车用蓄电池检测仪的设计

车用蓄电池检测仪的设计

目前，电动汽车已广泛使用，但电动汽车电池的检测技术和功率反馈存在信息独特、精度低的缺点，因此，其应用需求远远不足。蓄电池是电动汽车动力系统的核心,它的性能好坏直接影响着汽车的行驶能力。为了更好地维护蓄电池性能,需要实时了解蓄电池的当前状况,以提高蓄电池的工作效率,延长蓄电池使用寿命。文中基于8051单片机最小系统,针对在线蓄电池工作状况,采用安时积分法与开路电压法相结合的电量检测,设计了新型车用蓄电池检测仪。该检测仪主要针对车载系统,其硬件电路能对车用蓄电池各个参数(包括单体电池端电压,放电电流,电池温度等)进行实时在线采集,电压测量采用高线性度的光电耦合器进行隔离,电流测量采用霍尔型电流传感器,从而将主回路高压大电流信号统一转换成0～5V标准信号,系统抗干扰能力强,精度高。1蓄电池管理系统蓄电池是一种可循环充电电池。目前蓄电池种类较多,常用蓄电池有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等,其他还有镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、锌空气蓄电池、铝空气蓄电池等诸多种类。目前,铅酸蓄电池的技术比较成熟,并且新推出的密封阀控式免维护铅酸蓄电池应用较广,特别是在电动自行车领域。它采用全密封防漏设计,解决了电池失水问题,可免维护运行,且具有容量大、比能量高、自放电小、使用寿命长、密封效率高、安全可靠等优点,符合动力电池的要求。针对蓄电池管理系统,已有许多相关研究,并取得较为成熟的结果。一般情况下,电池管理系统主要组成有:数据采集、电池状态估计、能量管理、热管理、安全管理、人机界面等。12数据采集获取电池工作状态参数和相关环境参数,包括电池端电压、充放电电流、电池温湿度、环境温湿度等。2剩余容量信息电池状态包括电池荷电状态(SOC)和电池健康状况(SOH)两方面。其中荷电状态给出电池剩余容量相关信息;健康状况给出与电池寿命相关的信息,可以近似表征电池的老化程度;3能量管理根据电池相关状态信息控制电池充放电;4安全管理监视电池电压、电流、温度,防止电池的过充、过放电;5热管理控制电池组的温度均衡,保证电池组工作在适宜温度环境下;6电池信息信息电池状态的显示,按键控制接口,报警装置等。使人能方便获知电池的相关信息。文中采用单节电压为12V、容量20AH的常新力牌全密封阀控式免维护电池作为操作对象,对整组4节串联48V蓄电池组进行运行分析,用以测试检测仪。2单体电池电压平衡度计算方法电池组由若干节电池组成,而单节电池内部又由多个单体电池组成。单体电池是电池组的基本组成单位,一般一个单体电池电压为2V,6个单体电池串联构成一节12V电池。由于生产工艺和成产过程的不一致,导致电池内部单体电池彼此之间的容量有偏差,从而直接导致电池间容量的偏差。由于电池是以串联方式使用,因此,如果各节电池之间存在容量不平衡,就不可避免地在整组电池中发生部分电池过充、过放或亏充的现象。其结果将导致电池性能的恶化,电池间的不平衡程度进一步拉大,进入恶性循环。因此,及时有效地发现电池组的不平衡现象,找出落后电池(即电压比较低的电池),对维护电池性能具有重要的应用价值。通常判断电池不平衡的方法是对单体电池电压进行跟踪检测与比较。而6节单体电池封装为单节电池,统一对外部提供接线端,故不易测得单体电池的端电压。因此,一般是检测电池组中单节电池的端电压。其依据为:如果一节电池内的某一单体电池发生故障,则很难被平均效应所掩盖,即内部单体电池的故障状况可以通过单节电池反映出来,同时电池组故障处理的最小单位是单节电池。文中采用分电池检测法,对于每节电池提出平衡度的概念,即pi=1−Umax−UiΔUmax(1)pi=1-Umax-UiΔUmax(1)其中:pi为第i节电池的平衡度(i=1,2,3,4);Umax为电压最高电池的电压值;Ui为第i节电池的电压值;ΔUmax为最大允许电压差。因此,平衡度越高证明电池组平衡性越好,当有电池平衡度小于0时,检测仪会发出警报。3安时积分法采样文中采取开路电压法结合安时积分法检测剩余容量。由于电动车属于间歇工作模式,一般电动车开始运行之前,都经过相当长时间停车,则可认为每次电动车启动前测取的电压即为电池开路电压(排除停车后给电动车充电并一直浮充至下次启动前的情况)。而在运行过程中电压不稳定,无法测取,此时采用安时积分法。根据电池电量定义,可以得出电池充放电量CD与充放电流i的积分关系为CΔ=∫t2t1t1t2i(t)dt(2)对式(2)进行计算机采样实现,其离散模型为CΔ=∑n=0ji∗(nT)×T(3)CΔ=∑n=0ji*(nΤ)×Τ(3)其中:T为电流采样周期;i*(nT)为电流采样值;j为控制积分时长,即放电时间。得出电量变化之后,再根据积分前电量初始值CM就可得出当前剩余电量CR=CM-CΔ(4)安时积分法原理较为简单,但要准确预测剩余容量,还需要考虑放电电流、温度以及电池老化对容量的影响。由于安时积分法得出的变化电量CΔ几乎不受上述因素影响,可认为近似准确值;而确定初始电量C0时则需考虑上述影响。1不同放电电流中标准容量的转换在这些因素中,放电电流对容量的影响最为明显。根据Peukert方程,电池放电电流I与容量C的关系为C=KI1-n(5)其中,K,n为常数,n一般大于1。式(5)反映了放电电流越大,电池实际容量越小。如,标准容量20AH对应的是4A的额定电流,在此电流下可放电5h;如果电流增大到5A,放电时间却会小于4h,因此实际容量则小于20AH。故实际运算时,初始电量C0采用标准容量,并将变化电量CΔ转化为标准变化电量。由于对于同一组电池,其K值相同,定义:ai=CiCN1=(iIN)1−n(6)ai=CiCΝ1=(iΙΝ)1-n(6)其中:ai为放电电流i下的电流修正系数;IN,CN1分别为标准放电电流以及相应的额定容量。这些可直接由电池厂商提供的数据得出,n值可根据不同电流下的放电曲线簇求取。2放电时电池剩余容量温度是影响容量的第二大因素,主要表现为:温度上升,蓄电池能放出的能量就变大,反之则减小。温度与剩余容量一般关系为Cs=CN2(1+K1(s-sN))(7)式中:sN为标准温度;CN2为标准温度下对应的容量;K1为温度系数。类似地,定义容量的温度修正系数βs为βs=CsCN2=1+K1(s−sN)(8)βs=CsCΝ2=1+Κ1(s-sΝ)(8)其值可根据温度系数及标准温度直接得出。因此,在一小段时间Δt内,设电池温度为s,电流大小为i,则其消耗电量ΔCis=iΔt,将其转化为标准电流下消耗电量ΔCN,则有以下公式:ΔCN=ΔCisaiβs(9)ΔCΝ=ΔCisaiβs(9)由此可得,标准状况下的剩余电量CR1=CM1−∑n=0ii∗(nT)⋅Taiβs(10)CR1=CΜ1-∑n=0ii*(nΤ)⋅Τaiβs(10)其中,CM1为当前电池标准总容量。根据式(10),在知道放电前电池的标准总容量CM1后,便可在放电时计算出标准状况下剩余容量CR1。另外,将该容量值修正后除以当前电流便可以计算出蓄电池此状态下还可运行的时间tl,即tl=aiβsCR1i(t)(11)tl=aiβsCR1i(t)(11)3soh值的修正电池老化程度可用SoH值表征,它表示电池当前实际总容量CM1(根据开路电压法求取)与标称容量CN的比值,即可反映当前电池满充时的实际容量。因此CM1可以修正为CM1=SoH·CN(12)其中,CN为电池标称容量。结合开路电压与安时积分的方法,对SoH值测量进行分析。对于初始标准容量,选取CN为第一次运算的电池总容量CM1(即SoH=1),之后随着SoH的变化按式(12)不断修正,而消耗的标准电量CΔ在放电过程中不断积分累加,一旦充电则被置0。根据这种方法测量数据并进行运算,即可得到剩余标准电量CR1和预期剩余时间tl。4识别模块和参数设置为实现系统功能,硬件电路包括信息采集模块、模数转换接口、CPU、显示器、键盘接口、报警电路以及电源电路等。信息采集部分:电压经光耦电路转换成0～5V范围信号;电流经霍尔传感器转换成0～5V范围信号输入A/D,再由A/D转换成数字量送CPU处理;温度采集利用DS18B20数字式温度芯片直接由CPU读取。CPU采用高速8051单片机STC11F60X;显示器采用TFT型LCD,240×320真彩色点阵液晶;报警电路由显示屏闪烁报警和蜂鸣器发声报警两部分组成;电源模块采用LM2576s-5.0产生5V电压给系统供电,再经IL1117-3.3产生3.3V低压给液晶显示屏供电。整体结构如图1所示。该检测仪有4个主要功能,分别是电池运行监测、状态信息显示、历史记录和系统参数设置。在电池运行监测功能中,包括4个子功能,具体如图2所示。由图2可以看出,其下方是放电强度显示,即放电电流大小,如此值过大,检测仪会发出警报并自动切断主电路;上方是剩余时间的预估,这个预测是基于放电电流和剩余电量条件下的;左侧是电池平衡状况的显示,体现出各节电池电压的偏差,偏差较大即自动报警;右侧是剩余电量的显示,电量过低也会发出警报。如果需要进一步了解各节电池的具体信息时,可进入状态信息显示功能(见图3)。除电池的一些基本信息外,根据各数据的计算还会给出荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)的打分情况(以100%为满分)。历史记录和系统参数设置功能,分别如图4和图5所示。历史记录中能自动记录下电池的使用时间、充放电次数、过度放电次数和深度放电次数。而系统参数设置中不仅能设置时间,还可根据使用电池种类的不同自主调节,自动更换算法中的某些参数。如标准容量、下限电压、上限电流、下限容量及上限温度。5放电电流与电压的线性拟合实验蓄电池检测仪的可行性主要体现在两个方面,数据采集的准确性和原理应用的合理性。信息采集包括电压、电流和温度3个参数,在单片机系统中这些数据均被转化为0～5V的电压信号。而这些数据的运算是基于它们与标准电压之间的线性关系,于是验证这种数据采集的准确性即为验证与标准电压的线性关系。以主电流检测为例,采用霍尔型电流传感器将电流转化为0～5V电压信号,而0～5V电压信号可由检测仪中的A/D直接转换为数字信号进行运算,精度为12位,为了简便,只精确到到0.01。利用恒流负载和0～15A标准电流表(精度为0.05A)调节电流为0,0.5,1,…,9A,从检测仪中读出相应的电压值,具体见表1。经Matlab编程可得电流检测电路测试中电流与电压的线性拟合情况(见图6)。所得电流与电压的线性拟合函数为,其中线性回归分析中的调整后的复决定系数为0.9994,大于0.95,线性拟合度非常高。为了验证精确度,取0.3,1.3,2.3,…,8.3A进行实验,得到对应的电压值,带入线性拟合函数中,得到电流的实验值,将其进行比较,发现最大绝对误差仅为0.03A,精确度能达到0.05A,说明电流检测电路精确度较高。同时还进行电压检测电路和温度检测电路的测试实验,都获得了较高的检测电路精度。原理应用的合理性最主要涉及到通过实验测定Peukert方程中的n大小,并验证此方程在实际应用中的精确性。实验采用恒流放电的方法,通过自行设计的恒流负载调节放电电流分别为3,5,7,9A,测量放电时间,实验数据见表2。应用最小二乘法拟合T=K·I-n,经Matlab拟合可得电流与放电时间的拟合曲线(见图7)。所得电流值I与放电时间T拟合函数为T=26.95×I-1.251,调整后的复决定系数为0.9999,拟合度非常高。根据已知条件,额定电流4A下放电时间为5h,将4A带入,计算得出时间为4