1 導(dǎo)語

 

蓄電池是一種以放電辦法輸出電能，以充電辦法吸收、恢復(fù)電能的電源。由鋰離子動(dòng)力電池構(gòu)成的低壓電源，是水下機(jī)器人體系中的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)鋰離子電池的維護(hù)處理不妥將直接影響鋰離子電池的運(yùn)用效益和壽數(shù)，乃至直接損壞鋰電池，然后影響水下機(jī)器人整體功用，嚴(yán)峻情況下還會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的安全事故。經(jīng)過在線丈量鋰離子動(dòng)力電池組的參數(shù)，能夠及時(shí)了解鋰離子電池的作業(yè)情況、作業(yè)特性及鋰離子電池需求維護(hù)情況，因此鋰離子動(dòng)力電池的在線監(jiān)測(cè)體系的研發(fā)勢(shì)在必行。

 

為了結(jié)束鋰離子動(dòng)力電池參數(shù)的監(jiān)測(cè)，首選需求規(guī)劃參數(shù)收集模塊，將鋰離子動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)收集出來，一同上傳到帶有A/D 轉(zhuǎn)化模塊的單片機(jī)中，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記載和閃現(xiàn)。

 

2 鋰離子動(dòng)力電池組的監(jiān)測(cè)體系概述

 

本體系選用松懈數(shù)據(jù)收集和會(huì)集數(shù)據(jù)處理，分別規(guī)劃電壓收集電路、電流收集電路、溫度收集電路，然后把數(shù)據(jù)都輸送到單片機(jī)進(jìn)行會(huì)集處理。體系結(jié)構(gòu)圖如圖2-1 所示。

 

 

 

本體系監(jiān)測(cè)的政策是國(guó)家863 項(xiàng)目水下機(jī)器人體系的鋰離子動(dòng)力電池組，用的是深圳雷天科技出產(chǎn)的TS-LFP160AHA 類型的鋰離子動(dòng)力電池，電池組由8 塊單體電池組成。需求監(jiān)測(cè)每塊單體電池的端電壓，并做出過壓、欠壓判別；需求多點(diǎn)測(cè)溫度，監(jiān)測(cè)每塊電池的溫度以及電池組地址環(huán)境的溫度、濕度；由于8 塊單體電池串聯(lián)，所以只需求測(cè)出串聯(lián)電流，并做出過流判別。

 

本文選用了TMS320LF2407A 芯片。選用此芯片作為電池監(jiān)測(cè)體系的CPU 還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

1.節(jié)能，節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備規(guī)劃的一個(gè)熱點(diǎn)問題。當(dāng)設(shè)備由二次電池來作為電源的時(shí)分，節(jié)能問題則變得更加超卓和重要。本規(guī)劃運(yùn)用的DSP 由3.3V 電源供電，減小了操控器的損耗。芯片電源處理包含低功耗方式，能獨(dú)立將外設(shè)器材轉(zhuǎn)入低功耗方式。

 

2.16 通道輸入的A/D 轉(zhuǎn)化器。這一點(diǎn)關(guān)于多路收集子電路很有意義。能夠直接將收集電路的輸出接到DSP 的A/D 轉(zhuǎn)化通道。而不用在DSP 外面再設(shè)A/D 轉(zhuǎn)化電路。

 

3.40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的輸入輸出引腳?？捎糜诎踩_關(guān)及其它外設(shè)電路的操控。

 

4.串行通訊接口（SCI）和16 位串行外設(shè)接口模塊（SPI）能夠接監(jiān)測(cè)體系的閃現(xiàn)部分。

 

3 體系的硬件規(guī)劃

 

體系的硬件規(guī)劃首要包含電壓收集電路、電流收集電路和溫度收集電路規(guī)劃。收集電路以TMS320LF2407A 為CPU。TMS320LF2407A 是TI 公司專為實(shí)時(shí)操控而規(guī)劃的高功用16 位定點(diǎn)DSP 器材，指令周期為33ns，其內(nèi)部集成了前端采樣A/D 轉(zhuǎn)化器和后端PWM 輸出硬件，在滿意體系實(shí)時(shí)性要求的一同可簡(jiǎn)化硬件電路規(guī)劃。

 

3.1 電壓收集電路規(guī)劃本規(guī)劃以鋰離子動(dòng)力電池為處理政策。電池組由8 塊3.6V 鋰電池組成。每個(gè)電池單體的額定電壓為3.6V 布滿時(shí)端電壓為4.25V。要求電壓收集精度操控在1.5%以內(nèi)。電池處理體系要求的最低采樣頻率為20ms。

 

體系選用線性光耦作為阻隔和數(shù)據(jù)收集體系的信號(hào)傳遞采樣器材，這樣就將前端的每一節(jié)電池的電壓阻隔出來。將電池的大電壓按必定比例縮小，以便將電池改動(dòng)的電壓值如實(shí)地反映給DSP。這往后需經(jīng)過多路開關(guān)進(jìn)入微處理器進(jìn)行核算。光耦阻隔的利益是速度快（光耦的速度是微秒級(jí)，遠(yuǎn)小于繼電器的毫秒級(jí)），實(shí)時(shí)性要好。另外光耦兩端的信號(hào)在電氣聯(lián)接上完全阻隔，不存在任何關(guān)系，所以即便在光耦的輸出端發(fā)生短路也不會(huì)給電池的運(yùn)用構(gòu)成任何影響。光耦將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)進(jìn)行收集，處理了共地問題。與電壓傳感器比較，光耦的性價(jià)比更高。

 

在選擇器材的時(shí)分，我們考慮到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，光電禍合器選擇了日本東芝公司出產(chǎn)的TLP521，運(yùn)算放大器選擇的雙運(yùn)算放大器TL082。

 

電池單體的電壓丈量電路如下圖3-1 所示。

 

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圖3-1 單體電池電壓收集電路。

 

VIN 即電池單體電壓，經(jīng)過R1與光耦中的發(fā)光二極管構(gòu)成回路，將電壓信號(hào)（VIN）轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)（ I11）。I11與I21有必定比例關(guān)系I11∝ I21。UU1 在這里作為比較器運(yùn)用。當(dāng)A點(diǎn)電壓Va大于B 點(diǎn)電壓Vb，UU1 就輸出高一些的電壓值，當(dāng)A 點(diǎn)電壓Va低于B 點(diǎn)電壓Vb，UU1 就輸出低一些的電壓值。在整個(gè)電壓采樣電路中，比較器構(gòu)成一個(gè)反應(yīng)。使A、B 兩點(diǎn)的電壓值堅(jiān)持共同。這樣做的意圖是B 點(diǎn)電壓顯然是15∕2=7.5v， Va= Vb =7.5v，闡明上下兩個(gè)光耦中的三極管導(dǎo)通情況相同。這樣，三極管的導(dǎo)通情況是受控于發(fā)光二極管的?？芍?dāng)I21= I22時(shí)， I11= I22。這樣，VIN∕= I11= I22= Vout∕R4?？梢奦out 與VIN 成比例。

 

3.2 電流收集電路規(guī)劃鋰離子動(dòng)力電池組一切電池單體串連組成整個(gè)供電體系，只設(shè)置一個(gè)電流收集點(diǎn)即可。

 

本文選用霍爾電流傳感器收集。

 

霍爾電流傳感器的原理圖如3-2。被測(cè)電流In流過導(dǎo)體發(fā)生的磁場(chǎng)，由經(jīng)過霍爾元件輸出信號(hào)操控的補(bǔ)償電流Im流過次級(jí)線圈發(fā)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償，當(dāng)原邊與副邊的磁場(chǎng)抵達(dá)平衡時(shí)其補(bǔ)償電流Im即可準(zhǔn)確反映原邊電流In值。

 

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圖3-2 霍爾電流傳感器原理圖。

 

本體系選用的是宇森CBH100SF 類型的閉環(huán)霍爾電流傳感器。丈量頻率是0-100KHz，額定電流100A，丈量規(guī)劃：0-±150A，匝數(shù)比1:1000，精度0.2%-1%，相應(yīng)時(shí)刻：《lus。結(jié)構(gòu)如圖3-3 所示：

 

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圖3-3 CHB100 外型和聯(lián)接圖。

 

其間采樣電阻Rm 選用精密電阻取樣，引薦選用低溫漂（不大于2ppm）高精度的金屬膜電阻；由于寄生電感較大的原因，在高頻采樣場(chǎng)合，應(yīng)防止選用精密線繞電阻。取樣電阻×副邊輸出電流額定值應(yīng)小于電源電壓，差值大于4V。采樣電阻的功率有必要滿意，Rm=30Ω。

 

3.3 溫度收集電路規(guī)劃在電池剩余電量的核算中，電池的作業(yè)溫度是一個(gè)重要的影響要素。除此之外，在判別電池安全和熱處理方面也需求實(shí)時(shí)收集溫度參數(shù)。本規(guī)劃中，既規(guī)劃了8 節(jié)單體電池的溫度信號(hào)收集，也規(guī)劃了關(guān)于環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)收集。

 

本體系是選用了熱敏電阻進(jìn)行電池自身的溫度檢測(cè)。與電橋電路結(jié)合，將溫度信號(hào)反映為電壓信號(hào)。電路如圖3-4。

 

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其間RMDZ1 是熱敏電阻，運(yùn)用它首要是考慮到性價(jià)比高，并且它的體積小聯(lián)接線長(zhǎng)，可直接貼在電池單體的外殼上。缺陷就是線性度欠好。電池溫度的檢測(cè)首要是對(duì)上下兩個(gè)鴻溝溫度的報(bào)替，和核算電池間的溫差，找出失常電池。不牽扯函數(shù)與凌亂核算的問題，對(duì)線型度要求不高，所以運(yùn)用熱敏電阻能夠滿意需求。

 

環(huán)境溫度的丈量選用一種新穎的溫度傳感器LM35，其特點(diǎn)是輸出電壓與環(huán)境攝氏溫度成正比，集成電路內(nèi)部己經(jīng)校對(duì)，無需外部校對(duì)。靈敏度為10.0mV/℃，精度可達(dá)0.5℃，作業(yè)電壓規(guī)劃4V-30V，耗電很少，輸出阻抗低。自此運(yùn)用LM35 滿量程［55℃，150℃］聯(lián)接辦法。為了防止零下溫度時(shí)，輸出負(fù)壓，不便于采樣到DSP 中，規(guī)劃了一個(gè)減法器電路。調(diào)整為環(huán)境溫度在［-45℃，75℃］規(guī)劃內(nèi)，輸出電壓是［0，4.5V］。

 

4 體系的軟件規(guī)劃本體系的軟件規(guī)劃選用DSP（TMS320LF2407A）C 言語編程，施行模塊化規(guī)劃，添加了程序的可讀性和移植性。本規(guī)劃首要以水下機(jī)器人運(yùn)用的鋰離子動(dòng)力電池為研討政策而規(guī)劃，一同力求能夠有更好的兼容性，即換作其它電池不需求改動(dòng)硬件，只需改動(dòng)軟件，乃至盡可能小地改動(dòng)軟件即可運(yùn)用。關(guān)于本體系而言，操控軟件應(yīng)滿意如下要求：

 

收集電流、電壓、溫度等信號(hào)，判別電池的缺陷信號(hào)，進(jìn)行處理并采納相應(yīng)的維護(hù)辦法，閃現(xiàn)缺陷信息。

 

模仿數(shù)據(jù)的收集包含電池單體電壓、電流、電池單體溫度、環(huán)境溫度。其間電壓收集是需求由操控模仿多路開關(guān)來結(jié)束，各個(gè)單體電池電壓值分時(shí)進(jìn)入DSP，要求收集同一時(shí)刻的電壓與電流。充分運(yùn)用TMS320F2407A/D 模塊，一次收集四個(gè)量：電壓、電流、電池溫度、環(huán)境溫度，運(yùn)用循環(huán)結(jié)束對(duì)電池組中多個(gè)電池的模仿量采樣。

 

幾種SOC估算算法簡(jiǎn)介

（1） 安時(shí)法

安時(shí)法又被稱為電流積分法，也是計(jì)算電池SOC的基礎(chǔ)。假設(shè)當(dāng)前電池SOC初始值為SOC0，在經(jīng)過t時(shí)間的充電或放電后SOC為：

 

Q0是電池的額定容量，i(t)是電池充放電電流（放電為正）。

事實(shí)上，SOC定義為電池的荷電狀態(tài)，而電池荷電狀態(tài)就是電池電流的積分，所以理論上講安時(shí)法是最準(zhǔn)確的。同時(shí)，它也易于實(shí)現(xiàn)，只需測(cè)量電池充放電電流和時(shí)間，而在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，采用離散化計(jì)算公式如下：

 

在電池實(shí)際工作中使用安時(shí)法計(jì)算SOC，受到測(cè)量誤差和噪聲干擾因素會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響從而無法正確估算SOC（自放電及溫度等因素也沒有考慮），同時(shí)電池的初始SOC值無法通過安時(shí)法得到。通常，安時(shí)法使用上次電池充放電保留的SOC值作為下次計(jì)算初始值，但這樣會(huì)使SOC誤差不斷累積。所以實(shí)際工程上安時(shí)法一般作為其他算法的基礎(chǔ)或結(jié)合其他算法來進(jìn)行估算。

（2） 開路電壓法

鋰離子電池的電動(dòng)勢(shì)與電池的SOC之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，由此可以通過開路電壓進(jìn)行測(cè)量從而得到電池的SOC值。要通過開路電壓法得到電池電動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確值，首先需要電池靜置一段時(shí)間，此時(shí)的開路電壓（OCV）的值可以認(rèn)為與其電動(dòng)勢(shì)數(shù)值相等，這樣就可以得到電池電動(dòng)勢(shì)并以此得到電池的SOC。通過實(shí)驗(yàn)獲得鋰電池充放電的SOC-OCV曲線，然后根據(jù)SOC-OCV曲線查詢不同開路電壓的SOC值。

開路電壓法需要電池在一段時(shí)間靜置下以消除電池電壓、容量在外界因素影響下造成的誤差，不適用于電池SOC的實(shí)時(shí)測(cè)量。另外，電池SOC在中間段開路電壓變化很小，導(dǎo)致中間SOC測(cè)量及估算誤差較大。

（3） 卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法是利用系統(tǒng)和測(cè)量動(dòng)態(tài)的知識(shí)、假設(shè)的系統(tǒng)噪聲和測(cè)量誤差的統(tǒng)計(jì)特性，以及初始條件信息，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理，求得系統(tǒng)狀態(tài)的最小誤差估計(jì)。

電動(dòng)汽車用的電池組，可看作是由輸入和輸出組成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在了解系統(tǒng)一定先驗(yàn)知識(shí)的前提下，建立系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)方程，再利用輸出的校驗(yàn)作用，獲得對(duì)系統(tǒng)包括荷電狀態(tài)在內(nèi)無法直接測(cè)量的內(nèi)部參數(shù)估計(jì)。在電池等效電路模型或電化學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程和測(cè)量方程。根據(jù)電池組放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用卡爾曼濾波算法估計(jì)電池組的開路電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池荷電狀態(tài)的估計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)采集到的電壓電流，由遞推法法得到SOC的最小方差估計(jì)，解決SOC初值估計(jì)不準(zhǔn)和累計(jì)誤差的問題；缺點(diǎn)是對(duì)電池模型依賴性很強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)處理器的速度要求較高。

5 總結(jié)

 

本文針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池組的特性和查驗(yàn)要求，規(guī)劃了依據(jù)TMS320LF2407A 的監(jiān)測(cè)體系，提出了松懈數(shù)據(jù)收集與會(huì)集數(shù)據(jù)處理的計(jì)劃，給出了電池監(jiān)測(cè)體系電壓、電流、溫度收集的軟硬件計(jì)劃，搭建了單體電池?cái)?shù)目可達(dá)8 節(jié)的電池監(jiān)測(cè)體系底層收集模塊結(jié)構(gòu)。

 

在此基礎(chǔ)上能夠方便地將電池信息收集到DSP 中進(jìn)行記載和電池情況的估測(cè)判別，并經(jīng)過CAN 網(wǎng)絡(luò)與中心操控器通訊，構(gòu)成無缺的電池監(jiān)控體系。

 

本課題的首要研討內(nèi)容在于電池監(jiān)測(cè)體系整體計(jì)劃的規(guī)劃和硬件電路的規(guī)劃。其中心是松懈數(shù)據(jù)收集與會(huì)集數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的計(jì)劃。分別收集單體電池的電壓、電路、溫度，將這些基本信息送到DSP 中進(jìn)行會(huì)集的、綜合的分析、處理。硬件規(guī)劃的重點(diǎn)是幾個(gè)收集電路的規(guī)劃以及DSP 小體系在監(jiān)測(cè)體系中的運(yùn)用。電壓收集電路在保證功用的基礎(chǔ)上，具有靈活性和顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。通道間的煩擾和收集速度都得到改善?？蓾M意體系的實(shí)時(shí)性和丈量精度的要求。經(jīng)過添加外設(shè)采樣堅(jiān)持，能夠收集到同一時(shí)刻的電壓和電流。電池處理體系的電流、溫度收集，分別選用了霍爾大電流傳感器、熱敏電阻、霍爾溫度進(jìn)行丈量