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CN105857109B - 一种基于单片机的电动汽车电源管理系统 - Google Patents

一种基于单片机的电动汽车电源管理系统 Download PDF

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CN105857109B
CN105857109B CN201610395013.2A CN201610395013A CN105857109B CN 105857109 B CN105857109 B CN 105857109B CN 201610395013 A CN201610395013 A CN 201610395013A CN 105857109 B CN105857109 B CN 105857109B
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Abstract

本发明涉及一种基于单片机的电动汽车电源管理系统，其特征在于该电源管理系统包括单片机、数据采集模块、充放电电路、电池组模块、触摸屏和保护电路，所述数据采集模块包括电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分，所述电池组模块包括电池成组电路和隔离放大电路；所述单片机同时与触摸屏、电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分双向连接，单片机的输出端与保护电路和充放电电路的输入端连接，所述保护电路和充放电电路的输出端分别与电池成组电路的一端连接，电池成组电路的另一端通过隔离放大电路同时与电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分的输入端连接。

Description

一种基于单片机的电动汽车电源管理系统
技术领域
本发明涉及应用于电动汽车的锂离子动力蓄电池组的电源管理系统技术领域，特别涉及一种基于单片机控制的电动汽车电源管理系统。
背景技术
电动汽车电源管理系统是电动汽车安全行驶的关键部分，主要功能是对动力电池组运行状态的监控、估量和管理，避免出现个别单体电池过冲、过放和提前损坏的现象，提高动力电池的利用率，延长电池组的循环寿命，从而提高电动汽车的续航里程。众所周知，电池组的循环寿命往往低于单体电池的循环寿命，主要原因是电池组没有一个有效的电源管理系统，所以，电池组的使用效率和循环寿命取决于电源管理系统。
蓄电池组(车载动力电池组或电池组)作为电动汽车的动力源，都是由很多单体电池(电池单元)串联而成，每块单体电池的性能和质量直接影响到电动汽车的动力性、可靠性和经济性。现有的电源管理系统还存在很大的局限性，需要改进和完善，除了需要提高电源管理系统设计的通用性，即适用于多个电池和多种类型的电池，剩余电量估算的精确性，安全性方面外，还需要在充电方面，从耗能均衡转向主动均衡充电，更重要的是研发一种适用于不同工况需求的高精度管理系统。
例如文献《电动汽车用动力电池荷电状态估算方法研究综述》中所述总结了常用的动力电池荷电状态的估算方法，其中人工神经网络、模糊逻辑等算法由于计算量大，需要构建系统的成本，无形中大大增加了整个系统的成本；针对单一的电流积分、开路电压等方法测量简单，但是测量准确性难以保证；虽然系统滤波算法用于电池剩余电量估算准确，但是同样需要合适的电路模型，且运算速度慢。因此开发一套估算准确且成本较低的单片机控制系统是非常必要的。
德国柏林大学研发了国际上技术比较先进、功能较完善的电源管理系统，实现对多个电池模块的统一管理，但是此类电动汽车电源管理系统只能对一组串联的电池组进行电源管理，不能灵活应用于多种电池串并联方式的电动汽车电源系统，所以，应用范围受到了限制。例如发明专利CN 103496328 B中所述，采用PLC作为电源管理系统的控制器，系统的占用体积大，因此限制了电源管理系统的使用环境，并且通过PLC技术对SOC(电池剩余电量)进行估算过程中大大的增长了系统的成本，而且由于电池组的连接结构都是固定的，估算结果并不能准确的反应到系统的实际工作状况上，因此使用过程中无法根据系统的需要进行调整，阻碍了电池及电动汽车的进一步使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单片机的电动汽车电源管理系统。该电源管理系统在以单片机作为控制核心的前提下应用了一种简单可靠的SOC估算算法且该系统可以适应电动汽车不同工况下的需求，电池组的成组方式可以灵活切换。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于单片机的电动汽车电源管理系统，其特征在于该电源管理系统包括单片机、数据采集模块、充放电电路、电池组模块、触摸屏和保护电路，所述数据采集模块包括电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分，所述电池组模块包括电池成组电路和隔离放大电路；所述单片机同时与触摸屏、电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分双向连接，单片机的输出端与保护电路和充放电电路的输入端连接，所述保护电路和充放电电路的输出端分别与电池成组电路的一端连接，电池成组电路的另一端通过隔离放大电路同时与电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分的输入端连接；单片机内存有SOC估算算法和故障诊断程序；
所述电池成组电路的电路构成是：每个单体电池依次串联，且在每两个单体电池之间均串联一个继电器，每个单体电池的正极和负极均引出接线，两个正极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接，两个负极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
(1)本发明将单片机应用到电源管理系统上来，摒弃了过去以计算机或其他控制器作为控制核心的复杂算法，在完善系统功能的基础上大大地降低了系统的成本和占用空间，采用单片机作为控制核心，结合SOC算法能够显著提高电源管理系统的运算速度，而且相对于其他控制器为核心技术的系统更能方便地移植到其它场合中使用。
(2)在确定电池余量估算之后，即使有准确的估算值但是对电池串并联的使用模式不能改变，还会对电池的使用存在损坏，本发明在单体电池间使用继电器，通过相应继电器控制单体电池的串并联关系，针对电动汽车不同的工作状况提出了一种新的电池成组方式，根据环境需求不同，电池组中的单体电池可以在多种连接方式之间灵活切换，可以使电动汽车在适应更多的路况上拥有更强的能力，而且可以防止蓄电池过度使用增加电池的使用寿命，具有良好的实践和推广的价值。
(3)在针对单片机的电源管理系统中，现有技术在SOC估算过程中只采用单一的估算方法大大降低了数据的可靠性，本申请摒弃了过去用单一方法来进行信号采集，在通过准确的电压和电流因素的计算过程中，在信号输入进单片机之前进行了滤波处理，在此基础上采用开路电压与安培积分两种方法相结合计算SOC的过程中，大大增加了系统电池余量估算的准确性和可靠性。
附图说明
图1是本发明基于单片机的电动汽车电源管理系统一种实施例的结构框图；
图2是本发明基于单片机的电动汽车电源管理系统一种实施例的电池成组电路401的电路连接图；
图中，1 单片机、2 数据采集模块、3 充放电电路、4 电池组模块、5 触摸屏、6 保护电路、201 电流采集部分、202 电压采集部分、203 温度采集部分、401 电池成组电路、402 隔离放大电路。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作详细说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
本发明基于单片机的电动汽车电源管理系统(简称电源管理系统，参见图1—图2)包括单片机1、数据采集模块2、充放电电路3、电池组模块4、触摸屏5和保护电路6，所述数据采集模块2包括电流采集部分201、电压采集部分202和温度采集部分203，所述电池组模块4包括电池成组电路401和隔离放大电路402；所述单片机1同时与触摸屏5、电流采集部分201、电压采集部分202和温度采集部分203双向连接，单片机1的输出端与保护电路6和充放电电路3的输入端连接，所述保护电路6和充放电电路3的输出端分别与电池成组电路401的一端连接，电池成组电路401的另一端通过隔离放大电路402同时与电流采集部分201、电压采集部分202和温度采集部分203的输入端连接；单片机1内存有SOC估算算法和故障诊断程序；
所述电池成组电路401的电路构成(参见图2)是：每个单体电池依次串联，且在每两个单体电池之间均串联一个继电器，每个单体电池的正极和负极均引出接线，两个正极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接，两个负极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接。即如图2所示，单体电池B1、B2、B3、…、Bn-1、Bn(以下n≧2，且n为整数)依次串联，在单体电池B1的负极和单体电池B2的正极之间串联继电器K2，在单体电池B2的负极和单体电池B3的正极之间串联继电器K5，…，在单体电池Bn-1的负极和单体电池Bn的正极之间串联继电器K3n-4；单体电池B1、B2、B3、…、Bn-1、Bn的正极和负极均引出接线，单体电池B1的正极引出接线与单体电池B2的正极引出接线之间连接一个继电器K1，单体电池B2的正极引出接线与单体电池B3的正极引出接线之间连接一个继电器K4，…，单体电池Bn-1的正极引出接线与单体电池Bn的正极引出接线之间连接一个继电器K3n-5；单体电池B1的负极引出接线与单体电池B2的负极引出接线之间连接一个继电器K3，单体电池B2的负极引出接线与单体电池B3的负极引出接线之间连接一个继电器K6，…，单体电池Bn-1的负极引出接线与单体电池Bn的负极引出接线之间连接一个继电器K3n-3；此电路就可以用来自由切换每个单体电池在电路中的串并联关系，可以实现多种电池成组方式的快速转换，电路设计简单，没有复杂元器件的使用，减少了硬件电路的成本，并且切换过程通过单片机控制即可实现，易于操作。
本发明的进一步特征在于所述电流采集部分201采用霍尔传感器，在每个单体电池的负极都连接一个霍尔传感器，所述温度采集部分203采用DS18B20数字温度检测芯片，温度采集部分安装在每个单体电池的外侧。
所述充放电电路3用于接通或者断开充电和放电回路，使电源管理系统正常的运行。电源管理系统对电动汽车运行状态做出判断，确定所处状态后，接通对应的控制回路；当运行过程中，检测到单体电池处于危险状态，则会切断充放电控制回路，保证电源管理系统的安全性。
所述触摸屏5，使用者可以通过触摸屏界面直观的了解电池组冲放电的实时状态，即人与设备“沟通”的渠道。所述触摸屏选取MCGS类型的屏幕，并通过RS232与单片机通讯。单片机与触摸屏连接，实现人机交互的功能，触摸屏除了具备显示信息功能外，还可以设置单片机的输入按钮，减少硬件电路，降低系统能耗，符合低功耗的设计原则。
所述数据采集模块2用于监视电池组状态，实时采集相关数据信息，采集的相关数据包括电压、电流及温度，此为电源管理系统的基本功能。其中电压采集部分202是电源管理系统的重要环节，电压决定了电池的当前状态，即电池的端电压作为判断电池是否过充过放的依据。同时，电压数据是SOC估算算法中SOC初步估算的依据。电流数据作为电池充放电过程中过流的依据，是保护电路的输入数据，同时也是SOC估算算法的主要依据。电压和温度主要用于检测电池是否处于安全状态，电流作为电池剩余电量估算的主要数据来源，并且将限幅递推平均滤波算法作为电流信号的主要处理算法。
所述故障诊断程序和保护电路6主要是为了保障电源管理系统的安全运行。磷酸铁锂电池处于高温状态易出现爆炸，而低温时无法运行，同时电池过充或过放对电池的寿命影响较大，所以要避免出现上述情况，系统必须设置故障诊断和保护功能。本发明电源管理系统可能存在的故障为过流、过充、过放、高温、低温，电源管理系统将故障进行分类，方便区别故障类型，同时还设置了报警提示信息，用于提醒用户故障的存在。当电源管理系统出现故障时，首先判定是哪一种故障，确定故障类型后，启动保护电路，假如当高温故障时则需要启动保护电路中的散热电路。
所述SOC(电池剩余电量)估算算法是电源管理系统一个重要功能，以数据采集模块2作为输入，得到电池组的剩余电量，通过百分比的形式显示于触摸屏。本申请中采用开路电压法和安培积分法结合进行SOC估算，由开路电压法计算单体电池的初始电量和单体电池静置一段时间后的电量，然后，由安培积分法计算过程中的进出单体电池电量，最后对SOC估算结果进行校正。
本发明电源管理系统的进一步特征在于所述SOC估算算法的具体步骤是：
1)计算单体电池的初始容量测量电池组模块中单体电池的开路电压，利用开路电压计算单体电池的初始SOC值，即单体电池的初始容量；
2)计算各个单体电池的基本SOC值利用安培积分法，计算出单位时间内进出单体电池的过程电量，结合步骤1)得到的单体电池的初始容量通过SOC估算公式不断更新单体电池的剩余电池电量，得到各个单体电池的基本SOC值；
3)计算各个单体电池的精确SOC值对步骤2)得到的各个单体电池的基本SOC值进行SOC校正，该SOC校正包括充放电率、温度和老化补偿的校正，校正后得到的各个单体电池的精确SOC值；
4)电池组的SOC估算将步骤3)得到的各个单体电池的精确SOC值进行对比筛选，找出最小的精确SOC值作为整个电池组的剩余电量值，即整个电池组的SOC值，实现对电池组的SOC估算。
本发明电源管理系统的工作原理及过程是：电压采集部分202、电流采集部分201和温度采集部分203通过隔离放大电路分别采集电池成组电路401中各个单体电池的电流、电压和温度信息，单片机1通过SOC估算算法计算出电池组的剩余电量，并通过触摸屏5显示出电池和电动汽车的运行状态，通过电池的工作状态可以判断出电动汽车的不同工作状况，如果电流、电压或者温度出现异常时则需要通过故障诊断程序做出判断启动保护电路，对电池成组电路进行保护。通过SOC估算算法对电动汽车的运行状况做出判断后可以得出电动汽车需要工作在三个不同的工作状态，通过单片机控制充放电电路对电池成组电路更改成组方式切换达到匹配电动汽车工作状态的目的。
本发明中电池组模块4能够适应电动汽车不同工况下对电源电压和电流的不同需求，电池组在几种不同成组方式之间灵活切换，避免电池组过放，有利于电池组循环寿命。不同工作模式之间的切换可以通过相应的继电器实现，继电器由单片机控制，首先单片机接收指令，判断电动汽车处于哪种运动状态，之后做出判断，控制对应的继电器，将电池组切换到正确的模式下。本申请将电动汽车划分为三个工作阶段，即加速行驶过程、匀速行驶过程、制动或者充电过程，由于制动过程也是对电池组充电，所以将制动过程和电池组充电过程归为一种工作阶段。电动汽车行驶在不同的阶段对电源的需求不同，可以实现多种电池的组合形式，本发明将电池组对应的分为三种工作模式。模式一：制动和充电过程；模式二：均速行驶过程；模式三：加速行驶过程。根据每一种工作模式的实际需要，对应切换电池成组电路。
电池组在三种工作模式之间的切换是通过单片机控制的相应的继电器实现，所有的继电器均为常开，减少电源管理系统的额外电量损耗，
在电池成组电路401中单体电池B1、B2、B3、…、Bn-1、Bn和继电器之间的连接关系如图2所示，每两个相邻单电池串联时正负极之间接上一个继电器即K2、K5..…、K3n-4，两个相邻单体电池的正极之间连接上继电器K1、K4、K7..…K3n-5，两个相邻单体电池的负极之间连接上继电器K3、K6..…、K3n-3。改变Bn-1和Bn之间的串并联关系措施：当每两个相邻单体电池Bn-1、Bn需要串联的时候则接通K3n-4，断开K3n-5和K3n-3；当每两个相邻单体电池需要并联连接时则断开K3n-4，接通K3n-5和K3n-3；通过上述措施可以实现相邻单体电池的串并联连接关系，例如改变B1和B2之间的串并联关系只需令n＝2按上述措施实施即可，依次类推。
模式一，制动和充电过程，该模式下电池组处于充电过程，选择并联充电模式，所以在模式一下，电池成组方式为并联，该等效电路由切换电路得到的，具体实现方法：单片机控制正极的引出接线上的继电器，即K1、K4、K7..…、K3n-5闭合，每两个单体电池之间均串联的继电器，即K2、K5..…、K3n-4断开，负极的引出接线上的继电器，即K3、K6..…、K3n-3闭合，实现所有单体电池的并联连接充电模式。
模式二，匀速行驶过程，匀速行驶过程中电池组处于放电过程，并且电机对电流要求相对不大，所以在模式二下，电池成组方式为串联。具体实现方法：单片机控制K1、K4、K7..…K3n-5断开，K2、K5..…K3n-4闭合，K3、K6..…K3n-3断开，实现所有单体电池B1、B2、B3、…、Bn-1、Bn的串联连接充电模式。
模式三，加速过程，加速行驶过程相对于匀速过程，电机对电流需求大，所以在电池组中，需要有并联形式的存在，增大输出电流，本实施例中电源管理系统选择先并联后串联的成组方式。具体实现方法：单片机控制继电器K1、K4闭合，继电器K3、K6闭合，继电器K2、K5断开，继电器K7断开，继电器K8闭合，继电器K9断开，继电器K10、K13闭合，继电器K12、K15闭合，继电器K11、K14断开，以此类推，实现每三个单体电池并联、并联…并联的模式，然后再把它们串联起来实现加速过程。本发明电源管理系统可以根据需要选择使用几个单体电池并联的形式，在这里仅以三个单体电池并联为例进行说明。
实施例1
本实施例基于单片机的电动汽车电源管理系统包括单片机1、数据采集模块2、充放电电路3、电池组模块4、触摸屏5和保护电路6，所述数据采集模块2包括电流采集部分201、电压采集部分202和温度采集部分203，所述电池组模块4包括电池成组电路401和隔离放大电路402；所述单片机1同时与触摸屏5、电流采集部分201、电压采集部分202和温度采集部分203双向连接，单片机1的输出端与保护电路6和充放电电路3的输入端连接，所述保护电路6和充放电电路3的输出端分别与电池成组电路401的一端连接，电池成组电路401的另一端通过隔离放大电路402同时与电流采集部分201、电压采集部分202和温度采集部分203的输入端连接；单片机1内存有SOC估算算法和故障诊断程序；
所述电池成组电路401的电路构成是：每个单体电池依次串联，且在每两个单体电池之间均串联一个继电器，每个单体电池的正极和负极均引出接线，两个正极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接，两个负极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接。
本实施例中单体电池的数量为8个，即n＝8。
电压采集部分基于继电器和共享A/D轮流采集方式，通过切换继电器实现对不同单体电池两端电压检测。采用两个A/D检测端口的检测模式设置为差分模式，所有单体电池共享A/D端口，单体电池电压范围在A/D检测范围以内，不需要设置分压电阻，避免了分压电阻带来的能量损失。电池成组电路中的所有继电器采用常开，不进行电压采集时，继电器处于断开状态，不会造成额外电量损失而带来的单体电池之间电量的不均衡，保证了检测精度。
电流采集部分基于闭环霍尔传感器的电流检测，霍尔传感器可以将输入的电流转换为电压，作为输出。电池组每个单体电池都需要接一个霍尔传感器在单体电池的负端，霍尔传感器内部集成放大器，所以应用此方案检测电流时电路中不需要添加耗能元器件，最大限度地避免了能量损失。充电和放电通过霍尔传感器的电流方向相反，两个过程得到的电压值有正值也有负值，因为单端输入，检测电压范围是0-2.4V，为了既能检测充电又能检测放电过程电流，需要将A/D设置为差分模式。
所述温度采集部分203采用DS18B20数字温度检测芯片，温度采集部分安装在每个单体电池的外侧。
本实施例中SOC估算算法的具体实施过程如下所示：
1)计算单体电池的初始容量测量电池组模块中单体电池的开路电压Uoc，利用开路电压Uoc通过下式计算单体电池的初始SOC值，即单体电池的初始容量；单体电池开路电压与SOC值之间存在线性函数关系，即
Uoc＝353.707863121×(SOC)7-1275.156930924×(SOC)6+1849.583342784
×(SOC)5-1380.893816246×(SOC)4+563.780422778×(SOC)3
-123.680112549×(SOC)2+13.53363993×(SOC)+2.669179058，
利用上述公式计算出单体电池初始SOC值，然后得出单体电池的初始容量Q3；
2)计算各个单体电池的基本SOC值利用安培积分法，计算出单位时间内进出单体电池的过程电量Q4，即通过下式计算，
，结合步骤1)得到的单体电池的初始容量Q3通过SOC估算公式不断更新单体电池的剩余电池电量，得到各个单体电池的基本SOC值，所述SOC估算公式为
SOC＝(Q3-Q4)/Q2×100％，
其中Q2是单体电池的基准容量；
3)计算各个单体电池的精确SOC值对步骤2)得到的各个单体电池的基本SOC值进行SOC校正，该SOC校正包括充放电率、温度和老化补偿的校正，校正后得到的各个单体电池的精确SOC值；
4)电池组的SOC估算将步骤3)得到的各个单体电池的精确SOC值进行对比筛选，找出最小的精确SOC值作为整个电池组的剩余电量值，即整个电池组的SOC值，实现对电池组的SOC估算。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种基于单片机的电动汽车电源管理系统，其特征在于该电源管理系统包括单片机、数据采集模块、充放电电路、电池组模块、触摸屏和保护电路，所述数据采集模块包括电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分，所述电池组模块包括电池成组电路和隔离放大电路；所述单片机同时与触摸屏、电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分双向连接，单片机的输出端与保护电路和充放电电路的输入端连接，所述保护电路和充放电电路的输出端分别与电池成组电路的一端连接，电池成组电路的另一端通过隔离放大电路同时与电流采集部分、电压采集部分和温度采集部分的输入端连接；单片机内存有SOC估算算法和故障诊断程序；
所述电池成组电路的电路构成是：每个单体电池依次串联，且在每两个单体电池之间均串联一个继电器，每个单体电池的正极和负极均引出接线，两个正极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接，两个负极的引出接线分别通过一个继电器两两依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的电动汽车电源管理系统，其特征在于所述SOC估算算法的具体步骤是：
1)计算单体电池的初始容量测量电池组模块中单体电池的开路电压，利用开路电压计算单体电池的初始SOC值，即单体电池的初始容量；
2)计算各个单体电池的基本SOC值利用安培积分法，计算出单位时间内进出单体电池的过程电量，结合步骤1)得到的单体电池的初始容量通过SOC估算公式不断更新单体电池的剩余电池电量，得到各个单体电池的基本SOC值；
3)计算各个单体电池的精确SOC值对步骤2)得到的各个单体电池的基本SOC值进行SOC校正，该SOC校正包括充放电率补偿的校正、温度补偿的校正和老化补偿的校正，校正后得到的各个单体电池的精确SOC值；
4)电池组的SOC估算将步骤3)得到的各个单体电池的精确SOC值进行对比筛选，找出最小的精确SOC值作为整个电池组的剩余电量值，即整个电池组的SOC值，实现对电池组的SOC估算。
3.根据权利要求1或2所述的基于单片机的电动汽车电源管理系统，其特征在于所述电流采集部分采用霍尔传感器，所述温度采集部分采用DS18B20数字温度检测芯片。
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