高精度估算SOC的鋰電池管理系統(tǒng)研制

[摘要] 電動(dòng)汽車已經(jīng)成為綠色車輛最主要的發(fā)展方向之一。但是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的問題依然是儲(chǔ)能電池和應(yīng)用技術(shù)。研究電池管理技術(shù)及系統(tǒng)具有十分重要的意義。本文介紹了一種能夠較為準(zhǔn)確估算SOC的鋰電池管理系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的SOC估算方法。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于一種大容量磷酸鐵鋰動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車上。 　　電池管理系統(tǒng)（batterymanagementsystem，BMS）是電動(dòng)汽車的核心部件之一，主要作用是對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，以提高電池使用效率，延長(zhǎng)電池使用壽命，降低運(yùn)行成本，進(jìn)一步提高電池組的可靠性。 　　電池管理系統(tǒng)的主要功能包括：電池狀態(tài)參數(shù)采集、電池安全狀態(tài)監(jiān)控、電池荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）估算與管理、電池故障診斷等，其中準(zhǔn)確的SOC估算是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 　　介紹了一種能夠較為準(zhǔn)確估算SOC的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于大容量磷酸鐵鋰動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車上，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路和SOC估算方法。 　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 　　由于本系統(tǒng)主要用于電動(dòng)汽車上，采用車載平臺(tái)方式，并要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、合理、可擴(kuò)展，參數(shù)測(cè)量精度高、EMC合格，功能完備、可靠性高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分布式結(jié)構(gòu)和分散控制、集中管理的模式，按積木化設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，主要由六個(gè)部分組成：集中控制器、數(shù)據(jù)采集板、通訊模塊、均衡模塊、車載顯示器、系統(tǒng)軟件模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。 　　集中控制器作為電池管理系統(tǒng)的核心部件，主要實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)采集板、整車控制器、充電機(jī)、車載顯示器、電機(jī)控制器等部件的通訊交互工作。數(shù)據(jù)采集板主要完成單體電池電壓和溫度的測(cè)量，將數(shù)據(jù)傳到內(nèi)部通訊總線上，并直接負(fù)責(zé)對(duì)均衡單元發(fā)出接通和關(guān)閉分流電路的信號(hào)，同時(shí)接收集中控制器發(fā)來的組均衡控制信號(hào)。 　　通訊模塊采用內(nèi)外三條子網(wǎng)，高速CAN1總線用于整車控制器及電機(jī)控制器的通訊，高速CAN2總線用于充電機(jī)的通信，內(nèi)部通訊總線可以選用I2C、CAN、RS232、RS485等。 　　均衡模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集板傳送過來的控制信號(hào)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開啟分流裝置，調(diào)節(jié)充電電流，使電池組內(nèi)電池更加均勻和一致。車載顯示器包括顯示控制板和顯示屏。 　　2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì) 　　車載動(dòng)力電池組一般是由數(shù)十或數(shù)百鋰電池單體串聯(lián)組成，總電壓36V至800V。電源管理系統(tǒng)需要測(cè)量所有單體電池電壓、分組溫度和總電壓電流等信號(hào)，這些信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大、共模電壓高、數(shù)量多，很容易被干擾。 　　另外，這些信號(hào)還是SOC估算、充放電均衡、過充過放保護(hù)判斷等功能的基礎(chǔ)，其精度直接影響SOC估算精度。所以數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵，必須要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性、干擾性。 　　2.1 電壓采集電路設(shè)計(jì) 　　在蓄電池的端電壓測(cè)量方法上，對(duì)單個(gè)電壓量的測(cè)量方法非常簡(jiǎn)單。但最關(guān)鍵的是如何測(cè)量電池組中串聯(lián)在一起的單電池電壓。 　　本系統(tǒng)采用差動(dòng)放大調(diào)理加模擬開關(guān)的直接測(cè)量法，硬件電路如圖2所示。 　　信號(hào)調(diào)理電路由LM324 接成差動(dòng)放大電路，開關(guān)采用CD4051B，其控制端由微處理器端口通過N溝道MOS管2N7002引入，電壓測(cè)量精度能夠達(dá)到±10mV。 　　此電路的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快，抗干擾性強(qiáng)，能夠抑制溫漂，并且適合于高速頻繁測(cè)量，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合于電路板的小型化設(shè)計(jì)。 　　2.2 電流采集電路設(shè)計(jì) 　　電流是電池容量估計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此對(duì)其電流的采樣精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差的要求都很高。本系統(tǒng)選用森社電子CHB-500SG的電流傳感器，測(cè)量范圍0～750A，精度達(dá)到0.5%，工作溫度0～+70℃。 　　電流測(cè)量電路如圖3所示，R1是采樣電阻，充電時(shí)電流傳感器在R1上電壓為“+”，經(jīng)過運(yùn)算放大器后，AD0為“-”，AD1為“+”；放電時(shí)R1上的電壓為“-”，AD0為“+”，AD1為“-”。通過判斷AD0和AD1的值，就可分辨電池的充電狀態(tài)或放電狀態(tài)。 　　2.3 溫度采集電路的設(shè)計(jì) 　　電池溫度是評(píng)估電池的SOC和判斷電池能否正常使用的關(guān)鍵性參數(shù)，電池的溫度直接影響電池的充電效率。通常，溫度高，充電效率高，但是如果電池溫度太高，就可能造成電池的永久破壞。 　　成組使用的電池，單體電池之間的溫度差異會(huì)造成充電、放電的不均衡，導(dǎo)致電池壽命明顯降低。本系統(tǒng)采用由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)。該傳感器是單片型結(jié)構(gòu)，可以輸出9~12位的數(shù)字量，卻不需要外加A/D；測(cè)量精度可以達(dá)到±0.5℃。 　　通信采用單總線防議，對(duì)DS18B20的各種操作通過一條數(shù)據(jù)線即可完成，同時(shí)該數(shù)據(jù)線還可兼做電源線，具有連線簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)，特別適合與單片機(jī)合用構(gòu)成的溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)。 　　3 SOC估算方法 　　3.1 SOC概述 　　蓄電池的充電、放電過程是個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，蓄電池的電池容量會(huì)受到電池溫度、放電率、自放電率、充放電循環(huán)次數(shù)等多種因素的影響，所以，通過可以測(cè)量的電池參數(shù)對(duì)電池的容量狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)非常困難，在國(guó)內(nèi)外都是一個(gè)難題。目前，一般采用電池的荷電狀態(tài)SOC作為電池容量狀態(tài)描述參數(shù)，其數(shù)值定義為電池的剩余容量占電池容量的比值： 　　  　　式中：QC———電池剩余容量； 　　Q0———電池標(biāo)稱容量，電池標(biāo)稱容量定義為在理想狀態(tài)下電池在規(guī)定電流和溫度時(shí)的所能放出的容量。 　　通常，我們將荷電狀態(tài)100%定義為電池在一定溫度下充電到不能再吸收能量的狀態(tài)，荷電狀態(tài)0%則定義為電池完全不能釋放能量的狀態(tài)。 　　實(shí)際上電池往往是串聯(lián)使用，其容量一般由組內(nèi)品質(zhì)最差的電池決定。這樣，在實(shí)際使用中，我們認(rèn)為串聯(lián)電池組的容量就由放電容量最小的那只電池決定。 　　目前，制約電動(dòng)車實(shí)用化、商品化的因素之一就是精確判定蓄電池在不同工作狀態(tài)下的荷電狀態(tài)，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)荷電狀態(tài)的研究也一直是個(gè)熱點(diǎn)，對(duì)SOC的估算方法比較常見有開路電壓測(cè)量法、安時(shí)積分法、測(cè)量?jī)?nèi)阻法、數(shù)學(xué)建模法、模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法等。其中，模糊推理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法是未來的發(fā)展方向，但是太復(fù)雜。 　　3.2 系統(tǒng)采用的SOC估算方法 　　本系統(tǒng)綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和總體指標(biāo)要求，采用了安時(shí)積分法和開路電壓測(cè)量法相結(jié)合的SOC估算方案。基本的思路就是，先將不同狀態(tài)下不同電流的放電電量等效成特定電流下的放電量，用安時(shí)積分法來計(jì)算工作狀態(tài)中的鋰電池剩余容量；然后利用上電時(shí)的開路電壓進(jìn)行補(bǔ)償。 　　采用安時(shí)積分法，計(jì)算的工作狀態(tài)中的鋰電池等效放電電量公式如下： 　　 　　式中：t———放電時(shí)間； 　　λ———不同狀態(tài)的系數(shù)； 　　i———放電電流。 　　 　　式中：Q0———以規(guī)定電流恒流放電時(shí)電池具有的容量。 　　然后進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。對(duì)電池的補(bǔ)償計(jì)算需要我們事先對(duì)電池有較深的先驗(yàn)性認(rèn)識(shí)。 　　通過前期對(duì)電池的大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，能夠得出一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這樣的話，可以在系統(tǒng)每次上電時(shí)根據(jù)斷電的時(shí)間和上電開路電壓對(duì)SOC進(jìn)行適當(dāng)修正。 　　鋰離子電池在充放電過程中的端電壓變化大，難以測(cè)量和用來估算SOC，但是在電池靜止后，端電壓會(huì)逐漸穩(wěn)定，與容量的關(guān)系也是明確的。 　　于是，我們將將電池的停放時(shí)間t作為參數(shù)，在電池停放前的容量SOC0與電池穩(wěn)定后其端電壓所表征的容量SOC1做如下加權(quán)： 　　 　　式中：T———電池端電壓趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間；t———電池在兩次使用中間隔的停放時(shí)間；SOC0———電池停放前的剩余容量；SOC1———電池端電壓穩(wěn)定后的剩余容量。雖然理論上T是一個(gè)無窮長(zhǎng)的時(shí)間。但實(shí)際使用時(shí)可以將端電壓變化率小于一定值時(shí)的端電壓當(dāng)成穩(wěn)定的端電壓，此時(shí)的容量SOC可由電池供應(yīng)商的電池參數(shù)來確定。 　　4 試驗(yàn)結(jié)果 　　經(jīng)過調(diào)試和校準(zhǔn)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，特別對(duì)本系統(tǒng)所測(cè)試的某型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行了SOC估算的測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果能夠滿足要求。以SE100AH磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為例，其SOC開路電壓曲線如圖4所示，規(guī)定0.3C恒流放電至2.5V時(shí)SOC為0。 　　對(duì)1只SE100AH鋰電池進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證本節(jié)提出的SOC估算方案。為加快放電速度，首先將充滿電的鋰電池以1C的恒定電流放電至3.0V，再以0.3C的恒定電流放電至3.0V，之后使鋰電池處于開路狀態(tài)1小時(shí)，該鋰電池的端電壓、放電電流及放電電量隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。 　　由圖5可知，該電池放電電量為89.96Ah，擱置1小時(shí)后端電壓回升到3.1V；由圖4可知開路電壓3.1V對(duì)應(yīng)的剩余電量為10.65%。同時(shí)，規(guī)定電池端電壓穩(wěn)定所需時(shí)間為8小時(shí)。 　　則SOC0=（100Ah-89.96Ah）/100Ah100%=10.04%； 　　SOC1=10.65%；T=8；t=1。 　　將上述數(shù)值代入SOC加權(quán)計(jì)算公式可得： 　　 　　即該電池剩余電量為10.12%。由于該電池為剛出廠的新電池，因此由本節(jié)提出的SOC估算方案計(jì)算的剩余電量基本上與安時(shí)積分法得到的相同。 　　5 結(jié)論 　　本文介紹的這套電池管理系統(tǒng)經(jīng)過了性能試驗(yàn)、整車調(diào)試及500公里的實(shí)際運(yùn)行，整個(gè)過程中系統(tǒng)運(yùn)行基本正常，各項(xiàng)功能達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。本系統(tǒng)所采用的安時(shí)積分法和開路電壓測(cè)量法相結(jié)合的SOC估算方法，簡(jiǎn)單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)，較為準(zhǔn)確。但是由于受到電池自放電和充放電等因素影響，SOC估計(jì)值的誤差會(huì)逐步積累，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)建立更加準(zhǔn)確可靠的SOC模型。（陳方國(guó)　趙志偉　中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)471009）