車用蓄電池檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

車用蓄電池檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

目前，電動(dòng)汽車已廣泛使用，但電動(dòng)汽車電池的檢測(cè)技術(shù)和功率反饋存在信息獨(dú)特、精度低的缺點(diǎn)，因此，其應(yīng)用需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。蓄電池是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心,它的性能好壞直接影響著汽車的行駛能力。為了更好地維護(hù)蓄電池性能,需要實(shí)時(shí)了解蓄電池的當(dāng)前狀況,以提高蓄電池的工作效率,延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。文中基于8051單片機(jī)最小系統(tǒng),針對(duì)在線蓄電池工作狀況,采用安時(shí)積分法與開路電壓法相結(jié)合的電量檢測(cè),設(shè)計(jì)了新型車用蓄電池檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀主要針對(duì)車載系統(tǒng),其硬件電路能對(duì)車用蓄電池各個(gè)參數(shù)(包括單體電池端電壓,放電電流,電池溫度等)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線采集,電壓測(cè)量采用高線性度的光電耦合器進(jìn)行隔離,電流測(cè)量采用霍爾型電流傳感器,從而將主回路高壓大電流信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng),精度高。1蓄電池管理系統(tǒng)蓄電池是一種可循環(huán)充電電池。目前蓄電池種類較多,常用蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等,其他還有鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池、鋅空氣蓄電池、鋁空氣蓄電池等諸多種類。目前,鉛酸蓄電池的技術(shù)比較成熟,并且新推出的密封閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池應(yīng)用較廣,特別是在電動(dòng)自行車領(lǐng)域。它采用全密封防漏設(shè)計(jì),解決了電池失水問題,可免維護(hù)運(yùn)行,且具有容量大、比能量高、自放電小、使用壽命長(zhǎng)、密封效率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn),符合動(dòng)力電池的要求。針對(duì)蓄電池管理系統(tǒng),已有許多相關(guān)研究,并取得較為成熟的結(jié)果。一般情況下,電池管理系統(tǒng)主要組成有:數(shù)據(jù)采集、電池狀態(tài)估計(jì)、能量管理、熱管理、安全管理、人機(jī)界面等。12數(shù)據(jù)采集獲取電池工作狀態(tài)參數(shù)和相關(guān)環(huán)境參數(shù),包括電池端電壓、充放電電流、電池溫濕度、環(huán)境溫濕度等。2剩余容量信息電池狀態(tài)包括電池荷電狀態(tài)(SOC)和電池健康狀況(SOH)兩方面。其中荷電狀態(tài)給出電池剩余容量相關(guān)信息;健康狀況給出與電池壽命相關(guān)的信息,可以近似表征電池的老化程度;3能量管理根據(jù)電池相關(guān)狀態(tài)信息控制電池充放電;4安全管理監(jiān)視電池電壓、電流、溫度,防止電池的過充、過放電;5熱管理控制電池組的溫度均衡,保證電池組工作在適宜溫度環(huán)境下;6電池信息信息電池狀態(tài)的顯示,按鍵控制接口,報(bào)警裝置等。使人能方便獲知電池的相關(guān)信息。文中采用單節(jié)電壓為12V、容量20AH的常新力牌全密封閥控式免維護(hù)電池作為操作對(duì)象,對(duì)整組4節(jié)串聯(lián)48V蓄電池組進(jìn)行運(yùn)行分析,用以測(cè)試檢測(cè)儀。2單體電池電壓平衡度計(jì)算方法電池組由若干節(jié)電池組成,而單節(jié)電池內(nèi)部又由多個(gè)單體電池組成。單體電池是電池組的基本組成單位,一般一個(gè)單體電池電壓為2V,6個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)成一節(jié)12V電池。由于生產(chǎn)工藝和成產(chǎn)過程的不一致,導(dǎo)致電池內(nèi)部單體電池彼此之間的容量有偏差,從而直接導(dǎo)致電池間容量的偏差。由于電池是以串聯(lián)方式使用,因此,如果各節(jié)電池之間存在容量不平衡,就不可避免地在整組電池中發(fā)生部分電池過充、過放或虧充的現(xiàn)象。其結(jié)果將導(dǎo)致電池性能的惡化,電池間的不平衡程度進(jìn)一步拉大,進(jìn)入惡性循環(huán)。因此,及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)電池組的不平衡現(xiàn)象,找出落后電池(即電壓比較低的電池),對(duì)維護(hù)電池性能具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通常判斷電池不平衡的方法是對(duì)單體電池電壓進(jìn)行跟蹤檢測(cè)與比較。而6節(jié)單體電池封裝為單節(jié)電池,統(tǒng)一對(duì)外部提供接線端,故不易測(cè)得單體電池的端電壓。因此,一般是檢測(cè)電池組中單節(jié)電池的端電壓。其依據(jù)為:如果一節(jié)電池內(nèi)的某一單體電池發(fā)生故障,則很難被平均效應(yīng)所掩蓋,即內(nèi)部單體電池的故障狀況可以通過單節(jié)電池反映出來,同時(shí)電池組故障處理的最小單位是單節(jié)電池。文中采用分電池檢測(cè)法,對(duì)于每節(jié)電池提出平衡度的概念,即pi=1?Umax?UiΔUmax(1)pi=1-Umax-UiΔUmax(1)其中:pi為第i節(jié)電池的平衡度(i=1,2,3,4);Umax為電壓最高電池的電壓值;Ui為第i節(jié)電池的電壓值;ΔUmax為最大允許電壓差。因此,平衡度越高證明電池組平衡性越好,當(dāng)有電池平衡度小于0時(shí),檢測(cè)儀會(huì)發(fā)出警報(bào)。3安時(shí)積分法采樣文中采取開路電壓法結(jié)合安時(shí)積分法檢測(cè)剩余容量。由于電動(dòng)車屬于間歇工作模式,一般電動(dòng)車開始運(yùn)行之前,都經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間停車,則可認(rèn)為每次電動(dòng)車啟動(dòng)前測(cè)取的電壓即為電池開路電壓(排除停車后給電動(dòng)車充電并一直浮充至下次啟動(dòng)前的情況)。而在運(yùn)行過程中電壓不穩(wěn)定,無法測(cè)取,此時(shí)采用安時(shí)積分法。根據(jù)電池電量定義,可以得出電池充放電量CD與充放電流i的積分關(guān)系為CΔ=∫t2t1t1t2i(t)dt(2)對(duì)式(2)進(jìn)行計(jì)算機(jī)采樣實(shí)現(xiàn),其離散模型為CΔ=∑n=0ji?(nT)×T(3)CΔ=∑n=0ji*(nΤ)×Τ(3)其中:T為電流采樣周期;i*(nT)為電流采樣值;j為控制積分時(shí)長(zhǎng),即放電時(shí)間。得出電量變化之后,再根據(jù)積分前電量初始值CM就可得出當(dāng)前剩余電量CR=CM-CΔ(4)安時(shí)積分法原理較為簡(jiǎn)單,但要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余容量,還需要考慮放電電流、溫度以及電池老化對(duì)容量的影響。由于安時(shí)積分法得出的變化電量CΔ幾乎不受上述因素影響,可認(rèn)為近似準(zhǔn)確值;而確定初始電量C0時(shí)則需考慮上述影響。1不同放電電流中標(biāo)準(zhǔn)容量的轉(zhuǎn)換在這些因素中,放電電流對(duì)容量的影響最為明顯。根據(jù)Peukert方程,電池放電電流I與容量C的關(guān)系為C=KI1-n(5)其中,K,n為常數(shù),n一般大于1。式(5)反映了放電電流越大,電池實(shí)際容量越小。如,標(biāo)準(zhǔn)容量20AH對(duì)應(yīng)的是4A的額定電流,在此電流下可放電5h;如果電流增大到5A,放電時(shí)間卻會(huì)小于4h,因此實(shí)際容量則小于20AH。故實(shí)際運(yùn)算時(shí),初始電量C0采用標(biāo)準(zhǔn)容量,并將變化電量CΔ轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)變化電量。由于對(duì)于同一組電池,其K值相同,定義:ai=CiCN1=(iIN)1?n(6)ai=CiCΝ1=(iΙΝ)1-n(6)其中:ai為放電電流i下的電流修正系數(shù);IN,CN1分別為標(biāo)準(zhǔn)放電電流以及相應(yīng)的額定容量。這些可直接由電池廠商提供的數(shù)據(jù)得出,n值可根據(jù)不同電流下的放電曲線簇求取。2放電時(shí)電池剩余容量溫度是影響容量的第二大因素,主要表現(xiàn)為:溫度上升,蓄電池能放出的能量就變大,反之則減小。溫度與剩余容量一般關(guān)系為Cs=CN2(1+K1(s-sN))(7)式中:sN為標(biāo)準(zhǔn)溫度;CN2為標(biāo)準(zhǔn)溫度下對(duì)應(yīng)的容量;K1為溫度系數(shù)。類似地,定義容量的溫度修正系數(shù)βs為βs=CsCN2=1+K1(s?sN)(8)βs=CsCΝ2=1+Κ1(s-sΝ)(8)其值可根據(jù)溫度系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)溫度直接得出。因此,在一小段時(shí)間Δt內(nèi),設(shè)電池溫度為s,電流大小為i,則其消耗電量ΔCis=iΔt,將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電流下消耗電量ΔCN,則有以下公式:ΔCN=ΔCisaiβs(9)ΔCΝ=ΔCisaiβs(9)由此可得,標(biāo)準(zhǔn)狀況下的剩余電量CR1=CM1?∑n=0ii?(nT)?Taiβs(10)CR1=CΜ1-∑n=0ii*(nΤ)?Τaiβs(10)其中,CM1為當(dāng)前電池標(biāo)準(zhǔn)總?cè)萘?。根?jù)式(10),在知道放電前電池的標(biāo)準(zhǔn)總?cè)萘緾M1后,便可在放電時(shí)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)狀況下剩余容量CR1。另外,將該容量值修正后除以當(dāng)前電流便可以計(jì)算出蓄電池此狀態(tài)下還可運(yùn)行的時(shí)間tl,即tl=aiβsCR1i(t)(11)tl=aiβsCR1i(t)(11)3soh值的修正電池老化程度可用SoH值表征,它表示電池當(dāng)前實(shí)際總?cè)萘緾M1(根據(jù)開路電壓法求取)與標(biāo)稱容量CN的比值,即可反映當(dāng)前電池滿充時(shí)的實(shí)際容量。因此CM1可以修正為CM1=SoH·CN(12)其中,CN為電池標(biāo)稱容量。結(jié)合開路電壓與安時(shí)積分的方法,對(duì)SoH值測(cè)量進(jìn)行分析。對(duì)于初始標(biāo)準(zhǔn)容量,選取CN為第一次運(yùn)算的電池總?cè)萘緾M1(即SoH=1),之后隨著SoH的變化按式(12)不斷修正,而消耗的標(biāo)準(zhǔn)電量CΔ在放電過程中不斷積分累加,一旦充電則被置0。根據(jù)這種方法測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算,即可得到剩余標(biāo)準(zhǔn)電量CR1和預(yù)期剩余時(shí)間tl。4識(shí)別模塊和參數(shù)設(shè)置為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,硬件電路包括信息采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、CPU、顯示器、鍵盤接口、報(bào)警電路以及電源電路等。信息采集部分:電壓經(jīng)光耦電路轉(zhuǎn)換成0～5V范圍信號(hào);電流經(jīng)霍爾傳感器轉(zhuǎn)換成0～5V范圍信號(hào)輸入A/D,再由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送CPU處理;溫度采集利用DS18B20數(shù)字式溫度芯片直接由CPU讀取。CPU采用高速8051單片機(jī)STC11F60X;顯示器采用TFT型LCD,240×320真彩色點(diǎn)陣液晶;報(bào)警電路由顯示屏閃爍報(bào)警和蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警兩部分組成;電源模塊采用LM2576s-5.0產(chǎn)生5V電壓給系統(tǒng)供電,再經(jīng)IL1117-3.3產(chǎn)生3.3V低壓給液晶顯示屏供電。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該檢測(cè)儀有4個(gè)主要功能,分別是電池運(yùn)行監(jiān)測(cè)、狀態(tài)信息顯示、歷史記錄和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。在電池運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能中,包括4個(gè)子功能,具體如圖2所示。由圖2可以看出,其下方是放電強(qiáng)度顯示,即放電電流大小,如此值過大,檢測(cè)儀會(huì)發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)切斷主電路;上方是剩余時(shí)間的預(yù)估,這個(gè)預(yù)測(cè)是基于放電電流和剩余電量條件下的;左側(cè)是電池平衡狀況的顯示,體現(xiàn)出各節(jié)電池電壓的偏差,偏差較大即自動(dòng)報(bào)警;右側(cè)是剩余電量的顯示,電量過低也會(huì)發(fā)出警報(bào)。如果需要進(jìn)一步了解各節(jié)電池的具體信息時(shí),可進(jìn)入狀態(tài)信息顯示功能(見圖3)。除電池的一些基本信息外,根據(jù)各數(shù)據(jù)的計(jì)算還會(huì)給出荷電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)的打分情況(以100%為滿分)。歷史記錄和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能,分別如圖4和圖5所示。歷史記錄中能自動(dòng)記錄下電池的使用時(shí)間、充放電次數(shù)、過度放電次數(shù)和深度放電次數(shù)。而系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中不僅能設(shè)置時(shí)間,還可根據(jù)使用電池種類的不同自主調(diào)節(jié),自動(dòng)更換算法中的某些參數(shù)。如標(biāo)準(zhǔn)容量、下限電壓、上限電流、下限容量及上限溫度。5放電電流與電壓的線性擬合實(shí)驗(yàn)蓄電池檢測(cè)儀的可行性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和原理應(yīng)用的合理性。信息采集包括電壓、電流和溫度3個(gè)參數(shù),在單片機(jī)系統(tǒng)中這些數(shù)據(jù)均被轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓信號(hào)。而這些數(shù)據(jù)的運(yùn)算是基于它們與標(biāo)準(zhǔn)電壓之間的線性關(guān)系,于是驗(yàn)證這種數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性即為驗(yàn)證與標(biāo)準(zhǔn)電壓的線性關(guān)系。以主電流檢測(cè)為例,采用霍爾型電流傳感器將電流轉(zhuǎn)化為0～5V電壓信號(hào),而0～5V電壓信號(hào)可由檢測(cè)儀中的A/D直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,精度為12位,為了簡(jiǎn)便,只精確到到0.01。利用恒流負(fù)載和0～15A標(biāo)準(zhǔn)電流表(精度為0.05A)調(diào)節(jié)電流為0,0.5,1,…,9A,從檢測(cè)儀中讀出相應(yīng)的電壓值,具體見表1。經(jīng)Matlab編程可得電流檢測(cè)電路測(cè)試中電流與電壓的線性擬合情況(見圖6)。所得電流與電壓的線性擬合函數(shù)為,其中線性回歸分析中的調(diào)整后的復(fù)決定系數(shù)為0.9994,大于0.95,線性擬合度非常高。為了驗(yàn)證精確度,取0.3,1.3,2.3,…,8.3A進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到對(duì)應(yīng)的電壓值,帶入線性擬合函數(shù)中,得到電流的實(shí)驗(yàn)值,將其進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)最大絕對(duì)誤差僅為0.03A,精確度能達(dá)到0.05A,說明電流檢測(cè)電路精確度較高。同時(shí)還進(jìn)行電壓檢測(cè)電路和溫度檢測(cè)電路的測(cè)試實(shí)驗(yàn),都獲得了較高的檢測(cè)電路精度。原理應(yīng)用的合理性最主要涉及到通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定Peukert方程中的n大小,并驗(yàn)證此方程在實(shí)際應(yīng)用中的精確性。實(shí)驗(yàn)采用恒流放電的方法,通過自行設(shè)計(jì)的恒流負(fù)載調(diào)節(jié)放電電流分別為3,5,7,9A,測(cè)量放電時(shí)間,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。應(yīng)用最小二乘法擬合T=K·I-n,經(jīng)Matlab擬合可得電流與放電時(shí)間的擬合曲線(見圖7)。所得電流值I與放電時(shí)間T擬合函數(shù)為T=26.95×I-1.251,調(diào)整后的復(fù)決定系數(shù)為0.9999,擬合度非常高。根據(jù)已知條件,額定電流4A下放電時(shí)間為5h,將4A帶入,計(jì)算得出時(shí)間為4