电动汽车soc测量系统的设计

电动汽车soc测量系统的设计

0锂离子动力电池的特性电动汽车具有低排放和低噪音的优点，但与汽油车的行驶距离和重量相比仍存在很大差距。到目前为止，电动汽车普及的主要问题仍然是电池的可靠性和续载能力。因此对采用锂离子动力电池的纯电动汽车的SOC测量和续驶里程的研究尤为重要。该文从实用可靠的角度出发,结合开路电压法和安时计量法,设计了一套SOC的测量及续驶里程预测系统。1剩余电量soc测量电池荷电状态SOC(state-of-charge)即为电池所剩电量与电池总容量的比,通常把一定温度下电池充电到不能再吸收能量的SOC定义为100%,而把电池不能放出能量时的SOC定义为0%,计算公式如下:SOC=[Qm-Q(In)]/Qm(1)Q(In)=∫tt0tt0Indt(2)式中:Qm为电池最大放电容量,表示为标准放电电流和放电时间的乘积;Q(In)为标准放电电流In下t时间电池释放的电量。电动汽车需要准确地估计电池的SOC以提高电池的充放电能力和提高安全性,但电池在使用过程中表现出高度的非线性,使得SOC难以测量。目前,剩余电量SOC检测的基本方法有开路电压法、放电实验法、安时法、密度法、内阻法等等,这些方法虽然可行,但都只考虑了与电池容量有关的某一个因素,因此测量精度较低,或者不能实时测量。因此,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。该文以安时计量法(Ah法)为基础,结合开路电压法(Open-circuitvoltageestimation)提出了一种有效的测量电池SOC的方法。安时计量法是通过负载电流的积分来估计SOC的,该方法简单易用,算法稳定,是目前电动汽车上使用最多的方法,但本身也存在一些问题:电池参数测量不准,将造成SOC计算误差;忽视了电池的充放电效率;该方法本身不能估计SOC0(初始SOC);在非常温状态下会存在SOC估计误差。开路电压法是利用电池的开路电压在数值上接近电池的电动势,与电池的SOC存在一定的函数关系来计算SOC的方法。该方法在充电初期和末期效果较好。但其显著的缺点是电池需要长时间静置,以达到电压的稳定。并且不能精确测量电量消耗。因此,将开路电压法与安时计量法相结合,利用开路电压法来测量电池组SOC0,用安时计量法计算安时消耗,并选用精确的测量系统来测量电池参数,通过长时间静置来稳定电池电压,能互补两种方法的不足,可较精确的测量出电池SOC。以采用锂离子动力电池的纯电动公交车为研究对象,该车电池组由6×88块100Ah单体锂电池串联而成,每88块分装一组。每组电池组性能参数如表1所示。智能充电站对电池组进行充电。通常用于城市公交的电池组是白天使用,晚上卸下进行充电。因此运用开路电压法测量SOC0时可以保证电压的稳定性。电池组SOC0与开路电压对应关系由电池厂家提供,近似线性关系,如表2所示。2测量系统的设计2.1高压采集电路整个系统分为电压采集模块、电流采集模块、U/F转换模块、电压转换模块、计算及输出显示模块等5个部分。电压采集模块测量电池组的开路电压并将数据输出给单片机;电流采集模块由霍尔电流传感器对电流进行采样,并将采样电流经电压转换模块转换成电压;U/F转换模块将电流采集模块输出的电压经低通滤波后转换成频率;计数及输出显示模块由单片机及液晶显示器LCD等电路构成,以频率信号及电压信号为输入,通过计算得出SOC及续驶里程,并通过CAN总线输出SOC及续驶里程给其他车载电控单元。系统硬件结构如图1所示。电压采集系统采集电池组的开路电压,由于有88块电池串联,开路电压最高可达到352V,因此专门设计了一套高压采集装置,A/D芯片选用CRYSTAL公司的CS5460A,其内部具有24位的A/D转换器,可以实时测量电压。图2中VEX+,VEX-分别接电池组的正极和负极,由于电压很高,线路中加入了多个分压电阻。引脚信号SCK5、SDO5、CS5、SDI5、INT5、RES5用来产生转换时序信号并传输采集信息等。电流传感器选用南京茶花公司的CS400B/4V霍尔电流传感器,由传感器得到的电压信号与被测工作电流之间的关系为:U=a·I(3)式中:U为采样电路输出电压(V);a为转换放大系数(V/A);I为被测工作电流(A),取a=0.01,即若被测工作电流为100A,则所得输出电压为1V。U/F转换模块选用的是LM331,它是美国国家半导体公司生产的一种高性能、低价格的单片集成电压/频率变换器,由于采用了带温度补偿的能隙基准电源,在整个工作范围内和低到4V的电源电压下都有极高的转换精度,其满量程频率范围为1～100kHz,最大非线性度为0.01%。原则上每1V电压信号转换为1000Hz的方波信号,也即1A的电流信号对应10Hz的方波输出。频率信号通过分频电路进入微处理器,微处理器选用的是美国微芯公司PIC18F458单片机,其抗干扰性好,功耗低。选用PCA82C250作为PIC18F458单片机CAN通讯的驱动芯片。CAN的输出端连接LCD。由于测量系统外部只提供+24V的电压,而电流采样电路、U/F转换电路、计数及输出显示电路分别需要提供±15V、+12V、+5V的电压,因此需要对电压进行转换,用7812、7805获得+12V、+5V电压,用军品级的NR24D15/50A的DC/DC转换模块来获得±15V电压。开关S1用于计数信号复位和安时计量数据清零。电流采样电路如图3所示。2.2基于电流的soc0软件流程如图4所示。系统上电后初始化,先测量电池组电压值,此时,电池组的电流测量还处于等待中,电压通过查表函数换算成初始SOC0并储存在寄存器中,再进行电流的测量,电流经过霍尔电流传感器转换成电压,再经过U/F模块转换成频率,输出到单片机的TICK1端口,单片机通过对频率的分析将其转换成电流,并结合系统的运行时间通过积分计算得出已用电量Q(In)并结合先前储存的SOC0算出电池组的SOC及汽车剩余续驶里程。系统最后通过CAN总线传输电压、电流和SOC及剩余续驶里程。3电动汽车经济性指标电动汽车的续驶里程是指电动汽车上动力电池以全充满状态开始到标准规定的实验结束时所走过的里程,它是电动汽车的经济性指标之一。目前还没有公认的续驶里程计算方法,主要根据电池输出的能量与车辆行驶消耗的能量相等的原则进行计算。因此,结合理论计算与实际试验,得出续驶里程与SOC的关系曲线,将其储存在单片机中,测量系统算出的结果与关系曲线的数据对比,就可得出实时续驶里程信息,并在液晶显示屏显示出来。3.1电动汽车在各种工况下的动力学参数Ρ=1η(Ffva3.6+Fiva3.6+CDAv3a76.14+gmvadv3.6dt)(4)P=1η(Ffva3.6+Fiva3.6+CDAv3a76.14+gmvadv3.6dt)(4)其中,m为电动汽车质量(kg);F为电动汽车的重力(N);F=mg,g为重力加速度;f为滚动阻力系数;i为坡度阻力系数;CD为迎风阻力系数;A为迎风面积;va为车辆行驶速度(km/h);dv/dt为车辆加速度(m/s2);P为功率(W);η主要包括电机驱动系统、主减速器、传动装置等产生的效率。3.2放电能量的测量W=QmUeηDOD=GeqηDOD(5)式中Qm为电池的额定容量(A·h);Ue为电池的端电压,Ge为电动汽车自带的电池重量(kg);q为电池比能量(Wh/kg)。ηDOD为电池的放电深度(%)。根据电池的放电特性,当电池以高于额定放电电流Im的电流放电时,总能量要相应减少。根据文献,电池以大电流I放电时,总能量W为W=GeqηDΟD=Geq(ΙmΙ)k-1(6)W=GeqηDOD=Geq(ImI)k−1(6)式中,当I/Im≤3时,k=1.313;当I/Im>3时,k=1.414。3.3ffva3.6+cdap3a的含义当电动汽车以等速运行时,可以忽略坡度阻力和加速阻力,设续驶里程为S。由式(3)、式(4)可得Ρt=1η(Ffva3.6+CDAv3a76.14)t=W=QmUeηDΟD(7)Pt=1η(Ffva3.6+CDAv3a76.14)t=W=QmUeηDOD(7)即v3a3a+pva-q=0(8)其中p=76.14Ff3.6CDAp=76.14Ff3.6CDA;q=76.14QmUeηDΟDCDAtq=76.14QmUeηDODCDAt由式(8)解得va={-(q2)-[(q2)2+(p2)3]12}13+{-(q2)+[(q2)2+(p2)3]12}13va={−(q2)−[(q2)2+(p2)3]12}13+{−(q2)+[(q2)2+(p2)3]12}13等速行驶续驶里程S=vat(9)3.4行驶距离和续驾里程电动汽车的工况行驶,一般包括启动、加速、匀速、减速、静止5个工况,车辆每完成一个启动、运行、停止的距离定义为一个行驶区段,将每个区段计算出的能量累加等于电池所能释放出来的总能量,汽车所能行使的总距离即为所需计算的续驶里程。S=k∑1Si(10)∑1kSi(10)式中,Si为每个状态的行驶距离(km);k为车辆能够完成的总工况数。3.5试验结果与分析以纯电动公交车为例进行计算,整车的有关参数见表3。由于目前国家标准只针对3500kg以下的电动汽车,所以试验只能参考该标准进行。试验条件为:以电动汽车满载时,在耐久性路面上以40km/h等速行驶,当车速低于35km/h时停止试验,路面为平坦环行路面。试验结果如图5所示。为了保护电池,这里把电池的SOC设定成当SOC=20%时看做放电完毕,如果再继续放电,则会对电池产生伤害。试验中样车的续驶里程达到了272km,与通过式(5)、式(9)及汽车性能参