【文章內(nèi)容簡介】 的fminsearch函數(shù)，采用非線性最小二乘曲線擬合，就可以求出待定系數(shù)。設(shè)電池開路申壓為Uocv,放電過程中任意時刻的申壓為U(t) .則有 ()其中Up1為放電中兩個電容兩端的電壓，整理()式可得 ()式中t是電池靜置時間，由()式可以看到，根據(jù)已知的U01, U02 ,T 1,T2，只要測得放電時任一點的時間和電壓值，就可以算出開路電壓Uocv。 卡爾曼濾波算法 卡爾曼濾波是一種遞推線性最小方差估計，利用上一時刻的估計，再加上實時得到的量測來進行實時估計。因為上一時刻的狀態(tài)估計是利用上一時刻和以前的輸入量測得到的，所以這種遞推的實時估計就是利用所有的輸入量測數(shù)據(jù)得到的。其次，卡爾曼濾波把被估計量作為系統(tǒng)的狀態(tài)，用系統(tǒng)狀態(tài)方程來描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程，因此，各時刻之間的狀態(tài)相關(guān)函數(shù)，就可以根據(jù)狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)移特性來描述，解決非平穩(wěn)隨機過程估計的困難。卡爾曼濾波的最優(yōu)準則與線性最小方差估計一樣，每一時刻的估計都使估計均方誤差最小?，F(xiàn)設(shè)線性時變系統(tǒng)的離散狀態(tài)防城和觀測方程為： X(k) = F(k,k1)X(k1)+T(k,k1)U(k1)Y(k) = H(k)X(k)+N(k)則卡爾曼濾波的算法流程為：1. 預(yù)估計X(k)^= F(k,k1)X(k1)2. 計算預(yù)估計協(xié)方差矩陣C(k)^=F(k,k1)C(k)F(k,k1)39。+T(k,k1)Q(k)T(k,k1)39。Q(k) = U(k)U(k)39。3. 計算卡爾曼增益矩陣K(k) = C(k)^H(k)39。[H(k)C(k)^H(k)39。+R(k)]^(1)R(k) = N(k)N(k)39。4. 更新估計X(k)~=X(k)^+K(k)[Y(k)H(k)X(k)^]5. 計算更新后估計協(xié)防差矩陣C(k)~ = [IK(k)H(k)]C(k)^[IK(k)H(k)]39。+K(k)R(k)K(k)39。6. X(k+1) = X(k)~C(k+1) = C(k)~重復(fù)以上步驟 其中X(k)和Y(k)分別是k時刻的狀態(tài)矢量和觀測矢量F(k,k1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣U(k)為k時刻動態(tài)噪聲T(k,k1)為系統(tǒng)控制矩陣H(k)為k時刻觀測矩陣N(k)為k時刻觀測噪聲卡爾曼濾波器用反饋控制的方法估計過程狀態(tài),濾波器估計過程某一時刻的狀態(tài)，然后以(含噪聲的)測量變量的方式獲得反饋。3. 4本章小結(jié) 本章主要探討了動力電池電量預(yù)測研究的關(guān)鍵技術(shù)，重新定義了電池SOC，詳細分析了影響電池性能的主要因數(shù)，介紹了目前電池電量預(yù)測的方法并及現(xiàn)存的問題，對電池組SOC的測量，提出了結(jié)合安時法、開路電壓法和卡爾曼濾波法法的復(fù)合剩余電量預(yù)測法，從理論基礎(chǔ)與實現(xiàn)方法方面進行了深刻的闡述。4 硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由MCU模塊、檢測模塊、均衡模塊組成的。電池管理系統(tǒng)是實現(xiàn)SOC算法的載體，它的硬件設(shè)計直接關(guān)系到SOC算法能否實現(xiàn)，并影響到SOC算法的性能。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測量、具有良好的可靠性的電池管理系統(tǒng)是實現(xiàn)SOC實時在線測量的前提條件。另外，由于SOC算法比較復(fù)雜，需要電池管理系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)處理速度。4. 1 MCU的選擇MCU(Micro Control Unit)中文名稱為微控制單元，又稱單片微型計算機(Single Chip Microputer)或者單片機，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制。根據(jù)本設(shè)計方案的要求，系統(tǒng)的MCU必須具有如下強大的功能:帶增益放大的高精度AD并且數(shù)量夠用、采用的程序結(jié)構(gòu)為FLASH、支持I2C通信、具有E2PROM等功能，并且有助于幫助用戶降低成本，增強產(chǎn)品的性能并提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 綜合電路結(jié)構(gòu)體積及成本的基礎(chǔ)上，我們選擇了freescale公司的MC9S08DZ60，其具有的豐富資源、穩(wěn)定性和安全性都非常適合應(yīng)用在電池管理系統(tǒng)的設(shè)計上，方便于功能的實現(xiàn)與軟件工作。MC9S08DZ60的主要功能如下：(1)程序存儲為FLASH結(jié)構(gòu)，方便程序更新。(2)具有內(nèi)部E2PROM，方便數(shù)據(jù)存儲。(3)具有片內(nèi)存儲SRAM，可實現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)處理方式:(4) 10通道AD, 12位分辨率，2. 5uS的轉(zhuǎn)換時間，有自動比較功能。(5}一個6通道(TPM1)和一個2通道(TPM2}?？芍С州斎氩蹲?，輸出比較，或每個通道帶緩沖的邊沿對齊PWM輸出；(6)支持最多32個中斷/復(fù)位源。(7)支持范圍31. 25kHz至38. 4kHz或1 MHz至16MHz之間的晶體或陶瓷諧振器:(8) I2C通信，支持最高l00kbps的總線波特率，多主節(jié)點模式運行，可編程的從地址，通用呼叫地址，逐字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸驅(qū)動的中斷。(9) RTC一(實時時鐘計數(shù)器)8位模數(shù)計數(shù)器，帶基于二進制或十進制的預(yù)分頻器，實時時鐘功能，使用外部晶體和RTC來確保精確時基、時間、日歷或任務(wù)調(diào)度功能，內(nèi)帶低功耗振蕩器(1 kHz)。(10)支持匯編和C語言編程，軟件調(diào)試和仿真更方便靈活。(11)低功耗空閑模式、噪聲抑制模式、省電模式、后臺調(diào)試模式。(12) 24個中斷管腳，每個管腳帶觸發(fā)極性選擇所有輸入管腳上帶電壓滯后和可配置的上下拉器件，所有輸入管腳上可配置輸出斜率和驅(qū)動強度。 MC9S08DZ60的結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由單片機、信號采集電路、顯示電路以及充放電控制繼電器組成。主要檢測蓄電池運行時的電壓、電流，根據(jù)端電壓和安時電量法估計電池的荷電量，并能根據(jù)設(shè)定的條件自動切斷充放電電路。電壓信號、電流信號通過不同的采集電路，分別進人單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，進行信號的濾波和轉(zhuǎn)換。單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，控制蓄電池組的充放電過程。根據(jù)本文參數(shù)檢測的特點和控制的要求，對于精度要求不高的測量對象，電流的檢測采用電阻壓降法，可以滿足要求。本文采用在充放電電路上串聯(lián)精密電阻的方法，通過對精密電阻兩端壓降的測量，來實現(xiàn)對于電流信號的測量，電路采用了一級電壓跟隨器和一級放大電路。測量關(guān)系表達式為:V0=(R1+R2)Vin/R1 （）選擇合適的測量電阻R1和R2，就可以滿足電流測量的要求。 電流檢測電路 電壓檢測 對于單體電池的檢測，主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示，為電池組4節(jié)的保護電路圖，通過四通道的開關(guān)陣列可以將4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅(qū)動信號，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。 如圖1所示，為電池組4節(jié)的保護電路圖，通過四通道的開關(guān)陣列可以將4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅(qū)動信號，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。 電壓檢測電路 以上4節(jié)電池可以用2個三通道開關(guān)切換陣列來實現(xiàn)。MAX309為1片4選雙通道德多開關(guān)，通過選址實現(xiàn)通道的選擇、開關(guān)SSS7負責將電池的正極連接至飛電容的正極。開關(guān)SSS4負責將電池的負極連接至飛電容的負極。三通道開關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與四通道開關(guān)切換陣列類似，只是通道數(shù)少1路。工作時，單片機發(fā)出通道選址信號，讓其中1路電池的正負極與電容連接，對電容進行充電，然后斷開通道開關(guān)，接通跟隨放大器的開關(guān)，單片機對電容的電壓進行快速檢測，由此完成了對1節(jié)電池的電壓檢測。 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過放或保護系統(tǒng)到電池的檢測線斷路，單片機將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過程，單片機即完成對本模塊所管理的電池的檢測。 溫度采集蓄電池的實際溫度是影響動力電動自行車儲能蓄電池工作的一個重要因素。電解液的溫度直接影響到放電量，環(huán)境溫度對蓄電池的工作性能和使用壽命有極大的影響作用。所以在剩余能量預(yù)測時，必須進行溫度的補償。一般情況下，實際溫度系數(shù)不是一個常數(shù)。在不同溫度范圍內(nèi)，溫度與容量呈現(xiàn)非線性，而且受到蓄電池的新舊程度的影響。環(huán)境溫度為0℃時，電池容量最好。當溫度T0℃時，溫度增加會帶來容量的下降；當溫度T0℃時，溫度減少也會帶來容量的下降。 為了延長電池的壽命，電池管理系統(tǒng)要讓電池在一個恒定的溫度內(nèi)工作，因此系統(tǒng)要盡量測量多點的溫度，才能確保管理系統(tǒng)對能夠及時做出響應(yīng)。 近年來推出的DS18B20芯片，它是單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器，它采用小體積封裝((3引腳的TO92)，有一55 ℃至+125℃的溫度測量范圍，高溫度分辨率(可達0. 0625℃ )，數(shù)字方式串行輸出溫度數(shù)據(jù)，它的工作電源有兩種方式:寄生電源方式。遠端引入。它降低了系統(tǒng)布線復(fù)雜度，提升了系統(tǒng)抗的抗干擾性和可靠性，對我們多點測量的需求適用。單總線適用于單主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設(shè)備。主機和從機之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。單從機的情況下，系統(tǒng)可按單節(jié)點系統(tǒng)進行操作。多個從機的情況下。電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中，需要較多的I/0口驅(qū)動開關(guān)管，而單片機的I/0口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。Q4是控制電池組整充的開關(guān)，Q2,Q3,Q5是控制單節(jié)電池充電的開關(guān)。以4節(jié)鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為48V，副線圈電壓為電池的額定電壓12 V。剛開始Q4導(dǎo)通，Q2,Q3,Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當檢測到某一節(jié)電池的電壓達到額定電壓12 V以后，電壓檢測芯片發(fā)出驅(qū)動信號，關(guān)閉Q4，打開Q2 , Q3 ,QS，整個系統(tǒng)進入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測試，電壓差值不會超過50 mV。 通過以上所述的均衡充電方案的分析，本系統(tǒng)所設(shè)計的方案基木達到要求。但是從以上也可以看出，此均衡方案雖然簡單，但是也存在著致命的弱點。，在本次均衡充電的研究過程中，還有很多有待于進一步解決的難題:均衡充電的控制策略和均衡充電的算法。5軟件系統(tǒng)的實現(xiàn) 盡管電池管理系統(tǒng)在電池組中發(fā)揮的作用是巨大的，但不可否認它也占據(jù)了一定的空間和成本。近幾年來，隨著集成技術(shù)的發(fā)展，體積小和成本低的管理系統(tǒng)越來越受到人們的喜歡。理想的電池管理系統(tǒng)硬件部分只包括數(shù)據(jù)采集模塊和一些控制開關(guān)，余下的控制都是通過軟件來實現(xiàn)，所以只有通過增強軟件部分設(shè)計的方法，來減少管理系統(tǒng)的硬件部分，單片機對采集信號進行計算，再根據(jù)計算所得的值輸出信號來控制開關(guān)。所以數(shù)據(jù)采集模塊對電壓、溫度和電流的采集是以硬件為平臺來實現(xiàn)的，而電量估算模塊、狀態(tài)管理模塊、則是通過軟件部分來處理的，并輸出顯示模塊。根據(jù)電動自行車電池組管理系統(tǒng)要求，軟件設(shè)計要實現(xiàn)以下功能: (1)數(shù)據(jù)采集的功能，包括電池組單體電壓，以及工作電流、電池組溫度、環(huán)境溫度。 (2)由電池的基本信息可確定電池的剩余電量((SOC)。 (3)能夠?qū)崿F(xiàn)在電池充放電兩種狀態(tài)下的實時監(jiān)控并可以判斷故障原因。(4)實現(xiàn)CAN通訊，將電池的采集、計算、故障信息傳輸?shù)诫妱幼孕熊囈壕э@示單元進行顯示。 電池管理系統(tǒng)的主要功能是檢測電池的電流、電壓、過電流、漏電流、溫度等數(shù)據(jù)，同時在運行過程中估計電池的剩余容量并做出各種錯誤報警。,各子模塊測量所在電池的單體電壓和溫度，將數(shù)據(jù)通過CAN總線報送母控制器，母模塊完成電壓、電流、過電流、漏電流等數(shù)據(jù)測量，同時控制熱管理風機的啟停，將重要數(shù)據(jù)信息整車通過CAN總線報送至整車控制器。 電池管理系統(tǒng)最核心的部分為電池狀態(tài)的檢測、估算。其中SOC的估算為重點，能反映電池最重要的狀態(tài)剩余電量。前面已經(jīng)詳細的闡述了SOC的檢測信號的來源與估算的方法。 SOC算法5. 2. 2卡爾曼濾波程序電池剩余電量的卡爾曼濾波估計原理己在前面詳細介紹，這里僅給出程序?qū)崿F(xiàn)卡爾曼算法的C語言程序。其C語言實現(xiàn)代碼如下：includeincludeintlman(n,m,k,f,q,r,h,y,x,p,g)intn,m,k。doublef[],q[],r[],h[],y[],x[],p[],g[]。{inti,j,kk,ii,l,jj,js。double*e,*a,*b。e=malloc(m*m*sizeof(double))。l=m。if(ln)l=n。a=malloc(l*l*sizeof(double))。b=malloc(l*l*sizeof(double))。for(i=0。i=n1。i++)for(j=0。j=n1。j++){ii=i*l+j。a[ii]=。for(kk=0。kk=n1。kk++)1