周在芳，蹇小平，成振坤，馮 鎮(zhèn)，朱文艷

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

傳統(tǒng)駕駛員培訓(xùn)教練車(chē)絕大部分時(shí)間都處于低檔位、慢車(chē)速狀態(tài)，油耗高、排放污染嚴(yán)重，而電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中具有近乎零排放，不消耗石油等特點(diǎn)，已經(jīng)得到大部分車(chē)輛生產(chǎn)商的青睞。因此，將燃油教練車(chē)改為純電動(dòng)教練車(chē)具有非常可觀的實(shí)用意義與經(jīng)濟(jì)意義。

本文教練用純電動(dòng)車(chē)由駕校常用車(chē)SANTANA LX改制而成，改制后其組成同燃油車(chē)相同，包括能源及驅(qū)動(dòng)部分、底盤(pán)、車(chē)身與電氣設(shè)備，能源及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為其核心由電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、輔助系統(tǒng)與能源系統(tǒng)三部分組成。另外該類(lèi)車(chē)可以白天工作晚上充電，根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果確定了該車(chē)日工作量所需能量，通過(guò)匹配確定了所需電池塊數(shù)和型號(hào)。通過(guò)綜合分析，我們采用了滿足研究要求且成本相對(duì)較低的鉛酸蓄電池4-D-135，其額定電壓8 V，額定容量135 Ah。

蓄電池作為該車(chē)能量的惟一來(lái)源，為將有限的能量發(fā)揮到最大化、及時(shí)了解蓄電池組的電量狀態(tài)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套能量管理系統(tǒng)，對(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行適時(shí)在線監(jiān)測(cè)，并將蓄電池參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)同電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合。

蓄電池性能狀態(tài)主要由電壓、電流、容量和內(nèi)阻來(lái)體現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的管理控制功能，我們需要選擇恰當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)上述4個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并予以顯示，方便駕駛員或檢修人員得知電池組狀況，及早地判斷出故障電池；然后通過(guò)一定的算法計(jì)算出電池的荷電狀態(tài)SOC、估計(jì)續(xù)航里程，并將結(jié)果傳給顯示儀表；同時(shí)將上述所測(cè)信號(hào)及SOC值輸送給控制器，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和對(duì)整車(chē)的控制；最后，當(dāng)蓄電池狀態(tài)參數(shù)及SOC值超過(guò)設(shè)定值時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

通過(guò)綜合分析，最終得出各參數(shù)的以下測(cè)量方法和對(duì)SOC的估算方法。

1 參數(shù)監(jiān)測(cè)方法

電池參數(shù)測(cè)量作為能量管理系統(tǒng)的核心任務(wù)，其主要功能是對(duì)電池電壓、電流、溫度及內(nèi)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，對(duì)電池的荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)并估計(jì)續(xù)駛里程。另外，為了方便管理及擴(kuò)展，我們將電壓、電流、內(nèi)阻及溫度的測(cè)量進(jìn)行模塊化。

1.1 電壓測(cè)量

為避免電池的不均衡性導(dǎo)致的局部過(guò)充或過(guò)放所引起的安全問(wèn)題，為了借助電壓差異盡早預(yù)測(cè)故障電池，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須對(duì)電池單體及幾個(gè)單體電池組的電壓進(jìn)行測(cè)量。另外，控制器可利用電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的修正，及對(duì)電池放電電流和電機(jī)等的控制。

常見(jiàn)電壓檢測(cè)方法有分布檢測(cè)法、集中檢測(cè)法、分布/集中檢測(cè)法、巡檢法等。集中檢測(cè)法引線多而長(zhǎng)、布線復(fù)雜，從而易引入干擾、線阻較大、影響測(cè)量精度，安全性不好，集中檢測(cè)法通常用于蓄電池個(gè)數(shù)較多的檢測(cè)系統(tǒng)中。由于該教練車(chē)電池塊數(shù)少，我們無(wú)需考慮由于模塊多而造成費(fèi)用高的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了和測(cè)量準(zhǔn)確穩(wěn)定的角度，可以采用分布檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各塊蓄電池的電壓測(cè)量。巡檢法技術(shù)成熟，成本低，解決了由于運(yùn)算放大器等芯片的參數(shù)不均勻而引起的一致性差的問(wèn)題。綜合分析，針對(duì)實(shí)際情況，分布檢測(cè)法、巡檢法均可采用，兩者具體介紹如下。

1.1.1 分布檢測(cè)法

分布檢測(cè)法是將單塊電池電壓及溫度的檢測(cè)模塊化，模塊和電池單體一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)一定的通信手段將各檢測(cè)模塊檢測(cè)的數(shù)據(jù)集中起來(lái)，然后統(tǒng)一處理。檢測(cè)原理見(jiàn)圖1，檢測(cè)模塊內(nèi)部電路見(jiàn)圖2。

該檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)和通信兩大功能，檢測(cè)模塊要完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù)，而通信模塊則要實(shí)現(xiàn)與主控部分的信號(hào)傳遞，即上傳由檢測(cè)模塊獲取的檢測(cè)數(shù)據(jù)，接收主控電路的指令。為適應(yīng)汽車(chē)電器的發(fā)展方向，我們考慮采用CAN總線進(jìn)行通信。

利用分布式模塊解決了參考點(diǎn)問(wèn)題，利用CAN總線通信方式 (采用光耦器件)可以解決主控機(jī)與檢測(cè)模塊的隔離問(wèn)題。

通常分布檢測(cè)法的主要優(yōu)點(diǎn)有：①連線簡(jiǎn)單、性能可靠；②省去了多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；③可達(dá)到較高的測(cè)量精度；④符合汽車(chē)電器總線化的趨勢(shì)。

分布式檢測(cè)還必須解決以下幾個(gè)問(wèn)題：①檢測(cè)模塊與電池組之間一般沒(méi)有隔離，易造成干擾；②當(dāng)模塊較多時(shí)，使得成本和復(fù)雜度提高，并對(duì)通信總線的負(fù)載能力有較高的要求；③由于檢測(cè)模塊由被測(cè)電池供電，所以檢測(cè)模塊的功耗要盡可能的小，否則過(guò)多消耗蓄電池的能量，減少了蓄電池組用于行駛的能量[1]。

1.1.2 巡檢法

該巡檢法測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)計(jì)通過(guò)移位開(kāi)關(guān)電路依次選通被測(cè)回路，通過(guò)A／D采集單路數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集。電路中的信號(hào)巡檢部分如圖4所示，電路共n路輸入 （由電池塊數(shù)決定），圖4中只表示出其中兩路。

該測(cè)量方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路簡(jiǎn)單——PCB板制作和布線過(guò)程得以簡(jiǎn)化；②成本低——采集電路中主要成本來(lái)自ADC，而該電路只需要1個(gè)ADC；③能夠解決由于運(yùn)算放大器等芯片的參數(shù)不均勻而引起的一致性較差的問(wèn)題[2]。

1.2 內(nèi)阻測(cè)量

內(nèi)阻是反映電池性能的重要參數(shù)，電池處于不同的電量或處于不同的使用壽命狀態(tài)下，它的內(nèi)阻值是不一樣的。通常情況下，內(nèi)阻小的電池放電能力強(qiáng)，而內(nèi)阻大的電池放電能力弱，因此依據(jù)電池內(nèi)阻可以迅速而可靠地診斷電池狀況。

事實(shí)證明，在直流測(cè)試的情況下，其內(nèi)阻與容量相關(guān)系數(shù)很高，通過(guò)大量的試驗(yàn)可得出其相關(guān)系數(shù)。所以可以通過(guò)測(cè)量蓄電池的內(nèi)阻，對(duì)其性能狀態(tài)及健康情況進(jìn)行評(píng)估。

內(nèi)阻的測(cè)量方法主要有直流法和交流法，由于直流測(cè)電阻需要串聯(lián)一個(gè)相對(duì)較大的輔助電阻，消耗了過(guò)多的蓄電池能量，所以本方案采用交流法對(duì)內(nèi)阻進(jìn)行在線測(cè)量，即向被測(cè)電池輸入一個(gè)交流低頻小信號(hào)，測(cè)量其反饋的電壓值，通過(guò)電壓與電流的比值，即可得到蓄電池的內(nèi)阻。采用交流法對(duì)單電池內(nèi)阻進(jìn)行在線檢測(cè)，原理圖如圖5所示。

測(cè)量時(shí)先接通KA和KB，測(cè)量電流有效值為I，然后接通開(kāi)關(guān)K1與K2，測(cè)出E1上交流電壓的有效值，由這兩個(gè)測(cè)量值算出電池E1的內(nèi)阻：R1=U1／I。同理依次接通開(kāi)關(guān)Ki和Ki+1，測(cè)得電池Ei上交流電壓有效值，就測(cè)得各電池的內(nèi)阻

1.3 電流測(cè)量

電流信號(hào)的采集由高精度的電流傳感器完成，可以選擇霍爾傳感器，其抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短、精度高。另外，雖然電壓、電流測(cè)量被分開(kāi)說(shuō)明，但它們被集中于同一個(gè)模塊中。

因?yàn)樾铍姵卮?lián)連接，整體電流與每塊蓄電池電流相等，所以只需測(cè)蓄電池的輸出電流，即電動(dòng)機(jī)的輸入電流即可。

經(jīng)電流傳感器轉(zhuǎn)換后電流信號(hào)變?yōu)檎?fù)電壓信號(hào)，將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)加法器進(jìn)行適當(dāng)處理后輸入給反相比例放大器，將功率放大后送入A／D芯片進(jìn)行處理，此時(shí)完成了電流采集任務(wù)[4]，其電路如圖6所示。

1.4 溫度信號(hào)采集

具體測(cè)量方案如下：為節(jié)省空間、合理布局，蓄電池將被裝在電池箱中，為保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性,根據(jù)需要在每個(gè)電池箱內(nèi)設(shè)置若干個(gè)測(cè)溫點(diǎn),溫度傳感器均勻分布在電池單體上，傳感器適時(shí)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的巡檢。

溫度的采集通道由溫度傳感器、低通濾波器以及A/D轉(zhuǎn)換電路組成。溫度傳感器可采用熱敏電阻，經(jīng)RC低通濾波器后的溫度信號(hào)經(jīng)由模擬多路開(kāi)關(guān)送給A/D實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，溫度檢測(cè)電路如圖7所示[5]。

2 SOC估算實(shí)現(xiàn)

2.1 SOC的定義

蓄電池的荷電狀態(tài) SOC(state of charge)是蓄電池中最重要的一個(gè)概念，被用來(lái)反映電池剩余電量。對(duì)于蓄電池，SOC在數(shù)值上等于電池剩余容量和電池總?cè)萘康囊粋€(gè)相對(duì)量，通常把一定溫度下，蓄電池充電到不能再吸收電量時(shí)的電量狀態(tài)定義為SOC=100%，而將蓄電池再不能放出電量時(shí)的電量狀態(tài)定義SOC=0。如下式所示

式中：Cr——電池的剩余電量；Cn——電池的額定容量。

蓄電池荷電狀態(tài)SOC是不能直接測(cè)量到的，只能通過(guò)對(duì)電池外特性參數(shù) (U、I、T、R)的檢測(cè)，然后運(yùn)用一定的關(guān)系推斷得到。

2.2 SOC的計(jì)算方法

目前國(guó)內(nèi)外主要采用的計(jì)算方法有開(kāi)路電壓法、安時(shí)累積法、內(nèi)阻法、放電測(cè)試法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及卡爾曼濾波等。但這些方法單獨(dú)使用時(shí)都存在不同程度的缺陷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法需要對(duì)其模型進(jìn)行訓(xùn)練以得到大量的所需數(shù)據(jù)；而卡爾曼濾波法計(jì)算量太大；放電測(cè)試法需要較長(zhǎng)時(shí)間，并且需停止電池工作，一般用于電池維修[4]；開(kāi)路電壓與初始電量有一個(gè)明確的關(guān)系，具體關(guān)系可以通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確定，所以開(kāi)路電壓法在充電初期和末期系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)SOC估計(jì)效果好。內(nèi)阻與電池SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系并非完全線性，具體關(guān)系需要通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)獲取，導(dǎo)致SOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，所以內(nèi)阻法實(shí)現(xiàn)起來(lái)也有一定的難度。

相較而言，安時(shí)累積法更簡(jiǎn)單可靠且易于實(shí)現(xiàn)，綜合分析，我們采用開(kāi)路電壓法與修正的安時(shí)累積法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)SOC的估算，因?yàn)殡姵厝萘颗c蓄電池開(kāi)路電壓有較確定的關(guān)系，所以配合使用開(kāi)路電壓法，通過(guò)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓來(lái)預(yù)測(cè)蓄電池的初始容量，之后用實(shí)時(shí)的檢測(cè)電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，此外加上充放電次數(shù)、自放電、充放電倍率及溫度這些因素的修正，從而求出SOC值。

本系統(tǒng)采用修正的安時(shí)累積-開(kāi)路電壓法?；竟饺缦?/p>

式中：En——電池初始電量；δ——充放電效率系數(shù)；i——當(dāng)前電流，充電時(shí)為負(fù)，放電時(shí)為正。

由于蓄電池工作時(shí)容量會(huì)隨充放電次數(shù)、自放電、充放電倍率、溫度等因素影響而變化，計(jì)算時(shí)對(duì)其作修正。最后得出SOC計(jì)算公式如下

式中：δ——充放電倍率；Wc——充放電次數(shù)修正；Wz——自放電修正；Wt——溫度修正。電池初始容量En通過(guò)測(cè)試開(kāi)路電壓，按照確定的關(guān)系計(jì)算得出。

3 結(jié)論

1）本文對(duì)電池狀態(tài)的主要參數(shù)：電壓、電流、溫度、電阻的檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。根據(jù)實(shí)際情況分別設(shè)計(jì)了合理的檢測(cè)方法，但測(cè)量方法還有待完善。

2）目前提出的SOC計(jì)算方法較多，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用廣泛、技術(shù)較成熟的是安時(shí)累積法，為了彌補(bǔ)安時(shí)累積法的缺點(diǎn)，我們將此方法結(jié)合開(kāi)路電壓法對(duì)SOC進(jìn)行估計(jì)。

3）線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法是比較前沿的方法，仍需要不斷研究探索。

4）考慮了電池充放電倍率、溫度、自放電、老化等因素對(duì)電池SOC的影響，使計(jì)算結(jié)果更加精確。

5）由于內(nèi)阻與剩余電量存在一定的關(guān)系，具體關(guān)系是什么，以及如何有效合理地利用這一關(guān)系來(lái)估計(jì)SOC，仍需繼續(xù)研究。

6）蓄電池各參數(shù)測(cè)量模塊化，非專(zhuān)業(yè)人員就可應(yīng)用，而不需重新研究設(shè)計(jì)、搭建硬件等。并且該測(cè)量系統(tǒng)不局限于蓄電池參數(shù)的測(cè)量，在其他領(lǐng)域 （只要是對(duì)多個(gè)溫度、電壓、電流這些模擬量的測(cè)量）也可以使用。同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約空間，也節(jié)約成本。另外，在以后的工作中，我們將對(duì)各模塊統(tǒng)一供電，以減少對(duì)蓄電池的電量消耗。

［1］蹇小平.電動(dòng)汽車(chē)蓄電池參數(shù)集中/分布檢測(cè)法[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，5（27）：103-106.

［2］盧居霄，黃文華.電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的多路電壓采集電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2006，（5）：103-106.

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