教练用电动车能量管理系统状态监测及SOC估算方法

2012-07-19周在芳蹇小平成振坤朱文艳

汽车电器 2012年8期

周在芳，蹇小平，成振坤，冯镇，朱文艳

（长安大学汽车学院，陕西西安 710064）

传统驾驶员培训教练车绝大部分时间都处于低档位、慢车速状态，油耗高、排放污染严重，而电动汽车在行驶过程中具有近乎零排放，不消耗石油等特点，已经得到大部分车辆生产商的青睐。因此，将燃油教练车改为纯电动教练车具有非常可观的实用意义与经济意义。

本文教练用纯电动车由驾校常用车SANTANA LX改制而成，改制后其组成同燃油车相同，包括能源及驱动部分、底盘、车身与电气设备，能源及驱动机构作为其核心由电机驱动机构、辅助系统与能源系统三部分组成。另外该类车可以白天工作晚上充电，根据实际调研结果确定了该车日工作量所需能量，通过匹配确定了所需电池块数和型号。通过综合分析，我们采用了满足研究要求且成本相对较低的铅酸蓄电池4-D-135，其额定电压8 V，额定容量135 Ah。

蓄电池作为该车能量的惟一来源，为将有限的能量发挥到最大化、及时了解蓄电池组的电量状态，我们设计了一套能量管理系统，对蓄电池的运行参数进行适时在线监测，并将蓄电池参数检测系统同电动机等动力监控系统相结合。

蓄电池性能状态主要由电压、电流、容量和内阻来体现，为了实现该系统的管理控制功能，我们需要选择恰当的方法对上述4个参数进行测量，并予以显示，方便驾驶员或检修人员得知电池组状况，及早地判断出故障电池；然后通过一定的算法计算出电池的荷电状态SOC、估计续航里程，并将结果传给显示仪表；同时将上述所测信号及SOC值输送给控制器，实现统一管理和对整车的控制；最后，当蓄电池状态参数及SOC值超过设定值时应实现报警功能。

通过综合分析，最终得出各参数的以下测量方法和对SOC的估算方法。

1 参数监测方法

电池参数测量作为能量管理系统的核心任务，其主要功能是对电池电压、电流、温度及内阻数据进行采样，对电池的荷电状态SOC进行准确的预测并估计续驶里程。另外，为了方便管理及扩展，我们将电压、电流、内阻及温度的测量进行模块化。

1.1 电压测量

为避免电池的不均衡性导致的局部过充或过放所引起的安全问题，为了借助电压差异尽早预测故障电池，要求监测系统必须对电池单体及几个单体电池组的电压进行测量。另外，控制器可利用电压信号实现相关的修正，及对电池放电电流和电机等的控制。

常见电压检测方法有分布检测法、集中检测法、分布/集中检测法、巡检法等。集中检测法引线多而长、布线复杂，从而易引入干扰、线阻较大、影响测量精度，安全性不好，集中检测法通常用于蓄电池个数较多的检测系统中。由于该教练车电池块数少，我们无需考虑由于模块多而造成费用高的问题，从设计简单明了和测量准确稳定的角度，可以采用分布检测法实现对各块蓄电池的电压测量。巡检法技术成熟，成本低，解决了由于运算放大器等芯片的参数不均匀而引起的一致性差的问题。综合分析，针对实际情况，分布检测法、巡检法均可采用，两者具体介绍如下。

1.1.1 分布检测法

分布检测法是将单块电池电压及温度的检测模块化，模块和电池单体一一对应，通过一定的通信手段将各检测模块检测的数据集中起来，然后统一处理。检测原理见图1，检测模块内部电路见图2。

该检测系统实现了检测和通信两大功能，检测模块要完成数据的采集任务，而通信模块则要实现与主控部分的信号传递，即上传由检测模块获取的检测数据，接收主控电路的指令。为适应汽车电器的发展方向，我们考虑采用CAN总线进行通信。

利用分布式模块解决了参考点问题，利用CAN总线通信方式 (采用光耦器件)可以解决主控机与检测模块的隔离问题。

通常分布检测法的主要优点有：①连线简单、性能可靠；②省去了多路转换开关；③可达到较高的测量精度；④符合汽车电器总线化的趋势。

分布式检测还必须解决以下几个问题：①检测模块与电池组之间一般没有隔离，易造成干扰；②当模块较多时，使得成本和复杂度提高，并对通信总线的负载能力有较高的要求；③由于检测模块由被测电池供电，所以检测模块的功耗要尽可能的小，否则过多消耗蓄电池的能量，减少了蓄电池组用于行驶的能量[1]。

1.1.2 巡检法

该巡检法测量结构如图3所示，设计通过移位开关电路依次选通被测回路，通过A／D采集单路数据，完成数据采集。电路中的信号巡检部分如图4所示，电路共n路输入（由电池块数决定），图4中只表示出其中两路。

该测量方法具有以下优点：①电路简单——PCB板制作和布线过程得以简化；②成本低——采集电路中主要成本来自ADC，而该电路只需要1个ADC；③能够解决由于运算放大器等芯片的参数不均匀而引起的一致性较差的问题[2]。

1.2 内阻测量

内阻是反映电池性能的重要参数，电池处于不同的电量或处于不同的使用寿命状态下，它的内阻值是不一样的。通常情况下，内阻小的电池放电能力强，而内阻大的电池放电能力弱，因此依据电池内阻可以迅速而可靠地诊断电池状况。

事实证明，在直流测试的情况下，其内阻与容量相关系数很高，通过大量的试验可得出其相关系数。所以可以通过测量蓄电池的内阻，对其性能状态及健康情况进行评估。

内阻的测量方法主要有直流法和交流法，由于直流测电阻需要串联一个相对较大的辅助电阻，消耗了过多的蓄电池能量，所以本方案采用交流法对内阻进行在线测量，即向被测电池输入一个交流低频小信号，测量其反馈的电压值，通过电压与电流的比值，即可得到蓄电池的内阻。采用交流法对单电池内阻进行在线检测，原理图如图5所示。

测量时先接通KA和KB，测量电流有效值为I，然后接通开关K1与K2，测出E1上交流电压的有效值，由这两个测量值算出电池E1的内阻：R1=U1／I。同理依次接通开关Ki和Ki+1，测得电池Ei上交流电压有效值，就测得各电池的内阻

1.3 电流测量

电流信号的采集由高精度的电流传感器完成，可以选择霍尔传感器，其抗干扰能力强、响应时间短、精度高。另外，虽然电压、电流测量被分开说明，但它们被集中于同一个模块中。

因为蓄电池串联连接，整体电流与每块蓄电池电流相等，所以只需测蓄电池的输出电流，即电动机的输入电流即可。

经电流传感器转换后电流信号变为正负电压信号，将这个电压信号经过一个加法器进行适当处理后输入给反相比例放大器，将功率放大后送入A／D芯片进行处理，此时完成了电流采集任务[4]，其电路如图6所示。

1.4 温度信号采集

具体测量方案如下：为节省空间、合理布局，蓄电池将被装在电池箱中，为保证温度测量的准确性,根据需要在每个电池箱内设置若干个测温点,温度传感器均匀分布在电池单体上，传感器适时进行温度数据的巡检。

温度的采集通道由温度传感器、低通滤波器以及A/D转换电路组成。温度传感器可采用热敏电阻，经RC低通滤波器后的温度信号经由模拟多路开关送给A/D实现模数转换，温度检测电路如图7所示[5]。

2 SOC估算实现

2.1 SOC的定义

蓄电池的荷电状态 SOC(state of charge)是蓄电池中最重要的一个概念，被用来反映电池剩余电量。对于蓄电池，SOC在数值上等于电池剩余容量和电池总容量的一个相对量，通常把一定温度下，蓄电池充电到不能再吸收电量时的电量状态定义为SOC=100%，而将蓄电池再不能放出电量时的电量状态定义SOC=0。如下式所示

式中：Cr——电池的剩余电量；Cn——电池的额定容量。

蓄电池荷电状态SOC是不能直接测量到的，只能通过对电池外特性参数 (U、I、T、R)的检测，然后运用一定的关系推断得到。

2.2 SOC的计算方法

目前国内外主要采用的计算方法有开路电压法、安时累积法、内阻法、放电测试法、神经网络及卡尔曼滤波等。但这些方法单独使用时都存在不同程度的缺陷。神经网络法需要对其模型进行训练以得到大量的所需数据；而卡尔曼滤波法计算量太大；放电测试法需要较长时间，并且需停止电池工作，一般用于电池维修[4]；开路电压与初始电量有一个明确的关系，具体关系可以通过实测来确定，所以开路电压法在充电初期和末期系统稳定时SOC估计效果好。内阻与电池SOC的对应关系并非完全线性，具体关系需要通过大量试验来获取，导致SOC系统设计复杂，所以内阻法实现起来也有一定的难度。

相较而言，安时累积法更简单可靠且易于实现，综合分析，我们采用开路电压法与修正的安时累积法相结合实现SOC的估算，因为电池容量与蓄电池开路电压有较确定的关系，所以配合使用开路电压法，通过测量电池的开路电压来预测蓄电池的初始容量，之后用实时的检测电流对时间进行积分运算，此外加上充放电次数、自放电、充放电倍率及温度这些因素的修正，从而求出SOC值。

本系统采用修正的安时累积-开路电压法。基本公式如下

式中：En——电池初始电量；δ——充放电效率系数；i——当前电流，充电时为负，放电时为正。

由于蓄电池工作时容量会随充放电次数、自放电、充放电倍率、温度等因素影响而变化，计算时对其作修正。最后得出SOC计算公式如下

式中：δ——充放电倍率；Wc——充放电次数修正；Wz——自放电修正；Wt——温度修正。电池初始容量En通过测试开路电压，按照确定的关系计算得出。