教練用電動車能量管理系統狀態監測及SOC估算方法

周在芳，蹇小平，成振坤，馮 鎮，朱文艷

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

傳統駕駛員培訓教練車絕大部分時間都處于低檔位、慢車速狀態，油耗高、排放污染嚴重，而電動汽車在行駛過程中具有近乎零排放，不消耗石油等特點，已經得到大部分車輛生產商的青睞。因此，將燃油教練車改為純電動教練車具有非常可觀的實用意義與經濟意義。

本文教練用純電動車由駕校常用車SANTANA LX改制而成，改制后其組成同燃油車相同，包括能源及驅動部分、底盤、車身與電氣設備，能源及驅動機構作為其核心由電機驅動機構、輔助系統與能源系統三部分組成。另外該類車可以白天工作晚上充電，根據實際調研結果確定了該車日工作量所需能量，通過匹配確定了所需電池塊數和型號。通過綜合分析，我們采用了滿足研究要求且成本相對較低的鉛酸蓄電池4-D-135，其額定電壓8 V，額定容量135 Ah。

蓄電池作為該車能量的惟一來源，為將有限的能量發揮到最大化、及時了解蓄電池組的電量狀態，我們設計了一套能量管理系統，對蓄電池的運行參數進行適時在線監測，并將蓄電池參數檢測系統同電動機等動力監控系統相結合。

蓄電池性能狀態主要由電壓、電流、容量和內阻來體現，為了實現該系統的管理控制功能，我們需要選擇恰當的方法對上述4個參數進行測量，并予以顯示，方便駕駛員或檢修人員得知電池組狀況，及早地判斷出故障電池；然后通過一定的算法計算出電池的荷電狀態SOC、估計續航里程，并將結果傳給顯示儀表；同時將上述所測信號及SOC值輸送給控制器，實現統一管理和對整車的控制；最后，當蓄電池狀態參數及SOC值超過設定值時應實現報警功能。

通過綜合分析，最終得出各參數的以下測量方法和對SOC的估算方法。

1 參數監測方法

電池參數測量作為能量管理系統的核心任務，其主要功能是對電池電壓、電流、溫度及內阻數據進行采樣，對電池的荷電狀態SOC進行準確的預測并估計續駛里程。另外，為了方便管理及擴展，我們將電壓、電流、內阻及溫度的測量進行模塊化。

1.1 電壓測量

為避免電池的不均衡性導致的局部過充或過放所引起的安全問題，為了借助電壓差異盡早預測故障電池，要求監測系統必須對電池單體及幾個單體電池組的電壓進行測量。另外，控制器可利用電壓信號實現相關的修正，及對電池放電電流和電機等的控制。

常見電壓檢測方法有分布檢測法、集中檢測法、分布/集中檢測法、巡檢法等。集中檢測法引線多而長、布線復雜，從而易引入干擾、線阻較大、影響測量精度，安全性不好，集中檢測法通常用于蓄電池個數較多的檢測系統中。由于該教練車電池塊數少，我們無需考慮由于模塊多而造成費用高的問題，從設計簡單明了和測量準確穩定的角度，可以采用分布檢測法實現對各塊蓄電池的電壓測量。巡檢法技術成熟，成本低，解決了由于運算放大器等芯片的參數不均勻而引起的一致性差的問題。綜合分析，針對實際情況，分布檢測法、巡檢法均可采用，兩者具體介紹如下。

1.1.1 分布檢測法

分布檢測法是將單塊電池電壓及溫度的檢測模塊化，模塊和電池單體一一對應，通過一定的通信手段將各檢測模塊檢測的數據集中起來，然后統一處理。檢測原理見圖1，檢測模塊內部電路見圖2。

該檢測系統實現了檢測和通信兩大功能，檢測模塊要完成數據的采集任務，而通信模塊則要實現與主控部分的信號傳遞，即上傳由檢測模塊獲取的檢測數據，接收主控電路的指令。為適應汽車電器的發展方向，我們考慮采用CAN總線進行通信。

利用分布式模塊解決了參考點問題，利用CAN總線通信方式 (采用光耦器件)可以解決主控機與檢測模塊的隔離問題。

通常分布檢測法的主要優點有：①連線簡單、性能可靠；②省去了多路轉換開關；③可達到較高的測量精度；④符合汽車電器總線化的趨勢。

分布式檢測還必須解決以下幾個問題：①檢測模塊與電池組之間一般沒有隔離，易造成干擾；②當模塊較多時，使得成本和復雜度提高，并對通信總線的負載能力有較高的要求；③由于檢測模塊由被測電池供電，所以檢測模塊的功耗要盡可能的小，否則過多消耗蓄電池的能量，減少了蓄電池組用于行駛的能量[1]。

1.1.2 巡檢法

該巡檢法測量結構如圖3所示，設計通過移位開關電路依次選通被測回路，通過A／D采集單路數據，完成數據采集。電路中的信號巡檢部分如圖4所示，電路共n路輸入 （由電池塊數決定），圖4中只表示出其中兩路。

該測量方法具有以下優點：①電路簡單——PCB板制作和布線過程得以簡化；②成本低——采集電路中主要成本來自ADC，而該電路只需要1個ADC；③能夠解決由于運算放大器等芯片的參數不均勻而引起的一致性較差的問題[2]。

1.2 內阻測量

內阻是反映電池性能的重要參數，電池處于不同的電量或處于不同的使用壽命狀態下，它的內阻值是不一樣的。通常情況下，內阻小的電池放電能力強，而內阻大的電池放電能力弱，因此依據電池內阻可以迅速而可靠地診斷電池狀況。

事實證明，在直流測試的情況下，其內阻與容量相關系數很高，通過大量的試驗可得出其相關系數。所以可以通過測量蓄電池的內阻，對其性能狀態及健康情況進行評估。

內阻的測量方法主要有直流法和交流法，由于直流測電阻需要串聯一個相對較大的輔助電阻，消耗了過多的蓄電池能量，所以本方案采用交流法對內阻進行在線測量，即向被測電池輸入一個交流低頻小信號，測量其反饋的電壓值，通過電壓與電流的比值，即可得到蓄電池的內阻。采用交流法對單電池內阻進行在線檢測，原理圖如圖5所示。

測量時先接通KA和KB，測量電流有效值為I，然后接通開關K1與K2，測出E1上交流電壓的有效值，由這兩個測量值算出電池E1的內阻：R1=U1／I。同理依次接通開關Ki和Ki+1，測得電池Ei上交流電壓有效值，就測得各電池的內阻

1.3 電流測量

電流信號的采集由高精度的電流傳感器完成，可以選擇霍爾傳感器，其抗干擾能力強、響應時間短、精度高。另外，雖然電壓、電流測量被分開說明，但它們被集中于同一個模塊中。

因為蓄電池串聯連接，整體電流與每塊蓄電池電流相等，所以只需測蓄電池的輸出電流，即電動機的輸入電流即可。

經電流傳感器轉換后電流信號變為正負電壓信號，將這個電壓信號經過一個加法器進行適當處理后輸入給反相比例放大器，將功率放大后送入A／D芯片進行處理，此時完成了電流采集任務[4]，其電路如圖6所示。

1.4 溫度信號采集

具體測量方案如下：為節省空間、合理布局，蓄電池將被裝在電池箱中，為保證溫度測量的準確性,根據需要在每個電池箱內設置若干個測溫點,溫度傳感器均勻分布在電池單體上，傳感器適時進行溫度數據的巡檢。

溫度的采集通道由溫度傳感器、低通濾波器以及A/D轉換電路組成。溫度傳感器可采用熱敏電阻，經RC低通濾波器后的溫度信號經由模擬多路開關送給A/D實現模數轉換，溫度檢測電路如圖7所示[5]。

2 SOC估算實現

2.1 SOC的定義

蓄電池的荷電狀態 SOC(state of charge)是蓄電池中最重要的一個概念，被用來反映電池剩余電量。對于蓄電池，SOC在數值上等于電池剩余容量和電池總容量的一個相對量，通常把一定溫度下，蓄電池充電到不能再吸收電量時的電量狀態定義為SOC=100%，而將蓄電池再不能放出電量時的電量狀態定義SOC=0。如下式所示

式中：Cr——電池的剩余電量；Cn——電池的額定容量。

蓄電池荷電狀態SOC是不能直接測量到的，只能通過對電池外特性參數 (U、I、T、R)的檢測，然后運用一定的關系推斷得到。

2.2 SOC的計算方法

目前國內外主要采用的計算方法有開路電壓法、安時累積法、內阻法、放電測試法、神經網絡及卡爾曼濾波等。但這些方法單獨使用時都存在不同程度的缺陷。神經網絡法需要對其模型進行訓練以得到大量的所需數據；而卡爾曼濾波法計算量太大；放電測試法需要較長時間，并且需停止電池工作，一般用于電池維修[4]；開路電壓與初始電量有一個明確的關系，具體關系可以通過實測來確定，所以開路電壓法在充電初期和末期系統穩定時SOC估計效果好。內阻與電池SOC的對應關系并非完全線性，具體關系需要通過大量試驗來獲取，導致SOC系統設計復雜，所以內阻法實現起來也有一定的難度。

相較而言，安時累積法更簡單可靠且易于實現，綜合分析，我們采用開路電壓法與修正的安時累積法相結合實現SOC的估算，因為電池容量與蓄電池開路電壓有較確定的關系，所以配合使用開路電壓法，通過測量電池的開路電壓來預測蓄電池的初始容量，之后用實時的檢測電流對時間進行積分運算，此外加上充放電次數、自放電、充放電倍率及溫度這些因素的修正，從而求出SOC值。

本系統采用修正的安時累積-開路電壓法。基本公式如下

式中：En——電池初始電量；δ——充放電效率系數；i——當前電流，充電時為負，放電時為正。

由于蓄電池工作時容量會隨充放電次數、自放電、充放電倍率、溫度等因素影響而變化，計算時對其作修正。最后得出SOC計算公式如下

式中：δ——充放電倍率；Wc——充放電次數修正；Wz——自放電修正；Wt——溫度修正。電池初始容量En通過測試開路電壓，按照確定的關系計算得出。

3 結論

1）本文對電池狀態的主要參數：電壓、電流、溫度、電阻的檢測方法進行了研究。根據實際情況分別設計了合理的檢測方法，但測量方法還有待完善。

2）目前提出的SOC計算方法較多，各有各的優缺點。應用廣泛、技術較成熟的是安時累積法，為了彌補安時累積法的缺點，我們將此方法結合開路電壓法對SOC進行估計。

3）線性模型法、神經網絡法和卡爾曼濾波法是比較前沿的方法，仍需要不斷研究探索。

4）考慮了電池充放電倍率、溫度、自放電、老化等因素對電池SOC的影響，使計算結果更加精確。

5）由于內阻與剩余電量存在一定的關系，具體關系是什么，以及如何有效合理地利用這一關系來估計SOC，仍需繼續研究。

6）蓄電池各參數測量模塊化，非專業人員就可應用，而不需重新研究設計、搭建硬件等。并且該測量系統不局限于蓄電池參數的測量，在其他領域 （只要是對多個溫度、電壓、電流這些模擬量的測量）也可以使用。同時結構緊湊、節約空間，也節約成本。另外，在以后的工作中，我們將對各模塊統一供電，以減少對蓄電池的電量消耗。

［1］蹇小平.電動汽車蓄電池參數集中/分布檢測法[J].長安大學學報：自然科學版，2007，5（27）：103-106.

［2］盧居霄，黃文華.電動汽車電池管理系統的多路電壓采集電路設計[J].電源技術，2006，（5）：103-106.

［3］包天悅，蔣京頤.蓄電池組電容量的在線分析系統[J].科學技術與工程，2011，5(11)：1073-1077.

［4］馬茲林，羌嘉曦，冒曉建.電動汽車蓄電池參數監控系統研究[J].機械工程技術，2008，4（37）：21-24.

［5］張家敏，曾 潔，張麗艷.電動汽車的蓄電池參數監控設計[J].儀器儀表學報，2006，6 （27）：223-226.