基于LIN總線的純電動車電池管理系統(tǒng)設(shè)計

2.2.3 電池SOC 的估算和運(yùn)行控制策略

　　在對SOC 進(jìn)行估算時，一個準(zhǔn)確和合適的模型是非常需要的，對于Kalman 濾波算法來說精確的SOC 的估算是建立在精確的電池模型的基礎(chǔ)上。Thevenin 模型是目前來說比較準(zhǔn)確的模型，該模型對電池的外特性的描述采用電池電動勢、一個純電阻和一個容阻回路串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)，其電氣模型的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：

　　式（1）中k 為k 時刻，E（k）為電池端電壓，V（k）是電池電動勢，R1 是電池的歐姆內(nèi)阻，R2 是電池的極化內(nèi)阻，Uc 是電池的極化電壓，電容R2C 回路是用于模擬電池極化過程中的動態(tài)特性。考慮到溫度影響的情況下，電池的電動勢與荷電狀態(tài)有式（3）的關(guān)系：

　　式中：F【Soc(k)】 是電池與電動勢的函數(shù)關(guān)系， Soc(k）表示電池在不同溫度下電動勢相對于參考條件下的變化量。通過以上公式，在進(jìn)行離散化后得到狀態(tài)空間方程如下。

　　狀態(tài)空間方程準(zhǔn)確地給出了系統(tǒng)相關(guān)的系數(shù)矩陣A（K）、B（K）、C（K）、D（K）和常數(shù)矩陣W（K）、V（K），基于以上方程及相關(guān)矩陣，可以得到擴(kuò)展Kalman 濾波估算算式。

　　擴(kuò)展Kalman 濾波算法由濾波器計算和濾波器增益計算兩部分組成：濾波器計算由式（6）~（8）完成，在k 時刻，由式（7）利用（k-1）時刻的濾波結(jié)果得到SOC 的預(yù)測值，再根據(jù)狀態(tài)空間方程（6）得到在k 時刻的狀態(tài)變量預(yù)測值V（K），并與實(shí)際測量值比較后得到預(yù)測誤差， 然后根據(jù)式（8）對狀態(tài)變量的預(yù)測值修正，得到新的濾波結(jié)果。濾波器增益計算由式（9）~（11）完成，式中Q和R 分別是噪聲W （k）和V （k）的方差陣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　本設(shè)計的底層ECU 的電路板如圖7 所示，每個單體電池上都會固定一塊底層ECU 的電路板。

　　在不同的充電策略下來檢驗(yàn)電池管理系統(tǒng)的工作情況，通過檢測電池組中各個單體電池的充放電電壓、電流、溫度、SOC 等參數(shù)，與實(shí)際值相比較來說明系統(tǒng)的檢測精度，如圖8所示，其中數(shù)據(jù)每分鐘記錄一次，橫坐標(biāo)為時間min.

　　本設(shè)計設(shè)定充放電時電壓上限為3.65 V,電壓下限為2.95 V.溫度報警為上限80 ℃。實(shí)驗(yàn)對電池進(jìn)行充電，最終充電電壓均在3.53~3.62 V,充電過程最大偏差50 mV,其中電池電壓誤差小于1%要求；此外，溫度測量誤差滿足1%要求，電流測量精度為1%,SOC 誤差在8%以內(nèi)。當(dāng)對單體電池實(shí)施人為過電壓時，系統(tǒng)能及時進(jìn)行報警和顯示。通過實(shí)驗(yàn)表明本電池管理系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期的電池參數(shù)檢測的目標(biāo)，且都能滿足精度要求。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計開發(fā)了一種磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)，基于分布式方法檢測各個單體電池的參數(shù)，引入了LIN 總線技術(shù)，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電池實(shí)時監(jiān)測與保護(hù)、SOC 估算、LIN 總線通信等功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度較高、能有效地保護(hù)電池組，用LIN 總線代替常用的CAN 或RS232 通信，為設(shè)計新型電動汽車電池管理系統(tǒng)提供了重要依據(jù)。