基于老年代步車的電池能量管理系統設計

查懿倫

摘 要

本文主要研究對象是老年代步車的電池能量管理系統，根據鋰電池的優良特性，使用磷酸鐵鋰電池，設計電池能量管理系統的系統結構圖，針對鋰電池使用過程中估算電池荷電狀態問題，提出一種新型的soc估算方法，對電池能量管理系統進行總體設計，再進行系統設計與分析，檢測出soc估算的可操作性。

關鍵詞

電池能量管理系統;系統結構圖;soc估算;系統設計與估算

中圖分類號： TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 47

Abstract

In this paper， the main research object is old walking car battery power management system， according to the excellent characteristics of lithium batteries， using lithium iron phosphate batteries， battery energy management system system structure diagram， for lithium battery used in the process of estimating the battery charged state issues， put forward a new kind of soc estimation method， the battery energy management system for the overall design， systems design and analysis， to detect the operability of soc estimation.

Key words

Battery energy management system; System structure diagram; Soc estimation; System design and estimation

0 引言

老年代步車作為一種老年人出行工具，將逐漸成為社會的潮流。老年代步車的關鍵在于其動力電池，動力電池及其應用技術的產業化發展，也是制約老年代步車產業化發展的瓶頸。其中，電池能量管理系統是動力電池應用技術的核心。鋰電池以較為優良的自身特性，在眾多種類的電池中脫穎而出。本文主要設計的電池為磷酸鐵鋰電池，它的主要優點在于材料成本低，鐵儲量豐富，體積重量小，超長壽命等，其性價比在電池行業中首屈一指。

作為電池能量管理系統，其剩余電量是最重要的指標之一，對剩余容量的估計也是本文的核心之一，選擇合適的soc預測算法，再對電池能量管理系統主控系統進行設計，最后用實驗檢測系統的可操作性以及可靠性。

1 soc估算方法的選擇

這個定義是理想化的定義，沒有考慮到電池壽命，以及溫度，充放電時間、次數，對電池的影響，所以選擇合適的預估方法尤為重要，最常見的幾種預估方式有以下幾種：（1）安時積分法，也成庫倫計量法，是把不同電流下的放電電量等效于某個特定電流下的放電電量。（2）放電試驗法;主要采用恒定電流對電池進行連續放電至終止電壓，放電電流與時間的乘積即為使用電量。（3）開路電壓法，工作電流為零時的情況下，通過測量動力電池的開路電壓來估計電池的soc。（4）內阻法，一般運用于鉛酸電池與鎳氫電池。（5）神經網絡法與模糊控制法，模擬人腦來進行信息的傳輸，具有較好的自學習性。（6）卡爾曼濾波法。

由于卡爾曼濾波法與神經網絡法雖然能較好地估計soc，但其涉及的運算量太大，且需要的數據太多，建立的模型較為復雜，故在本次設計中不采用這幾種方法。安時積分法在充放電初期與末期對soc有較好的估計作用，但是在充放電其他時刻的估計效果較差，所以我們采用開路電壓法結合安時積分法對soc進行預估。

2 soc方案的估計

要驗證soc方案的可取性以及可靠性，可以利用充放電實驗來檢測，由于其鋰電池的特殊性，需要靜置45分鐘以上才可以保證充電電壓與電流的穩定性，提高估算的精度。而且在實驗過程中，不應該只計算一次soc的值，為了soc的估算可靠，應該多測量幾次取平均值。

2.1 soc充電方案估計流程圖

流程圖說明：主控系統采集到的電壓信號進入系統，判斷兩次開關機時間間隔，在開路電壓法中，當開機時間間隔大于45分鐘時，開路電壓才穩定，測得開路電壓以后，可以通過查找開路電壓表獲得對應的剩余容量初始值。最后再根據模型公式求得最終的剩余容量。

2.2 soc放電方案估計流程圖

流程圖說明：將電流采集模塊采集到的電流信號傳輸給主控制器，進入主控制器以后，判斷兩次開機時間間隔，若間隔大于45分鐘，進行開路電壓的測量，若小于45分鐘，直接讀取上一次的荷電值，在測量完開路電壓以后，在開路電壓表里查找對應的荷電量初始值用來進行放電工作，先將電池放電一段時間，再計算出放電時間，看是否大于15分鐘，如果大于15分鐘就進行負載電壓的測量以及當前時刻荷電量的計算，再通過查找負載電壓表得到當前狀態下的荷電量，與求出來的當前時刻的荷電量做和取平均值，這樣可以增加電池荷電量的準確度。

3 電池管理系統的硬件設計

本設計中的電池能量管理系統，主要應包括電池的數據采集模塊，主控模塊、均衡模塊以及通訊輸模塊幾大部分，其中數據采集模塊主要包括電流采集模塊、電壓采集模塊、溫度采集模塊，通訊模塊主要采取的是CAN總線通訊方式。本次電池能量管理系統的機構圖如下圖3所示。

從圖中可以看出，在充放電過程中，先將電壓信號，電流信號以及溫度信號通過數據采集模塊傳輸到主控系統上，主控系統通過建立的數學模型，確定的模型算法來估算電池的soc，同時主控系統還包括了安全管理控制，熱管理以及能量管理幾大部分，將處理好的信號通過CAN總線發送給互聯網，互聯網將接收到的信號進行分析、處理，最后將處理完成的信號發送給PC與手機，實現了鋰電池的充放電的能量管理。其中主控系統是整個系統的核心，對整個系統的設計主要就是對主控系統的設計，在主控芯片選擇的基礎上，應當考慮計算能力強，處理速度快，功能完善，功耗低，工作頻率高，存儲容量大，集成度高等特性，所以主控芯片可以選擇STM32f103系列。

4 系統的檢驗與結論

本設計主要是用實驗檢驗電池能量管理系統的優越性，實驗用到的設備跟儀器主要有以下幾樣：鋰電池電池組、STM32f103系列主控制器、PC機一臺、手機一部、數字萬用表、穩壓電源、示波器等。用組建好的實驗平臺測試電池能量管理系統的穩定性以及可靠性，由于實驗存在一定的誤差，所以需要多次反復測量取平均值，將得到的實際平均值與理論平均值做對比，得到的誤差在3左右，所以可以證明本設計用開路電壓法結合安時積分法是一種合理的估計soc的方式。

參考文獻

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