC=G(系统采样时间)考虑噪声的影响式()可变为鼽l=ABdMzk=Ck()()()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kl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(ll/)(一J^】)}通过递归方法如图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,,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.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J~)r示)对本系统所管理铅酸电池A恒流放电过程进行仿真。仿真波形如图中曲线所示。同样考虑系统噪声、量测噪声应用MATAB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A恒流放电过程进行仿真。仿真波形如图中曲线所示。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.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卡尔曼滤波结构图IElectricaIAutclmation图卡尔曼滤波递归算法表电池组循环检测试验数据.Ol.......lO..O...%.%.%.%.l...%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l页).设DP总线为主站首先将变频器的.设为FIELDBUS这时组参数被激活。采用DP通讯变频器.MODULETYPE设置为PROFIBUSDPprofibus默认的传输速率为.Mbit/s。变频器.BAUDRATE设置为.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。例如图中退纸辊的变频器节点地址设为那么在变频器相应的参数.NODEADDRESS中输入。其他同理。设计实例.D.....e.....s....i.g.....n.......I.d.....e..as《电气自动化》O年第卷第期表程序编写举例读写CALLSFCCALLSFCLADDR.:W##OLADDR.=W##RET.VAL.=#TEMPRECRD.=P样DB.DBXO.BYTERECRD.:P#DB.DBx.BYTERET.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.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SFC“DPRDDAT”读SFC“DPWRDAT”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。总结PROFIBUSDP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jItRPBA操()赢辊s号读写IfRPBA.一()i后底辊{ACsOIDIP总线图采用DP通讯的复卷机电气控制系统示意图参考文献廖常初主编s./PLC应用技术M】.北京:机械工业出版社.【】廖常初.PLC技术问答M.北京:机械工业出版社.f】朱小囊.ModBus通信协议及编程J.计算机与自动化技术():~.】李正军.现场总线及其应用技术【M】.北京:机械工业出版社.作者简介孟彦京(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(一)女(汉)研究生主要研究方向为电力电子与电力传动。(上接第页)T(s)图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。参考文献朱松然.铅蓄电池技术M.北京:机械工业出版社:】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【:~JohnsonVHBatteryPerformanceModelsinAdvisorJ】JournalofpowerSources():~【】B.S.BhangP.BentleyD.A.StoneandC.M.BinghamNonlinearObserversforPredictingStateofChargeandStateofHealthofLeadAcidBatteriesforHybridElectricVehiclesIEEE.TransactionsonVehicularTechnology():~作者简介刘保杰(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(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(~)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。ElectricalAutomationl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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