基于老年代步车的电池能量管理系统设计
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摘 要
本文主要研究对象是老年代步车的电池能量管理系统，根据锂电池的优良特性，使用磷酸铁锂电池，设计电池能量管理系统的系统结构图，针对锂电池使用过程中估算电池荷电状态问题，提出一种新型的soc估算方法，对电池能量管理系统进行总体设计，再进行系统设计与分析，检测出soc估算的可操作性。
关键词
电池能量管理系统;系统结构图;soc估算;系统设计与估算
中图分类号： TM912 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 47
Abstract
In this paper， the main research object is old walking car battery power management system， according to the excellent characteristics of lithium batteries， using lithium iron phosphate batteries， battery energy management system system structure diagram， for lithium battery used in the process of estimating the battery charged state issues， put forward a new kind of soc estimation method， the battery energy management system for the overall design， systems design and analysis， to detect the operability of soc estimation.
Key words
Battery energy management system; System structure diagram; Soc estimation; System design and estimation
0 引言
老年代步车作为一种老年人出行工具，将逐渐成为社会的潮流。老年代步车的关键在于其动力电池，动力电池及其应用技术的产业化发展，也是制约老年代步车产业化发展的瓶颈。其中，电池能量管理系统是动力电池应用技术的核心。锂电池以较为优良的自身特性，在众多种类的电池中脱颖而出。本文主要设计的电池为磷酸铁锂电池，它的主要优点在于材料成本低，铁储量丰富，体积重量小，超长寿命等，其性价比在电池行业中首屈一指。
作为电池能量管理系统，其剩余电量是最重要的指标之一，对剩余容量的估计也是本文的核心之一，选择合适的soc预测算法，再对电池能量管理系统主控系统进行设计，最后用实验检测系统的可操作性以及可靠性。
1 soc估算方法的选择
这个定义是理想化的定义，没有考虑到电池寿命，以及温度，充放电时间、次数，对电池的影响，所以选择合适的预估方法尤为重要，最常见的几种预估方式有以下几种：（1）安时积分法，也成库伦计量法，是把不同电流下的放电电量等效于某个特定电流下的放电电量。（2）放电试验法;主要采用恒定电流对电池进行连续放电至终止电压，放电电流与时间的乘积即为使用电量。（3）开路电压法，工作电流为零时的情况下，通过测量动力电池的开路电压来估计电池的soc。（4）内阻法，一般运用于铅酸电池与镍氢电池。（5）神经网络法与模糊控制法，模拟人脑来进行信息的传输，具有较好的自学习性。（6）卡尔曼滤波法。
由于卡尔曼滤波法与神经网络法虽然能较好地估计soc，但其涉及的运算量太大，且需要的数据太多，建立的模型较为复杂，故在本次设计中不采用这几种方法。安时积分法在充放电初期与末期对soc有较好的估计作用，但是在充放电其他时刻的估计效果较差，所以我们采用开路电压法结合安时积分法对soc进行预估。
2 soc方案的估计
要验证soc方案的可取性以及可靠性，可以利用充放电实验来检测，由于其锂电池的特殊性，需要静置45分钟以上才可以保证充电电压与电流的稳定性，提高估算的精度。而且在实验过程中，不应该只计算一次soc的值，为了soc的估算可靠，应该多测量几次取平均值。
2.1 soc充电方案估计流程图
流程图说明：主控系统采集到的电压信号进入系统，判断两次开关机时间间隔，在开路电压法中，当开机时间间隔大于45分钟时，开路电压才稳定，测得开路电压以后，可以通过查找开路电压表获得对应的剩余容量初始值。最后再根据模型公式求得最终的剩余容量。
2.2 soc放电方案估计流程图
流程图说明：将电流采集模块采集到的电流信号传输给主控制器，进入主控制器以后，判断两次开机时间间隔，若间隔大于45分钟，进行开路电压的测量，若小于45分钟，直接读取上一次的荷电值，在测量完开路电压以后，在开路电压表里查找对应的荷电量初始值用来进行放电工作，先将电池放电一段时间，再计算出放电时间，看是否大于15分钟，如果大于15分钟就进行负载电压的测量以及当前时刻荷电量的计算，再通过查找负载电压表得到当前状态下的荷电量，与求出来的当前时刻的荷电量做和取平均值，这样可以增加电池荷电量的准確度。
3 电池管理系统的硬件设计
本设计中的电池能量管理系统，主要应包括电池的数据采集模块，主控模块、均衡模块以及通讯输模块几大部分，其中数据采集模块主要包括电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块，通讯模块主要采取的是CAN总线通讯方式。本次电池能量管理系统的机构图如下图3所示。
从图中可以看出，在充放电过程中，先将电压信号，电流信号以及温度信号通过数据采集模块传输到主控系统上，主控系统通过建立的数学模型，确定的模型算法来估算电池的soc，同时主控系统还包括了安全管理控制，热管理以及能量管理几大部分，将处理好的信号通过CAN总线发送给互联网，互联网将接收到的信号进行分析、处理，最后将处理完成的信号发送给PC与手机，实现了锂电池的充放电的能量管理。其中主控系统是整个系统的核心，对整个系统的设计主要就是对主控系统的设计，在主控芯片选择的基础上，应当考虑计算能力强，处理速度快，功能完善，功耗低，工作频率高，存储容量大，集成度高等特性，所以主控芯片可以选择STM32f103系列。
4 系统的检验与结论
本设计主要是用实验检验电池能量管理系统的优越性，实验用到的设备跟仪器主要有以下几样：锂电池电池组、STM32f103系列主控制器、PC机一台、手机一部、数字万用表、稳压电源、示波器等。用组建好的实验平台测试电池能量管理系统的稳定性以及可靠性，由于实验存在一定的误差，所以需要多次反复测量取平均值，将得到的实际平均值与理论平均值做对比，得到的误差在3左右，所以可以证明本设计用开路电压法结合安时积分法是一种合理的估计soc的方式。
参考文献
[1]孙欢.锂离子电池能量管理系统设计与研究[D].重庆：重庆交通大学，2015，4.
[2]孙波.动力锂电池组能量管理系统的设计与研究[D].重庆：西南大学，2013，5.
[3]陈宏宇.纯电动汽车产业发展对策思考[J].科学论坛，2012（34），15.
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