基于安时法的电池剩余电量检测方法

基于安时法的电池剩余电量检测方法

0基于动态剩余电量的测量算法许多电动汽车使用电池作为动力。与传统汽车的功能一样，电池剩余的能源为电动汽车的可持续行驶距离提供了强有力的数据，这对正确测量也很重要。由于电池的充电状态即SOC(stateofcharge)不能直接测量,只能通过其外在特性如电压、电流、内阻、温度等参数的变化来估计电池的剩余电量。电池的有效容量受到放电电流、电解液温度、自放电和非恒定放电电流放电条件下恢复效应等因素的影响,因此,以上参数与剩余电量的关系并不是一成不变的,而是随着电池的不断老化而发生变化,其规律是不可预见的,从而增加了电量检测的复杂度及检测误差。目前,电量检测的基本方法有密度法、开路电压法、安时法、内阻法等等,这些方法虽然简单,但都只考虑了与电池容量有关的一个因素,因此测量精度低,或者不能实现电池的在线测量。随着硬件技术的发展和精度要求的提高,将上述多种基本方法组合起来进行检测的方法正逐步得到实际应用,如内阻-安时法,Peukert-安时法等等。另一种方法是采用专用电池监测芯片如DS2438,但这种方法成本高,而且需要采样电阻,不适合在大电流的场合下应用。该文以安时法为基础,根据电池充放电特性,提出了一种易于工程应用的剩余电量计算方法,该方法可通过MCU实现,并可嵌入到其他车辆仪表中去,以降低硬件开支。1检测原理1.1放电过程中电池端电压下降一般称放电时电池端电压随时间的变化曲线为电池的放电特性曲线,如图1的曲线OEFG所示。从图中可以看出,放电曲线基本上由3部分组成:放电开始时,电池端电压沿着OE快速下降;然后端电压变成沿EF缓慢下降;最后在曲线的G点以后,端电压急剧降低,一般认为,此时电池已经没有能量了,继续使用将会损坏电池。图1中OABCD曲线为充电特性曲线,可见,充电过程也可分为充电初期电压急剧上升(OA段)、缓慢上升(ABC段)、快速上升(CD段)和端电压平衡段(D点后),到D点后,可认为电池已经充满电了。1.2电池释放电量的测量电量不方便直接测量,所以常根据电流来计算。根据电流强度的定义,可以得到如下公式来计算放电量(负时为充电量):q(t)=t0i(τ)dτ(1)根据能量守恒定律,理想情况下电池放出的电量应等于充电时充入的电量,所以只需测出电池充电时充电电流和充电时间就可以知道电池的实际电量Q0,再测出电池的放电电流和放电时间就可以得出电池放出的电量,用实际电量减去输出电量就可以算出电池的剩余电量。但是电池工作电流随加减速、负载、路况的不同而发生变化,因此i(t)是个随机信号,不能直接用式(1)计算电量。但是i(t)变化速度相对较慢,可以用下面的方法近似计算:q(t)=∑n=0ti(nΔt)Δt(2)q(t)=∑n=0ti(nΔt)Δt(2)式中Δt为采样时间,只要Δt足够小,就能精确计算出电池释放的电量,但这必然会增大计算量。据统计,i(t)的变化时间一般小于200ms,故根据采样定理,选取Δt≤100ms就可以保证离散信号i(nΔt)携带原始信号i(t)的全部信息,实际应用时应根据A/D转换时间、CPU速度和精度要求选择合适的采样时间。1.3电池老化补偿系数的计算电池容量受到温度、老化、自放电等诸多因素的影响,电池实际电量Q0也随着这些因素而发生变化,因此必须进行补偿。补偿后的实际电量采用公式(3)来计算:Q0=KTKAQN(3)式中QN为电池额定容量,KT,KA分别为温度补偿系数和电池老化补偿系数。这些系数通常是非线性的,可以通过实验的方法来得到,但是最好按照电池厂家提供的曲线来进行修正。实际应用时应事先算好,以表格的形式存储在存储器中,计算时采用插值算法,可以大大减小计算量。根据上述分析,可得电池剩余电量百分数:qr(t)=(Q0−q(t))Q0×100%(4)qr(t)=(Q0-q(t))Q0×100%(4)2系统的硬件设计2.1处理器的设计与实现系统硬件由微处理器、定时器、数字I/O、两路放大器与A/D转换、通信接口和EEPROM组成,框图如图2所示。其工作原理为:电流传感器检测电池的充放电电流,温度传感器测出电池的温度,两路模拟信号经滤波、放大后经A/D转换变成数字信号送微处理器,微处理器根据式(4)计算出剩余电量的百分比,最后通过LED显示出来。通信接口用来将电池补偿系数表格送入处理器,并存储在EEPROM中,每次系统初始化时会从EEPROM读入这些数据用于计算。EEPROM还用来存储电池的充放电次数,每当电池连续放电到容量小于20%时,该计数器就加1,电池老化补偿系数就根据该计数值查表来确定的。按照这种结构制作样机,处理器采用飞思卡尔的低功耗高性能8位单片机MC68HC908GR8A,片内有2个16位的定时器、6个8位的ADC、1个SCI、1个SPI和最多21个通用I/O口。利用SCI2.2温度采样程序和通信模块按照上述方法,该仪表软件应包含如下几个模块:主程序模块、定时器中断模块、A/D采样模块、显示模块和通信模块。主程序流程如图3所示,定时器中断流程见图4。由前面的分析,电流采样时间要小于100ms才能得到其全部信息,这里将定时器中断设为50ms,即每50ms发生一次定时器中断。又由于温度的变化相对缓慢,所以将温度采样周期设为200ms。同样,显示屏刷新周期也为200ms。3电池电量检测技术由于电池特性随着多种因素在改变,其中存在着许多不确定因素,无