【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(guò)程中任意時(shí)刻的申壓為U(t) .則有 ()其中Up1為放電中兩個(gè)電容兩端的電壓，整理()式可得 ()式中t是電池靜置時(shí)間，由()式可以看到，根據(jù)已知的U01, U02 ,T 1,T2，只要測(cè)得放電時(shí)任一點(diǎn)的時(shí)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(jì)，利用上一時(shí)刻的估計(jì)，再加上實(shí)時(shí)得到的量測(cè)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。因?yàn)樯弦粫r(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)是利用上一時(shí)刻和以前的輸入量測(cè)得到的，所以這種遞推的實(shí)時(shí)估計(jì)就是利用所有的輸入量測(cè)數(shù)據(jù)得到的。其次，卡爾曼濾波把被估計(jì)量作為系統(tǒng)的狀態(tài)，用系統(tǒng)狀態(tài)方程來(lái)描述狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過(guò)程，因此，各時(shí)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(lái)描述，解決非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程估計(jì)的困難?？柭鼮V波的最優(yōu)準(zhǔn)則與線性最小方差估計(jì)一樣，每一時(shí)刻的估計(jì)都使估計(jì)均方誤差最小。現(xiàn)設(shè)線性時(shí)變系統(tǒng)的離散狀態(tài)防城和觀測(cè)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(jì)X(k)^= F(k,k1)X(k1)2. 計(jì)算預(yù)估計(jì)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(jì)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(jì)X(k)~=X(k)^+K(k)[Y(k)H(k)X(k)^]5. 計(jì)算更新后估計(jì)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(shí)刻的狀態(tài)矢量和觀測(cè)矢量F(k,k1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣U(k)為k時(shí)刻動(dòng)態(tài)噪聲T(k,k1)為系統(tǒng)控制矩陣H(k)為k時(shí)刻觀測(cè)矩陣N(k)為k時(shí)刻觀測(cè)噪聲卡爾曼濾波器用反饋控制的方法估計(jì)過(guò)程狀態(tài),濾波器估計(jì)過(guò)程某一時(shí)刻的狀態(tài)，然后以(含噪聲的)測(cè)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(dòng)力電池電量預(yù)測(cè)研究的關(guān)鍵技術(shù)，重新定義了電池SOC，詳細(xì)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(cè)的方法并及現(xiàn)存的問(wèn)題，對(duì)電池組SOC的測(cè)量，提出了結(jié)合安時(shí)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(cè)法，從理論基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)方法方面進(jìn)行了深刻的闡述。4 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)是由MCU模塊、檢測(cè)模塊、均衡模塊組成的。電池管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)SOC算法的載體，它的硬件設(shè)計(jì)直接關(guān)系到SOC算法能否實(shí)現(xiàn)，并影響到SOC算法的性能。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)精確測(cè)量、具有良好的可靠性的電池管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)SOC實(shí)時(shí)在線測(cè)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(jì)算機(jī)(Single Chip Microputer)或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。根據(jù)本設(shè)計(jì)方案的要求，系統(tǒng)的MCU必須具有如下強(qiáng)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(qiáng)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(jì)上，方便于功能的實(shí)現(xiàn)與軟件工作。MC9S08DZ60的主要功能如下：(1)程序存儲(chǔ)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(chǔ)。(3)具有片內(nèi)存儲(chǔ)SRAM，可實(shí)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(shí)間，有自動(dòng)比較功能。(5}一個(gè)6通道(TPM1)和一個(gè)2通道(TPM2}。可支持輸入捕捉，輸出比較，或每個(gè)通道帶緩沖的邊沿對(duì)齊PWM輸出；(6)支持最多32個(gè)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(diǎn)模式運(yùn)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(dòng)的中斷。(9) RTC一(實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器)8位模數(shù)計(jì)數(shù)器，帶基于二進(jìn)制或十進(jìn)制的預(yù)分頻器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，使用外部晶體和RTC來(lái)確保精確時(shí)基、時(shí)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(yǔ)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(tái)調(diào)試模式。(12) 24個(gè)中斷管腳，每個(gè)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(dòng)強(qiáng)度。 MC9S08DZ60的結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)、信號(hào)采集電路、顯示電路以及充放電控制繼電器組成。主要檢測(cè)蓄電池運(yùn)行時(shí)的電壓、電流，根據(jù)端電壓和安時(shí)電量法估計(jì)電池的荷電量，并能根據(jù)設(shè)定的條件自動(dòng)切斷充放電電路。電壓信號(hào)、電流信號(hào)通過(guò)不同的采集電路，分別進(jìn)人單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行信號(hào)的濾波和轉(zhuǎn)換。單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，控制蓄電池組的充放電過(guò)程。根據(jù)本文參數(shù)檢測(cè)的特點(diǎn)和控制的要求，對(duì)于精度要求不高的測(cè)量對(duì)象，電流的檢測(cè)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(guò)對(duì)精密電阻兩端壓降的測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電流信號(hào)的測(cè)量，電路采用了一級(jí)電壓跟隨器和一級(jí)放大電路。測(cè)量關(guān)系表達(dá)式為:V0=(R1+R2)Vin/R1 （）選擇合適的測(cè)量電阻R1和R2，就可以滿足電流測(cè)量的要求。 電流檢測(cè)電路 電壓檢測(cè) 對(duì)于單體電池的檢測(cè)，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(hù)電路圖，通過(guò)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(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。 如圖1所示，為電池組4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)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(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。 電壓檢測(cè)電路 以上4節(jié)電池可以用2個(gè)三通道開關(guān)切換陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX309為1片4選雙通道德多開關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現(xiàn)通道的選擇、開關(guān)SSS7負(fù)責(zé)將電池的正極連接至飛電容的正極。開關(guān)SSS4負(fù)責(zé)將電池的負(fù)極連接至飛電容的負(fù)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(shí)，單片機(jī)發(fā)出通道選址信號(hào)，讓其中1路電池的正負(fù)極與電容連接，對(duì)電容進(jìn)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(jī)對(duì)電容的電壓進(jìn)行快速檢測(cè)，由此完成了對(duì)1節(jié)電池的電壓檢測(cè)。 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測(cè)線斷路，單片機(jī)將馬上發(fā)出信號(hào)切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過(guò)程，單片機(jī)即完成對(duì)本模塊所管理的電池的檢測(cè)。 溫度采集蓄電池的實(shí)際溫度是影響動(dòng)力電動(dòng)自行車儲(chǔ)能蓄電池工作的一個(gè)重要因素。電解液的溫度直接影響到放電量，環(huán)境溫度對(duì)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(cè)時(shí)，必須進(jìn)行溫度的補(bǔ)償。一般情況下，實(shí)際溫度系數(shù)不是一個(gè)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(shí)，電池容量最好。當(dāng)溫度T0℃時(shí)，溫度增加會(huì)帶來(lái)容量的下降；當(dāng)溫度T0℃時(shí)，溫度減少也會(huì)帶來(lái)容量的下降。 為了延長(zhǎng)電池的壽命，電池管理系統(tǒng)要讓電池在一個(gè)恒定的溫度內(nèi)工作，因此系統(tǒng)要盡量測(cè)量多點(diǎn)的溫度，才能確保管理系統(tǒng)對(duì)能夠及時(shí)做出響應(yīng)。 近年來(lái)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(cè)量范圍，高溫度分辨率(可達(dá)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(yuǎn)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(duì)我們多點(diǎn)測(cè)量的需求適用。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)和從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換只通過(guò)一條信號(hào)線。單從機(jī)的情況下，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行操作。多個(gè)從機(jī)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(dòng)開關(guān)管，而單片機(jī)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(dāng)檢測(cè)到某一節(jié)電池的電壓達(dá)到額定電壓12 V以后，電壓檢測(cè)芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，關(guān)閉Q4，打開Q2 , Q3 ,QS，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達(dá)到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測(cè)試，電壓差值不會(huì)超過(guò)50 mV。 通過(guò)以上所述的均衡充電方案的分析，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的方案基木達(dá)到要求。但是從以上也可以看出，此均衡方案雖然簡(jiǎn)單，但是也存在著致命的弱點(diǎn)。，在本次均衡充電的研究過(guò)程中，還有很多有待于進(jìn)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(shí)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(rèn)它也占據(jù)了一定的空間和成本。近幾年來(lái)，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(lái)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(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以只有通過(guò)增強(qiáng)軟件部分設(shè)計(jì)的方法，來(lái)減少管理系統(tǒng)的硬件部分，單片機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算所得的值輸出信號(hào)來(lái)控制開關(guān)。所以數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電壓、溫度和電流的采集是以硬件為平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而電量估算模塊、狀態(tài)管理模塊、則是通過(guò)軟件部分來(lái)處理的，并輸出顯示模塊。根據(jù)電動(dòng)自行車電池組管理系統(tǒng)要求，軟件設(shè)計(jì)要實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控并可以判斷故障原因。(4)實(shí)現(xiàn)CAN通訊，將電池的采集、計(jì)算、故障信息傳輸?shù)诫妱?dòng)自行車液晶顯示單元進(jìn)行顯示。 電池管理系統(tǒng)的主要功能是檢測(cè)電池的電流、電壓、過(guò)電流、漏電流、溫度等數(shù)據(jù)，同時(shí)在運(yùn)行過(guò)程中估計(jì)電池的剩余容量并做出各種錯(cuò)誤報(bào)警。,各子模塊測(cè)量所在電池的單體電壓和溫度，將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線報(bào)送母控制器，母模塊完成電壓、電流、過(guò)電流、漏電流等數(shù)據(jù)測(cè)量，同時(shí)控制熱管理風(fēng)機(jī)的啟停，將重要數(shù)據(jù)信息整車通過(guò)CAN總線報(bào)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(cè)、估算。其中SOC的估算為重點(diǎn)，能反映電池最重要的狀態(tài)剩余電量。前面已經(jīng)詳細(xì)的闡述了SOC的檢測(cè)信號(hào)的來(lái)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(jì)原理己在前面詳細(xì)介紹，這里僅給出程序?qū)崿F(xiàn)卡爾曼算法的C語(yǔ)言程序。其C語(yǔ)言實(shí)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