李匡成，劉巖，楊亞麗，孫磊

（1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072；2.96111部隊(duì)，陜西韓城710013；3.73089部隊(duì)，江蘇徐州221004）

李匡成1，劉巖1，楊亞麗2，孫磊3

（1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072；2.96111部隊(duì)，陜西韓城710013；3.73089部隊(duì)，江蘇徐州221004）

為在線檢測(cè)鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)，基于6-TKA-180型鉛酸蓄電池建立其等效電路模型并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法進(jìn)行了鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)在線檢測(cè)的可靠性與準(zhǔn)確性。

鉛酸蓄電池；荷電狀態(tài)；擴(kuò)展卡爾曼濾波；在線檢測(cè)

1 擴(kuò)展卡爾曼濾波算法原理

卡爾曼濾波算法是R.E.Kalman于1960年提出的基于最小均方差的數(shù)字濾波算法，用于估算動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。由于鉛酸蓄電池在充放電過程中產(chǎn)生復(fù)雜的化學(xué)變化，導(dǎo)致模型中各個(gè)參數(shù)是多維、非線性的關(guān)系，針對(duì)這一特性，本文采用適用于非線性離散系統(tǒng)的EKF算法在線檢測(cè)鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)。模型如下：

式(1)為系統(tǒng)的狀態(tài)方程，式(2)為系統(tǒng)的輸出觀測(cè)方程。

由于采用了泰勒級(jí)數(shù)展開方式對(duì)非線性函數(shù)進(jìn)行線性化，進(jìn)而得到類似于線性系統(tǒng)的卡爾曼濾波器的方程，這種濾波方法稱為EKF算法[1-3]。

離散系統(tǒng)的EKF濾波器：

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

裝置設(shè)計(jì)主要由檢測(cè)模塊、分析處理模塊和顯示模塊三部分組成，如圖2所示。

圖1 EKF算法結(jié)構(gòu)圖

圖2 裝置總體設(shè)計(jì)圖

檢測(cè)模塊主要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集蓄電池的端電壓和充放電電流信號(hào)。蓄電池端電壓的測(cè)量可在蓄電池的接線端子上安插檢測(cè)接口。充放電電流的檢測(cè)采用電流傳感器，將充放電電流大小轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。采集的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)光耦隔離和信號(hào)放大后，輸出給分析處理模塊。分析處理模塊是以TMS320F2808 DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心的控制處理模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)模塊輸出數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，并依托內(nèi)嵌EKF算法實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)的在線估計(jì)；顯示模塊采用1602字符型LCD對(duì)所估計(jì)出的荷電狀態(tài)進(jìn)行液晶顯示[4]。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本裝置的硬件裝置主要由信號(hào)采樣調(diào)理電路、DSP控制電路、液晶顯示電路、輔助電源電路等部分組成。

3.1 采樣及調(diào)理電路的設(shè)計(jì)

對(duì)直流電壓的采集利用兩個(gè)精密電阻分壓取比例電壓經(jīng)放大電路后得到。由于采樣回路與主電路必須隔離，所以差分放大后的信號(hào)需要經(jīng)過一個(gè)高速光耦進(jìn)行隔離才能輸入到DSP的ADC引腳處[5]。直流電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 電壓采集電路

對(duì)直流電流的采集選用了閉環(huán)霍爾電流傳感器。霍爾傳感器可以使測(cè)量回路和主回路隔離，主回路發(fā)生故障不會(huì)導(dǎo)致測(cè)量回路發(fā)生故障，同時(shí)測(cè)量回路不會(huì)給主回路帶來干擾。直流電流采樣電路如圖4所示。

圖4 電流采樣及調(diào)理電路

3.2 液晶顯示電路的設(shè)計(jì)

液晶顯示電路分為三部分：DSP控制器、液晶顯示模塊以及隔離緩沖電路。DSP與LCD顯示的數(shù)據(jù)交換是通過GPIO實(shí)現(xiàn)的，GPIO的使用是通過對(duì)控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的編程實(shí)現(xiàn)的，主要完成功能選擇以及I/O口方向選擇等功能。液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示原理圖

其他輔助電路還有DSP控制電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、DSP復(fù)位電路和DSP供電電源電路等[6]。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本檢測(cè)裝置軟件部分主要由AD采樣及數(shù)字濾波子程序、EKF算法子程序、故障處理程序以及顯示子程序四部分組成，主程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4.1 EKF算法子程序

EKF算法子程序主要在鉛酸蓄電池電壓、電流信號(hào)采樣及調(diào)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)EKF算法方程進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)?？柭鲆嬗?jì)算子程序主要根據(jù)系統(tǒng)模型和觀測(cè)模型的噪聲特性計(jì)算卡爾曼增益。EKF算法子程序流程圖如圖7所示。

4.2 顯示子程序

在每一次EKF算法完成對(duì)鉛酸蓄電池狀態(tài)的濾波估計(jì)后，調(diào)用LCD顯示子程序，將濾波估計(jì)的值進(jìn)行液晶顯示。LCD顯示子程序流程圖如圖8所示。

圖7 EKF算法子程序流程圖

圖8 LCD顯示子程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9為實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖。該電路板主要由信號(hào)調(diào)理模塊、電源模塊、分析處理模塊、觸發(fā)控制以及液晶顯示等部分組成?；诖穗娐钒暹M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，液晶顯示正常，進(jìn)一步驗(yàn)證了本檢測(cè)裝置的可靠性。

圖9 鉛酸蓄電池在線檢測(cè)實(shí)物圖

在此基礎(chǔ)上，對(duì)6-TKA-180型鉛酸蓄電池進(jìn)行恒流充電，充電電流大小為20A，誤差為5%，充電時(shí)間為2200 s。得到充電狀態(tài)下鉛酸蓄電池的變化如圖10所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證軟件調(diào)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合放電法容量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖10中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)如表1所示。

圖10 鉛酸蓄電池變化圖

表1 荷電狀態(tài)估計(jì)曲線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)橫縱坐標(biāo)

在充電完成后，為了驗(yàn)證其現(xiàn)有容量與檢測(cè)結(jié)果是否一致，對(duì)鉛酸蓄電池以20h放電率進(jìn)行恒流放電至截止電壓1.75V，記錄用時(shí)593min，得到放出的容量為88.95Ah，現(xiàn)有為0.494167。由此得到其放電初始時(shí)刻為0.494167，結(jié)合表1可得測(cè)量誤差為2.9%。

在本實(shí)驗(yàn)中，還需進(jìn)一步驗(yàn)證2200 s的充電過程中鉛酸蓄電池檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

由上可以得到：應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)進(jìn)行在線估計(jì)的裝置設(shè)計(jì)是可靠的、準(zhǔn)確的，進(jìn)一步驗(yàn)證了該檢測(cè)裝置的可靠性與準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

[1]李秉宇，陳曉東.基于卡爾曼濾波器的蓄電池剩余容量估算法[J].電源技術(shù)，2010(9)：931-934.

[2]符拯，王書滿，劉丙杰.自適應(yīng)卡爾曼濾波的最新進(jìn)展[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2009(6)：62-66.

[3]劉勝，張紅梅.最優(yōu)估計(jì)理論[M].北京：科學(xué)出版社，2011：133.

[4]蘇奎峰.TMS320X281xDSP原理及C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]李朝青.單片機(jī)&DSP外圍數(shù)字IC技術(shù)手冊(cè)[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6]胡旭杰.基于DSP控制的蓄電池充放電系統(tǒng)研究[D].北京：裝甲兵工程學(xué)院，2010.

Device design for estimatingof lead-acid battery based on extended Kalman filtering

LI Kuang-cheng1,LIU Yan1,YANG Ya-li2,SUN Lei3

The equivalent circuitmodel based on the tape of 6-TKA-180 battery to estimate theof the Lead-acid Battery was established,and the state parameters were estimated.Through the extended Kalman filtering, a device tomonitor theof the Lead-acid Battery on-line was designed.And through the experiment,the reliability and veracity of theon-linemonitoring of the Lead-acid Battery based on the extended Kalman filtering were proved.

lead-acid battery;state of charge;extended Kalman filtering;on-linemonitoring

TM 912

A

1002-087 X(2014)10-1848-03

2014-03-08

李匡成（1965—），男，湖南省人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。