基于安時法的電池剩余電量檢測方法

基于安時法的電池剩余電量檢測方法

0基于動態(tài)剩余電量的測量算法許多電動汽車使用電池作為動力。與傳統(tǒng)汽車的功能一樣，電池剩余的能源為電動汽車的可持續(xù)行駛距離提供了強有力的數(shù)據(jù)，這對正確測量也很重要。由于電池的充電狀態(tài)即SOC(stateofcharge)不能直接測量,只能通過其外在特性如電壓、電流、內(nèi)阻、溫度等參數(shù)的變化來估計電池的剩余電量。電池的有效容量受到放電電流、電解液溫度、自放電和非恒定放電電流放電條件下恢復效應等因素的影響,因此,以上參數(shù)與剩余電量的關(guān)系并不是一成不變的,而是隨著電池的不斷老化而發(fā)生變化,其規(guī)律是不可預見的,從而增加了電量檢測的復雜度及檢測誤差。目前,電量檢測的基本方法有密度法、開路電壓法、安時法、內(nèi)阻法等等,這些方法雖然簡單,但都只考慮了與電池容量有關(guān)的一個因素,因此測量精度低,或者不能實現(xiàn)電池的在線測量。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展和精度要求的提高,將上述多種基本方法組合起來進行檢測的方法正逐步得到實際應用,如內(nèi)阻-安時法,Peukert-安時法等等。另一種方法是采用專用電池監(jiān)測芯片如DS2438,但這種方法成本高,而且需要采樣電阻,不適合在大電流的場合下應用。該文以安時法為基礎,根據(jù)電池充放電特性,提出了一種易于工程應用的剩余電量計算方法,該方法可通過MCU實現(xiàn),并可嵌入到其他車輛儀表中去,以降低硬件開支。1檢測原理1.1放電過程中電池端電壓下降一般稱放電時電池端電壓隨時間的變化曲線為電池的放電特性曲線,如圖1的曲線OEFG所示。從圖中可以看出,放電曲線基本上由3部分組成:放電開始時,電池端電壓沿著OE快速下降;然后端電壓變成沿EF緩慢下降;最后在曲線的G點以后,端電壓急劇降低,一般認為,此時電池已經(jīng)沒有能量了,繼續(xù)使用將會損壞電池。圖1中OABCD曲線為充電特性曲線,可見,充電過程也可分為充電初期電壓急劇上升(OA段)、緩慢上升(ABC段)、快速上升(CD段)和端電壓平衡段(D點后),到D點后,可認為電池已經(jīng)充滿電了。1.2電池釋放電量的測量電量不方便直接測量,所以常根據(jù)電流來計算。根據(jù)電流強度的定義,可以得到如下公式來計算放電量(負時為充電量):q(t)=t0i(τ)dτ(1)根據(jù)能量守恒定律,理想情況下電池放出的電量應等于充電時充入的電量,所以只需測出電池充電時充電電流和充電時間就可以知道電池的實際電量Q0,再測出電池的放電電流和放電時間就可以得出電池放出的電量,用實際電量減去輸出電量就可以算出電池的剩余電量。但是電池工作電流隨加減速、負載、路況的不同而發(fā)生變化,因此i(t)是個隨機信號,不能直接用式(1)計算電量。但是i(t)變化速度相對較慢,可以用下面的方法近似計算:q(t)=∑n=0ti(nΔt)Δt(2)q(t)=∑n=0ti(nΔt)Δt(2)式中Δt為采樣時間,只要Δt足夠小,就能精確計算出電池釋放的電量,但這必然會增大計算量。據(jù)統(tǒng)計,i(t)的變化時間一般小于200ms,故根據(jù)采樣定理,選取Δt≤100ms就可以保證離散信號i(nΔt)攜帶原始信號i(t)的全部信息,實際應用時應根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間、CPU速度和精度要求選擇合適的采樣時間。1.3電池老化補償系數(shù)的計算電池容量受到溫度、老化、自放電等諸多因素的影響,電池實際電量Q0也隨著這些因素而發(fā)生變化,因此必須進行補償。補償后的實際電量采用公式(3)來計算:Q0=KTKAQN(3)式中QN為電池額定容量,KT,KA分別為溫度補償系數(shù)和電池老化補償系數(shù)。這些系數(shù)通常是非線性的,可以通過實驗的方法來得到,但是最好按照電池廠家提供的曲線來進行修正。實際應用時應事先算好,以表格的形式存儲在存儲器中,計算時采用插值算法,可以大大減小計算量。根據(jù)上述分析,可得電池剩余電量百分數(shù):qr(t)=(Q0?q(t))Q0×100%(4)qr(t)=(Q0-q(t))Q0×100%(4)2系統(tǒng)的硬件設計2.1處理器的設計與實現(xiàn)系統(tǒng)硬件由微處理器、定時器、數(shù)字I/O、兩路放大器與A/D轉(zhuǎn)換、通信接口和EEPROM組成,框圖如圖2所示。其工作原理為:電流傳感器檢測電池的充放電電流,溫度傳感器測出電池的溫度,兩路模擬信號經(jīng)濾波、放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號送微處理器,微處理器根據(jù)式(4)計算出剩余電量的百分比,最后通過LED顯示出來。通信接口用來將電池補償系數(shù)表格送入處理器,并存儲在EEPROM中,每次系統(tǒng)初始化時會從EEPROM讀入這些數(shù)據(jù)用于計算。EEPROM還用來存儲電池的充放電次數(shù),每當電池連續(xù)放電到容量小于20%時,該計數(shù)器就加1,電池老化補償系數(shù)就根據(jù)該計數(shù)值查表來確定的。按照這種結(jié)構(gòu)制作樣機,處理器采用飛思卡爾的低功耗高性能8位單片機MC68HC908GR8A,片內(nèi)有2個16位的定時器、6個8位的ADC、1個SCI、1個SPI和最多21個通用I/O口。利用SCI2.2溫度采樣程序和通信模塊按照上述方法,該儀表軟件應包含如下幾個模塊:主程序模塊、定時器中斷模塊、A/D采樣模塊、顯示模塊和通信模塊。主程序流程如圖3所示,定時器中斷流程見圖4。由前面的分析,電流采樣時間要小于100ms才能得到其全部信息,這里將定時器中斷設為50ms,即每50ms發(fā)生一次定時器中斷。又由于溫度的變化相對緩慢,所以將溫度采樣周期設為200ms。同樣,顯示屏刷新周期也為200ms。3電池電量檢測技術(shù)由于電池特性隨著多種因素在改變,其中存在著許多不確定因素,無