動力鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計及SOC的估算

張丹明，周 彥

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

動力電池是影響電動汽車整車性能的關(guān)鍵因素，為確保電池性能良好，延長其使用壽命和制定良好的充放電控制策略，管理系統(tǒng)的研發(fā)尤為重要.［1］本文針對目前電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求設(shè)計BMS，主要實現(xiàn)三大功能：1）實時監(jiān)測電池狀態(tài)，采集單體電池電壓、電流和溫度等；2）在正確獲取電池的狀態(tài)后進(jìn)行風(fēng)扇熱管理、電池均衡管理、故障報警等；3）建立有效的算法，對電池的SOC進(jìn)行估計，從而對電池組采取合適的充放電控制策略.［2］

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用5個磷酸鐵鋰電池模組，每個模組由24節(jié)單體電池串聯(lián)而成，每節(jié)單體電池的額定電壓為3.2V，電阻組的總額定電壓約為384V.整個系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電池管理功能.每個電池組模塊作為一個從控子模塊，主從控系統(tǒng)間用CAN總線進(jìn)行通信.系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖1所示，虛線框為從控子模塊框圖.

主控模塊主要功能是采集電池組總壓信號和電流信號，經(jīng)過信號電路調(diào)理濾波輸入到DSP的A／D口；通過軟件算法實現(xiàn)對電池SOC值的估計；實現(xiàn)電壓、電流、溫度、SOC值等數(shù)據(jù)的存儲和顯示，同時為電池組提供必要接口以及與其它組件建立通信.

從控模塊主要通過單片機(jī)發(fā)出指令，采集各個模組單體電池電壓、溫度等相關(guān)參數(shù)；通過采集到的電壓信號對單體電池實行均衡控制；建立SPI通信，實時將數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)DSP.［3］

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

1.1 CPU控制器

根據(jù)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文采用TI公司型號TMS320F2808PZA的DSP芯片，作為電池管理系統(tǒng)主控模塊的MCU芯片.

從控模塊MCU芯片采用MOTOROLA公司16位9S12DT128單片機(jī)，工作頻率24MHz，128K片內(nèi)FLASH，4K片內(nèi)RAM，3路CAN控制器，112腳封裝支持，背景調(diào)試模式和大容量存儲器擴(kuò)展，集成CAN，BDLC，SCI，SPI等多種接口，功能豐富，速度高、功耗低、性價比高、系統(tǒng)設(shè)計簡單.

1.2 電壓采集單元

電壓采集單元采用多路通道模擬開關(guān)對單體電壓進(jìn)行巡回檢測.采集原理是：通過模擬開關(guān)選通和電路濾波，差分電路將采集到的各單體電池電壓，信號傳送至單片機(jī)的A／D口，并顯示電壓值.電壓巡檢采集單元原理見圖2.

差分放大電路選擇價格低廉，具有高轉(zhuǎn)換率，低輸入偏置和偏置電流，低失調(diào)電壓溫度系數(shù)的四輸入運(yùn)算放大器TL084.

多路開關(guān)選用CD4051，1片CD4051可完成1～8路模擬信號的輸入選擇與切換.通過地址控制位A、B、C和INH的二進(jìn)制碼實現(xiàn)多路控制.

圖2 單體電壓采集電路原理框圖

1.3 均衡模塊

本系統(tǒng)中，利用高頻反激變壓器和MOS開關(guān)切換控制方案實現(xiàn)均衡控制.變壓器原邊接24V直流源，副邊側(cè)每個線圈對應(yīng)一節(jié)單體電池.電池均衡控制的基本原理為：當(dāng)檢測某單體電池電壓過高時，先閉合該電池端變壓器電路，再閉合24V變壓器電路，進(jìn)行放電；當(dāng)檢測某電池模塊電壓過低時，先閉合24V變壓器電路，再閉合電池模塊變壓器電路，進(jìn)行充電.通過單片機(jī)發(fā)出指令控制單體電池與副邊繞組間的MOS管，實現(xiàn)對過電壓或欠電壓的均衡.利用直流電源對其充放電，兩端電壓精確可調(diào)（圖3）.

理想情況下，均衡充電電壓

其中，Vin為輸入電壓，N為原副邊線圈在匝數(shù)比，D為MOS管占空比.

圖3 多副邊繞組變壓

1.4 溫度采集單元

電池組溫度過高或過低會造成電池組不可逆轉(zhuǎn)破壞.本系統(tǒng)溫度單元采集用PWM溫度傳感器芯片TMP05.每個電池單體附近放置1個TMP05，采用菊花鏈狀連接工作方式，當(dāng)?shù)谝黄琓MP05的CONV／IN引腳接收到來自MCU產(chǎn)生的啟動脈沖后，進(jìn)行轉(zhuǎn)換并測量輸出，并為下一片提供啟動脈沖.輸出方波的高電平的持續(xù)時間（TH）是固定的，而低電平的持續(xù)時間TL卻隨著溫度而變化.

當(dāng)CONV／IN引腳設(shè)置為低或者浮置時，T／℃＝421－751×（TH／TL）若設(shè)置為高電平，則T／℃＝421－93.875×（TH／TL）.其中，TH和TL的值可以通過微處理器的定時／計數(shù)口很容易地讀取，然后編程即可實現(xiàn)上述算法，從而得到所測溫度值.這種菊花鏈?zhǔn)浇臃梢詼p少I／O口使用，其連接方式見圖4.

圖4 溫度傳感器電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件電路確定后，電池管理系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn).

2.1 系統(tǒng)軟件流程

電池管理系統(tǒng)的主要功能是檢測電池組的電流、電壓、過電流、漏電流、溫度等數(shù)據(jù)，同時在運(yùn)行過程中估計電池的剩余容量，同時控制風(fēng)扇和熱管的啟動，并做出各種錯誤報警；將重要數(shù)據(jù)信息通過CAN總線報送液晶顯示器顯示，建立主從控模塊間的 SPI通信［4］.

本電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計主流程見圖5，首先對系統(tǒng)初始化，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值，進(jìn)入主循環(huán)，采集蓄電池組總壓及充放電電流信號；單片機(jī)控制子模塊采集單體電壓、溫度；進(jìn)入SOC估算子程序，完成蓄電池SOC的估算；建立系統(tǒng)SPI通信和CAN 通信；數(shù)據(jù)存儲與顯示.［4－5］

2.2 SOC算法驗證

SOC描述動力電池的剩余電量，其值的大小直接反映出動力電池的狀態(tài)，是保證電池正常工作的重要參考依據(jù).將Ah積分方法和等效電路模型的動態(tài)空間形式相結(jié)合來建立濾波體系，從而實現(xiàn)Ah計量法、開路電壓法與非線性濾波法三者有機(jī)結(jié)合的復(fù)合估算方法.本實驗采用脈沖放電方式對電池進(jìn)行放電，放電曲線見圖6.

卡爾曼濾波器用于估計離散時間過程的狀態(tài)變量，其系統(tǒng)狀態(tài)方程為

定義系統(tǒng)測量變量yk∈Rn，得到測量方程

改進(jìn)后的Ah法用到卡爾曼濾波器中.ωk、υk分別為過程激勵噪聲和觀測噪聲，為正態(tài)分布的白色噪聲［6］.將Ah積分方程作為系統(tǒng)狀態(tài)方程，SOC通常作為系統(tǒng)的狀態(tài)量xk，uk包括動力電池電流、溫度及放電倍率等變量參數(shù)的影響因素.開路電壓uoc作為觀測變量，其值為系統(tǒng)的輸出量.

利用電流積分計算動態(tài)過程中SOC的變化量計算公式：

其中，SOC（t0）為電池初始狀態(tài)下的SOC值，Qe為電池額定電量，η分別為溫度、放電倍率和循環(huán)次數(shù)等修正系數(shù)［7］.

采用開路電壓法，建立蓄電池模型，其關(guān)系式為

其中，R為電池內(nèi)阻（非定值），K1為極化效應(yīng)的等效內(nèi)阻，K2、K3和K4是模型匹配參數(shù).

根據(jù)以上分析，復(fù)合法以電池端電壓的估計值與測量值之間的誤差，與卡爾曼濾波器的增益值，作為誤差修正值，從而更新下一時刻的SOC估算值.同時基于卡爾曼濾波原理，為保證最佳估計，需保證誤差協(xié)方差估算值最小.利用matlab／simulink工具，對鋰電池放電系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型.卡爾曼濾波法估計動力蓄電池SOC值仿真結(jié)果見圖7.

圖7 蓄電池SOC仿真曲線

3 結(jié)束語

本文通過實驗仿真，電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度，可以實現(xiàn)在線監(jiān)測和標(biāo)定.改進(jìn)的復(fù)合SOC算法實現(xiàn)最佳估計，能使該電池管理系統(tǒng)具有較高的SOC估算精度，保證整個電池的工作性能和壽命，具有良好的應(yīng)用價值.

［1］成 濤，王軍平，陳全世.電動汽車SOC估計方法原理與應(yīng)用［J］.電池，2004，34（5）：34－45.

［2］李 娜.微型純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計［D］.南京：南京航天航空大學(xué)圖書館，2010.

［3］Wei Xuezhe，Sun Zechang，Zou Guangnan.A modularized li－ion battery management System for HEVs［J］.Automotive Engineering，2004.26（6）：629－631.

［4］Lim D，Anbuky A.A distributed industrial battery management network［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51（6）：1 181－1 193.

［5］夏超英.電動汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計與均衡充電方案研究［D］.天津：天津大學(xué)，2006.

［6］鮑齊克 M S.數(shù)字濾波與卡爾曼濾波［M］.凌云旦譯.北京：科學(xué)出版社.1984.

［7］Gregory L.Plett.Extended Kalman filtering for bat－tery management systems of LiPB－based HEV battery packs Part 2［J］.Modeling and identification，Power Sources，2004，134（2）：262－276.