鋰離子蓄電池充放電電流采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋰離子蓄電池充放電電流采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1鋰離子蓄電池充放電電流采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用高能量密度、無記憶效應(yīng)和循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電動汽車。為優(yōu)化蓄電池電力系統(tǒng)效率和提高蓄電池壽命,對蓄電池容量的實(shí)時監(jiān)控必不可少。蓄電池的溫度、電流和單體電壓等參數(shù)可通過傳感器直接測量,而反映其容量的關(guān)鍵參數(shù)荷電狀態(tài)(SOC)不能直接進(jìn)行測量?；阡囯x子蓄電池的充放電實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的鋰離子蓄電池充放電電流采集系統(tǒng)。通過使用信號調(diào)理模塊、多級濾波去除干擾技術(shù)和高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對電流的高精度采集。2安時計(jì)量法socSOC參數(shù)只能使用工作電壓、電流等直接測量得到的參數(shù)估算獲得。安時計(jì)量法是目前最常用的SOC估計(jì)方法之一,其估算公式為:式中:SOC0為電池初始SOC;C為電池額定容量;i為電池充放電電流,充電為正,放電為負(fù);η為充放電效率。安時計(jì)量法應(yīng)用中有3個主要問題:方法本身無法給出SOC0;電流測量不準(zhǔn)確將造成SOC計(jì)算誤差,長時累積,誤差會越來越大;必須考慮電池的充放電效率。如果電流測量準(zhǔn)確,有足夠的估計(jì)起始狀態(tài)的數(shù)據(jù),安時計(jì)量法是一種可靠的SOC估計(jì)方法。由于準(zhǔn)確測量SOC0有很大困難,因此通過提高測量電流精度來提高SOC估算精度有重要的意義。3bts-400充放電數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)對鋰離子狀態(tài)參數(shù)的有效估計(jì),利用硬件設(shè)備和LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺構(gòu)建了如圖1所示的鋰離子電池實(shí)驗(yàn)臺。Digatron電池性能測試系統(tǒng)的操作軟件BTS-600可實(shí)現(xiàn)對充放電過程的編程,并且記錄充放電過程中的電流、電壓、溫度、累積安時數(shù)、累積瓦時數(shù)等信息,其電流采樣精度為±0.25%。電池為16節(jié)錳酸鋰離子電池,單體標(biāo)稱電壓為3.6V,室溫充放電實(shí)驗(yàn)得出實(shí)際容量為86.5Ah。電流信號由數(shù)據(jù)采集卡采集后在LabVIEW中進(jìn)行多點(diǎn)平滑濾波,并通過CAN總線發(fā)送給電池管理模塊,周期300ms。電池管理模塊通過接收到的電流及采集到的電壓和溫度信息估計(jì)電池SOC,最后通過CAN總線送給PC顯示終端。4pxi平臺和電池管理模塊的設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確采集與傳送電流信號,構(gòu)建了圖2所示的電流采集系統(tǒng),主要由面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展(PCIExtensionsforInstrumentation,簡稱PXI)平臺、信號調(diào)理模塊、電池管理模塊和傳感器四部分組成。PXI是一種基于PC,且專用于測試、測量與控制的開放式硬件平臺。NIPXI-6259是一款具有16位精度A/D的高速M(fèi)系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)快速精確的多通道掃描。NIPXI-8461是一款具有2端口的高速CAN卡。PXI平臺主要完成采集電流信號和總線傳輸數(shù)據(jù),監(jiān)測測試過程,保存、分析和顯示仿真結(jié)果等功能,實(shí)現(xiàn)這些功能的方式為:(1)通過數(shù)據(jù)采集卡PXI-6259采集電流信號;(2)通過高速CAN接口卡PXI-8461發(fā)送數(shù)據(jù)采集卡采集的電流信號到電池管理模塊,并接收電池管理模塊反饋的電池狀態(tài)參數(shù),實(shí)現(xiàn)對電池管理系統(tǒng)的檢測和控制。信號調(diào)理模塊可將電流信號轉(zhuǎn)換為NI采集卡可直接測量的電壓信號。由于電流傳感器具有方向性,因此設(shè)計(jì)如圖3所示的信號調(diào)理模塊。當(dāng)充電時,M為正,電流流向?yàn)閕0,所測信號為U1。當(dāng)放電時,M為負(fù),電流流向?yàn)閕1,所測信號為U2。當(dāng)測量U2時,采用運(yùn)算放大器將負(fù)信號轉(zhuǎn)換為正信號,其中Rf=R1。U1和U2的計(jì)算公式為:使用PXI-6259的兩個模擬輸入通道AI0和AI1對U1和U2運(yùn)用差分模式進(jìn)行測量。電池管理模塊監(jiān)測電池狀態(tài),其上運(yùn)行SOC估計(jì)的核心算法。通過接收CAN總線上的電流信號,再將蓄電池的狀態(tài)參數(shù)反饋回PC顯示終端。傳感器主要作用是獲取鋰離子蓄電池充放電電流。電流傳感器選用誤差小于千分之二的高性能LEM霍爾式電流傳感器。由于其精度較高、線性度良好、溫漂低、反應(yīng)時間快、頻帶寬、無插入損耗、電流過載能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng),故被廣泛應(yīng)用于測量電流精度要求較高的測量系統(tǒng)。PXI平臺和電池管理模塊通過CAN總線傳遞數(shù)據(jù)。啟動仿真后,監(jiān)控程序以300ms的運(yùn)算周期將PXI-6259采集卡采集的電流信號發(fā)送到CAN總線,電池管理模塊接到數(shù)據(jù)后再通過CAN總線將蓄電池狀態(tài)參數(shù)返回給監(jiān)控程序。5pxi平臺及模擬程序軟件分為電流采集和監(jiān)控程序兩部分。LabVIEW是一種圖形化編程語言,可提供的豐富圖形控件及圖形化編程方法;豐富的范例程序極具參考價值,易于實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)采集和輸出功能,確保了PXI平臺和驅(qū)動器的可靠數(shù)據(jù)交換。監(jiān)控程序主要監(jiān)測測試過程,保存、分析和顯示測試結(jié)果。電流采集程序主要實(shí)現(xiàn)電流信號的輸入輸出以及濾波處理。6動態(tài)測試測試電流蓄電池在60A充電50min,圖4a為Digatron電池性能測試系統(tǒng)存儲電流和數(shù)據(jù)采集卡采集電流的曲線圖;圖4b為兩電流的相對誤差;圖4c為動態(tài)測試下的電流比較;圖4d為動態(tài)測試的相對誤差分析。將NIPXI-6259數(shù)據(jù)采集卡采集電流進(jìn)行進(jìn)一步濾波后曲線效果與Digatron電池性能測試系統(tǒng)存儲電流基本一樣。系統(tǒng)采樣精度和采樣頻率高,能準(zhǔn)確采集電流和電壓的動態(tài)變化,同時,該系統(tǒng)能設(shè)置不同的濾波帶寬,從而進(jìn)一步拓展了系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。7快速構(gòu)建蓄電池充放電電流采集系