陳 巍，王國富,2，張法全，葉金才

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西無線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

基于ARM電池檢測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 巍1，王國富1,2，張法全1，葉金才1

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西無線寬帶通信與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

針對(duì)電池組進(jìn)行充放電時(shí)，電池組內(nèi)每個(gè)電池存在荷電狀態(tài)(SOC)值不一致的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了電池檢測(cè)管理系統(tǒng)。提出了基于開路電壓法、安時(shí)計(jì)量法以及卡爾曼濾波算法相結(jié)合的SOC值估計(jì)方法，通過飛渡電容實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池之間能量的轉(zhuǎn)移，最終使每個(gè)電池的SOC值趨向于一致。測(cè)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池組進(jìn)行充放電時(shí)，電池檢測(cè)管理系統(tǒng)能夠有效地解決每個(gè)電池SOC值不一致的問題，大大地提升了電池的使用壽命和使用效率。

電池；卡爾曼濾波；SOC值估計(jì)；均衡控制

目前國內(nèi)外蓄電池廣泛應(yīng)用于通信基站、電動(dòng)機(jī)車、不間斷電源(UPS)等領(lǐng)域。為了符合電壓要求和輸出功率要求，需要將幾個(gè)或者幾十個(gè)，甚至上百個(gè)蓄電池串聯(lián)使用。雖然同型號(hào)的蓄電池組成電池組之前都經(jīng)過嚴(yán)格的篩選，但是在使用的過程中，不可避免地會(huì)使每個(gè)蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)值逐漸不一樣，使蓄電池的一致性變差。電池組充放電存在“木桶效應(yīng)”，即最差的電池決定了電池組的使用效率和標(biāo)稱容量，如果對(duì)這種現(xiàn)象不予重視，時(shí)間久了會(huì)導(dǎo)致電池組的使用壽命和使用效率快速下降。針對(duì)以上問題，本文提出了電池檢測(cè)管理系統(tǒng)方案，結(jié)合開路電壓法[1]和按時(shí)計(jì)量法[2]，同時(shí)利用卡爾曼濾波算法[3-6]對(duì)兩者的誤差進(jìn)行修正，對(duì)每個(gè)電池的SOC值進(jìn)行在線估計(jì)，利用飛渡電容將高SOC值電池的電量轉(zhuǎn)移到低SOC值的電池中，解決了電池組充放電過程中每個(gè)電池SOC值不一致的問題，延長(zhǎng)了電池組的使用壽命，發(fā)揮了電池組的最大性能。

1 電池檢測(cè)管理系統(tǒng)框架

電池檢測(cè)管理系統(tǒng)框架如圖1所示，主要由均衡控制電路、通信單元、均衡保護(hù)電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)采集電路、ARM主控單元以及上位機(jī)檢測(cè)單元組成。ARM主控單元是管理系統(tǒng)的核心控制單元，實(shí)現(xiàn)SOC值估計(jì)算法、數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)通信、電池保護(hù)控制、電池均衡控制。數(shù)據(jù)采集電路利用ARM主控單元自帶的ADC模塊，對(duì)溫度、電流、電壓進(jìn)行采集。利用這些采集的數(shù)據(jù)，ARM主控單元估算出各個(gè)電池當(dāng)前的SOC值，當(dāng)電池組中每個(gè)電池的SOC值不一樣時(shí)，ARM主控單元開啟均衡控制電路，將高SOC值電池中的電量往低SOC值的電池傳遞，逐漸使電池組中每個(gè)電池的電量都一樣。當(dāng)電池組過放或者過沖時(shí)，ARM主控單元控制均衡保護(hù)電路關(guān)斷電池組回路中的開關(guān)管，使之停止工作。ARM主控單元與上位機(jī)通過MAX485進(jìn)行通信，將采集到的溫度、電流、電壓和SOC值在上位機(jī)上顯示。ARM主控單元通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一些重要的數(shù)據(jù)，用于下次充放電時(shí)對(duì)電池的健康狀況判斷和SOC值的估計(jì)。

圖1 系統(tǒng)框架

2 電池管理系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1 均衡控制電路模塊

均衡控制電路原理圖如圖2所示，C表示飛渡電容，Q表示開關(guān)管，B表示電池。每個(gè)電池都處在由開關(guān)管組成的全橋逆變電路中，全橋逆變電路由互補(bǔ)的PWM方波驅(qū)動(dòng)，電量高的電池通過飛渡電容把電量傳遞給電量低的電池，直到每個(gè)電池電量都一樣。以電池B1和B2為例，當(dāng)VB1=VB2時(shí)，開關(guān)管都關(guān)閉，均衡電路不工作。當(dāng)VB1>VB2時(shí)，開關(guān)管Q1、Q4、Q5、Q8導(dǎo)通，開關(guān)管Q2、Q3、Q6、Q7關(guān)閉，等效電路圖如圖3a所示，虛線部分為電池B1和B2的電流流動(dòng)方向，從圖中可以看到，飛渡電容C1存儲(chǔ)電池B1流過來的電量，飛渡電容C2把上一時(shí)刻從B1得到的電量傳輸給B2。當(dāng)VB1

2.2 數(shù)據(jù)采集電路模塊

數(shù)據(jù)采集電路模塊主要采集電池組工作時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括溫度、充放電電流、電壓。當(dāng)電池組充放電電流過大時(shí)，會(huì)引起電池組溫度快速上升，導(dǎo)致電池組不正常工作，甚至引起爆炸。因此利用溫度傳感器LM35對(duì)電池組中的每個(gè)電池進(jìn)行溫度采集。進(jìn)行充放電電流采樣時(shí)，為了克服使用功率電阻帶來熱量損耗及精度低的問題，本設(shè)計(jì)利用霍爾傳感器對(duì)充放電電流進(jìn)行采集。利用ADC采集霍爾傳感器輸出的模擬量，能夠準(zhǔn)確判斷充放電電流的大小和方向。進(jìn)行電壓采樣時(shí)，為了克服電阻分壓式的不足，本設(shè)計(jì)利用差分電路和電壓跟隨器對(duì)電池組中的每個(gè)電池進(jìn)行電壓采樣，電路原理如圖4所示。

圖2 均衡控制電路

圖3 均衡控制原理

以電池B1為例，電池B1兩端的電壓差

VB1=V2-V1

(1)

(2)

(3)

由式(2)、(3)可以得到

(4)

其中：R1=R2=82kΩ，R3=R4=15kΩ，則

(5)

電容C1和電阻R5構(gòu)成一個(gè)RC濾波器，能夠有效消除電池電壓的紋波，后級(jí)為一個(gè)電壓跟隨器，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出之間的阻抗匹配，即

Vo=V4

(6)

利用ADC采集Vo的模擬量值，通過計(jì)算，就能夠得到電池兩端的電壓值。

圖4 電壓采樣原理圖

2.3 均衡保護(hù)電路模塊

均衡保護(hù)電路原理圖如圖5所示，ARM輸出的IO口電平為3.3 V，因此需要加入驅(qū)動(dòng)芯片TC4420驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q13、Q14。當(dāng)電池組正常工作時(shí)，ARM通過控制驅(qū)動(dòng)電路使CO、DO輸出為低電平，則V1、Q13導(dǎo)通，V2、Q14也導(dǎo)通，電池組可以正常地充放電。當(dāng)ARM檢測(cè)到電池組或者單個(gè)電池過壓時(shí)，控制CO輸出高電平，DO輸出低電平，則V1、M3截止，V2、M4導(dǎo)通，電池組禁止進(jìn)行充電。當(dāng)ARM檢測(cè)到電池組或者單個(gè)電池欠壓時(shí)，控制CO輸出低電平，DO輸出高電平，則V1、Q13導(dǎo)通，V2、Q14截止，電池組禁止放電。ARM檢測(cè)到充放電電流過大或者電池組溫度過高時(shí)，控制CO、DO同時(shí)輸出高電平，則V1、Q13截止，V2、Q14也截止，使電池組停止工作。

圖5 均衡保護(hù)電路原理圖

3 SOC估計(jì)算法

本設(shè)計(jì)利用開路電壓法、安時(shí)計(jì)量法和卡爾曼濾波算法對(duì)電池的SOC值進(jìn)行精確估計(jì)。根據(jù)電池的工作原理可知，電池的SOC值與開路電壓成正相關(guān)，當(dāng)SOC≥20%時(shí)，開路電壓隨著SOC值的下降緩慢下降，當(dāng)SOC≤20%時(shí)，開路電壓隨著SOC值的下降迅速下降，因此根據(jù)開路電壓法，可以確定SOC的初始值。安時(shí)計(jì)量法通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)流入電池的電量或流出電池的電量來計(jì)算當(dāng)前SOC的值，可由以下公式求得

(7)

式中：SOCk+1表示k+1時(shí)刻電池的剩余電量；SOCk表示k時(shí)刻電池的剩余電量；Qn表示電池標(biāo)稱容量；ηi表示充放電倍率系數(shù)；ηT表示溫度影響系數(shù)，電池充電時(shí)i為負(fù)，放電時(shí)i為正?？柭鼮V波能夠消除安時(shí)計(jì)量法的電流累計(jì)誤差和解決開路電壓法測(cè)得SOC初值不精準(zhǔn)問題，對(duì)安時(shí)計(jì)量法和開路電壓法的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行改善?？柭鼮V波算法如下

狀態(tài)方程為

(8)

輸出方程為

y(k)=cx(k)+v(k)

(9)

式中：w(k)為系統(tǒng)噪聲；v(k)為輸出噪聲。估計(jì)器的表達(dá)式為

(10)

(11)

把式(9)、(10)帶入式(11)，令加權(quán)系數(shù)a(k)、b(k)偏導(dǎo)數(shù)為零，求得

(12)

(13)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于ARM控制平臺(tái)，設(shè)計(jì)并制作了均衡控制電路、數(shù)據(jù)采集電路、均衡保護(hù)電路。電路參數(shù)如下：均衡控制電路開關(guān)管的開關(guān)頻率為5kHz，飛渡電容為270μF，溫度、電壓、電流采樣頻率為1kHz。實(shí)驗(yàn)將4只規(guī)格為12V、12AH的閥控鉛酸蓄電池進(jìn)行串聯(lián)，用功率電阻進(jìn)行放電，每個(gè)蓄電池放電截止電壓為10.4V。用一臺(tái)規(guī)格為60V、10A的電源進(jìn)行充電，充電電流最大為4A，當(dāng)充電電流小于400mA時(shí)，停止充電。實(shí)驗(yàn)對(duì)不帶均衡控制電路和帶均衡控制電路的結(jié)果進(jìn)行分析，圖6a是不帶均衡控制電路進(jìn)行10次充放電完全的SOC值，圖6b是帶均衡控制電路進(jìn)行10次充放電完全的SOC值。表1是不帶均衡控制電路連續(xù)10次充電后每臺(tái)蓄電池的電壓值，表2是帶均衡控制電路連續(xù)10次充電后每臺(tái)蓄電池的電壓值。從圖6和表1、表2中可以清楚地看到，不帶均衡控制電路的每臺(tái)蓄電池SOC值最大差為8%，帶均衡電路的每臺(tái)蓄電池SOC值最大差小于1%，不帶均衡控制電路的每臺(tái)蓄電池之間的最大壓差越來越大，一致性變得越來越差，帶均衡控制電路的每臺(tái)蓄電池之間的最大壓差越來越小，最大壓差不超過50mV，可見均衡控制電路有效地解決了每臺(tái)蓄電池SOC值的不一致性，大大提升了電池的使用壽命和使用效率。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

比較項(xiàng)12345678910VB1/V14．3314．3414．3514．3714．3814．4014．4114．4114．4314．45VB2/V13．8513．8513．8413．8213．8313．8113．7913．7813．7913．78VB3/V13．5913．6113．6013．6513．6313．6313．6013．6213．6113．62VB4/V13．5213．4913．5013．4913．4613．4513．4413．4313．4113．40最大壓差/V0．810．850．850．880．920．950．970．981．021．05

表2 帶均衡控制電路

5 結(jié)論

本文對(duì)電池檢測(cè)管理系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括均衡控制電路、數(shù)據(jù)采集電路、均衡保護(hù)電路，提出了基于ARM的SOC值精確估計(jì)算法，包括開路電壓法、安時(shí)計(jì)量法、卡爾曼濾波算法。最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證明，利用飛渡電容作為電池能量轉(zhuǎn)移的載體，能夠很好地實(shí)現(xiàn)電池之間能量的轉(zhuǎn)移，有效地解決電池組充電時(shí)每個(gè)電池SOC值的不一致性問題，大大提升了電池的使用壽命和使用效率，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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陳 巍(1989— )，碩士生，主研信號(hào)處理；

王國富(1976— )，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主研信號(hào)處理和通信系統(tǒng)；

張法全(1969— )，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主研機(jī)器視覺、信息處理與模式識(shí)別；

葉金才(1981— )，碩士，主研嵌入式應(yīng)用及微弱信號(hào)處理技術(shù)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Research and Implementation of Battery Test Management System Based on ARM

CHEN Wei1，WANG Guofu1,2，ZHANG Faquan1，YE Jincai1

(1.SchoolofInformationandCommunication,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiGuilin541004,China； 2.KeyLaboratoryCognitiveRadioandInformationProcessingoftheMinistryofEducation,GuangxiGuilin541004,China)

The state-of-charge (SOC) in each battery in battery pack is different when the battery pack is charging and discharging.A battery test management system is designed and implemented.SOC value estimation method is proposed which is based on the open circuit voltage measurements, AH metrology and Kalman filter algorithm.This method makes each battery SOC values to be consistent through the loose capacitance to transfer energy between each battery.The test and the experimental results show that during the charging and discharging, the battery testing management system can effectively solve the problem of different SOC values in each battery, and greatly improve the service life of the battery and use efficiency.

battery; Kalman filter; SOC estimation; balance control

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (61102115；61362020)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012GXNSFBA053177);桂林電子科技大學(xué)廣西信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)費(fèi)資助(20130112)

TM912

A

10.16280/j.videoe.2015.05.016

2014-08-10

【本文獻(xiàn)信息】陳巍，王國富，張法全,等.基于ARM電池檢測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù),2015，39(5).