易 旺，金可音，龍永新，趙 陽

（湖南工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲 412007）

隨著我國對新能源投入力度的加大，電動汽車的普及成為大勢所趨[1]。如何準(zhǔn)確估測剩余電量及如何保證續(xù)航里程成為電動汽車應(yīng)用的關(guān)鍵問題[2]。目前，電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）對剩余電量（state of charge，SOC）的動態(tài)估測已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的一個研究熱點，然而基于充電站的里程續(xù)航的改進(jìn)方法卻少有涉及。本文首先提出了一種基于GPS/GPRS的電動車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，然后逐個提出電池管理系統(tǒng)中鋰電池組的電流數(shù)據(jù)采集、電壓數(shù)據(jù)采集、溫度數(shù)據(jù)采集以及SOC估測的解決方案，最后總結(jié)了該方案的不足以及下一步需要改進(jìn)的地方。

1 整體框架

電池管理系統(tǒng)是保證電動汽車安全、提高能量的使用效率的一項相當(dāng)重要的技術(shù)。電池管理系統(tǒng)通過對系統(tǒng)各個重要參數(shù)的準(zhǔn)確測量，精確估計動力電池組剩余電量以保證電動車的續(xù)航能力，同時防止電池的過充過放，保證整車的安全以及延長動力電池的使用壽命。

本文在已有電池管理策略的基礎(chǔ)上，增加了GPS/GPRS模塊，使得系統(tǒng)能在剩余電量不足的時候自動查找距離最近且在線排隊時間最短的充電站，并進(jìn)行充電，以保證續(xù)航；在電動汽車出現(xiàn)故障的情況下，通過GPRS模塊與監(jiān)控中心取得聯(lián)系，并將當(dāng)前位置信息發(fā)送給監(jiān)控中心；同時，本文采用了一種新的檢測方法用于數(shù)據(jù)采集模塊，以提高在線估測SOC的精度。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 電動汽車智能充電組網(wǎng)框圖Fig.1 Network diagram for smart electric vehicle charging

該系統(tǒng)包括3個核心部分：

1）SOC的準(zhǔn)確估計。SOC的準(zhǔn)確估計一直是全世界各個國家研究的重點。只有準(zhǔn)確地估計SOC的值，才能防止電池的過充過放，保證整車的安全；才能及時地更新電動汽車當(dāng)前的續(xù)航里程信息，以保證電池組的及時充電。 由于鋰電池的SOC值不能直接測量得到，只能通過測量電流、電壓、溫度等系統(tǒng)參數(shù)來估算。本系統(tǒng)中所采用SOC估計算法是基于無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter，UKF）的一種估計方法。該方法適用于高度非線性化的復(fù)雜的電動車環(huán)境中，具有較好的估計精度。

2）數(shù)據(jù)的精確采集。由于電動車環(huán)境中存在強(qiáng)電和弱電兩種系統(tǒng)，且動力電池組是由很多節(jié)單體電池組成的，行駛時工作電壓能達(dá)到300 V，如何準(zhǔn)確地采樣數(shù)據(jù)，成為了硬件設(shè)計的關(guān)鍵問題。系統(tǒng)使用“電容隔離”法采樣電池的電壓數(shù)據(jù)，通過電容的作用，使得強(qiáng)電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)實現(xiàn)了有效的隔離，通過對霍爾電流計采集到的電流進(jìn)行濾波，減少了電流漂移噪聲對精度的影響，為后續(xù)的精確估計SOC值提供堅實的基礎(chǔ)。

3）充電站的自動查找以及充電服務(wù)的在線預(yù)訂。當(dāng)電量較低時，GPS自動搜索附近的充電站，并通過GPRS與最方便快捷的充電站建立通信聯(lián)系，在線預(yù)定充電服務(wù)。該功能及時提醒駕駛員及時補(bǔ)充電量，防止電動汽車因為電量耗盡而中途拋錨，大大減少了駕乘人員的等待時間。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路以模塊化方式設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 電池管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of battery management system

系統(tǒng)主要由中央控制單元、檢測單元、GPS/GPRS模塊等組成。系統(tǒng)中央控制單元使用的控制芯片為STM32F103，它是由ARM公司生產(chǎn)的Cortex-M系列中的一款。STM32F103具有豐富的外設(shè)配置和卓越的性能，使得其被應(yīng)用于工業(yè)、家電、建筑安防等多種領(lǐng)域。檢測單元使用的控制芯片是P8xC591系列單片機(jī)。P8xC591是一個高性能的CAN微控制器，可用于汽車和通常的工業(yè)應(yīng)用中，其具有CAN的擴(kuò)充特性，其中包括增強(qiáng)型驗收濾波器、支持系統(tǒng)維護(hù)診斷、系統(tǒng)優(yōu)化以及接收FIFO特性。P87C591是Philips公司在普通單片機(jī)87C51基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種高性能單片機(jī)。它有44個引腳，是一個單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集，并包括了Philips半導(dǎo)體SJAl000 CAN控制器的PeliCAN功能。在CAN總線通信接口中，該芯片將普通的CAN通信控制器SJAl000和MCU集成到一個芯片中，從而大大簡化了硬件電路，方便了系統(tǒng)設(shè)計。通過與CAN總線驅(qū)動器82C250的連接，從而將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線實時地傳送給主控芯片進(jìn)行處理。

2.1 電壓采集模塊

電動汽車的電機(jī)工作電壓較高，一般取300 V左右，屬于強(qiáng)電系統(tǒng)，為了保障安全，通常會把動力電池組（強(qiáng)電系統(tǒng)）與車電系統(tǒng)（弱電系統(tǒng)）相互隔離，可是電池端電壓的檢測又必須與這兩者發(fā)生聯(lián)系。因此，將強(qiáng)電系統(tǒng)中的電池電壓參數(shù)采集出來，并發(fā)送給弱電系統(tǒng)中的電池管理模塊，同時既不破壞兩個系統(tǒng)之間的絕緣，是檢測中必須滿足的必要條件[3]。同時，為了克服檢測單元模塊從被檢測電池上持續(xù)取電的問題，將所有模塊統(tǒng)一供電，由一個總開關(guān)控制，這也牽扯到模塊供電回路與動力電池的隔離問題。相比以往的用光電和電磁隔離兩種手段，本系統(tǒng)設(shè)計采用了電容隔離的方法，更好地解決了這個問題。圖3所示為本設(shè)計中系統(tǒng)電壓采集模塊的基本結(jié)構(gòu)圖。

圖 3 電壓采集模塊基本結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Data acquisition module for voltage

如圖3所示，電壓采集時P87C591先將雙刀單擲開關(guān)K1合上，則電池對電容C充電。因為時間常數(shù)很小，電容端電壓很快達(dá)到電池端電壓，此時，P87C591通過控制I/O口使K1斷開K2合上，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換就可采集到電容C的電壓，也就是該節(jié)電池的電壓；最后P87C591斷開K2，從而完成該次采集任務(wù)。由此看出，電容在此起到了很好的隔離作用，利用電荷存儲的特性，從電池上取得電壓值再傳遞給A/D轉(zhuǎn)換模塊，完成電壓的隔離采集任務(wù)。這種方式不但解決了參考點問題，而且完全隔離了電池與檢測電路，其主要缺點是每個模塊增加了2組可控開關(guān)，增加了成本和復(fù)雜度。

2.2 電流采集模塊

在卡爾曼濾波算法中，電流值是整個系統(tǒng)的控制變量，準(zhǔn)確地測量電流對于準(zhǔn)確估測SOC具有重要的意義?；魻杺鞲衅骱头至髌鞣椒ㄊ莾煞N常用的電流檢測方法。霍爾傳感器具有良好的隔離性能和較低的功率損耗，盡管霍爾傳感器一般都把溫度漂移的補(bǔ)償封裝在傳感器內(nèi)，但是溫度漂移會影響測量的精度，分流器雖然原理簡單，可是在出現(xiàn)持續(xù)大電流工作條件下時，會出現(xiàn)發(fā)熱的情況，使其阻值發(fā)生變化，影響分流器的測量精度。本系統(tǒng)采用的是霍爾電流傳感器，溫度漂移引發(fā)的噪聲問題，可以利用無跡卡爾曼濾波減少溫度漂移對其測量精度所產(chǎn)生的影響。本系統(tǒng)所采用的霍爾電流傳感器為LTS15-NP。 電流采集模塊基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖 4 電流采集模塊基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Data acquisition module for current

2.3 溫度采集模塊

目前測量溫度常用的有熱電阻熱、電偶、DSl8B20。熱電偶的輸出電壓受到其熱端和冷端溫差的影響，需要在實際使用過程中對其進(jìn)行冷端補(bǔ)償，而且還需要設(shè)計專門的冷端溫度檢測電路以及專門的濾波放大電路，實現(xiàn)比較復(fù)雜。熱電阻由于其溫度響應(yīng)速度較慢，只能用于精度要求不高的場合，同時熱電阻和熱電偶輸出信號都是模擬信號，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)最后計算得出溫度值。DSl8B20則能克服以上缺點，綜上所述，考慮到在電動汽車電池組上需要測量的溫度點比較多，系統(tǒng)采用DALLAS公司的DSl8B20溫度傳感器對電池的溫度進(jìn)行測量。溫度采集模塊基本結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖 5 溫度采集模塊基本結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Data acquisition module for temperature

2.4 CAN總線通信模塊

檢測單元模塊相當(dāng)于CAN總線系統(tǒng)中的一個智能節(jié)點。使用P87C591作為節(jié)點的控制芯片，在CAN總線通信接口中，該芯片集成了CAN通信控制器SJAl000，簡化了硬件電路，方便了系統(tǒng)設(shè)計。CAN總線驅(qū)動器采用的是82C250。CAN通信主要由控制芯片P87C591、CAN總線驅(qū)動器82C250、高速光電耦合器6N137 3個部分組成。P87C591通過CAN總線驅(qū)動器82C250與CAN總線進(jìn)行通信，提高了對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力，P87C591通過高速光電耦合器6N137后與CAN總線驅(qū)動器相連，很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點之間的電氣隔離[4]。圖6為CAN通信模塊接口結(jié)構(gòu)圖。

圖 6CAN總線模塊基本結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Basic structure of CAN bus module

2.5 GPS/GPRS模塊

設(shè)備中的GPRS模塊選用西門子Mc35模塊，GPS模塊選用的是北京冠天科技旗下基于MT3318芯片組的HOLUX M1000B。GPRS模塊的功耗低至45 mW，具備快速定位及追蹤32顆衛(wèi)星的能力，通過RS232串口以波特率為4 800/9 600 Bd/s與中央控制單元通信，在跟蹤到衛(wèi)星的時候，定時精度在50 ns，位置精度在5 m，支持NMEA-0183協(xié)議，可以向中央控制單元發(fā)送$GPRMC格式的報文，報文包括時間信息、地理位置信息和速度信息等?；谝陨咸匦?，HOLUX M1000B完全滿足系統(tǒng)的要求[5]。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是指在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上進(jìn)行編程，通過程序方式來控制各硬件電路，并最終實現(xiàn)對電池組SOC在線精確估計。同時系統(tǒng)軟件部分利用C語言進(jìn)行模塊化方式編寫，這不僅增加了程序的可讀性和移植性，也便于系統(tǒng)軟件功能的在線調(diào)試和升級。對于汽車動力電池組而言，系統(tǒng)軟件設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

1）能夠精確測量電源管理系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等各項參數(shù)，精確預(yù)測鋰電池組的剩余電量，而且在計算過程中要重點考慮充放電倍率、電池溫度對SOC 狀態(tài)的影響。

2）強(qiáng)調(diào)SOC 估算的實時性和精確性，在獲得當(dāng)前電池實測數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)能及時精確地給出當(dāng)前SOC 估算值，并對電池組狀態(tài)進(jìn)行診斷。

3）當(dāng)剩余電量到達(dá)警戒線時，通過GPS自動查找距離最近、排隊等待時間最少的充電站，并通過GPRS向該電站服務(wù)器請求充電并預(yù)定充電服務(wù)。

3.1 SOC動態(tài)估測

電池管理的關(guān)鍵技術(shù)有SOC估算、SOH估算和熱管理。其中，SOC是電動汽車運(yùn)行過程中非常重要的參數(shù)，只有準(zhǔn)確地估算SOC才能有效提高電動汽車的利用效率，對保證電池組的安全和延長電池使用壽命具有重要的意義。由于電動汽車在使用過程中高度的非線性，目前應(yīng)用的各種實時在線估算方法都存在或多或少的缺陷，使得SOC估算成了電池管理系統(tǒng)的重點和難點。目前比較常用的估算方法有基于電流積分的安時法、基于電池端電壓測量的開路電壓法、基于大量樣本數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、以及基于電池狀態(tài)空間模型和遞推方程的 Kalman（extended Kalman filter，EKF）濾波方法、UKF算法、擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法等。無跡卡爾曼濾波（UKF）算法具有和擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）算法相同的算法結(jié)構(gòu)，但是它可以直接使用系統(tǒng)的非線性模型，既不需要像EKF算法那樣得先對非線性系統(tǒng)線性化，也不需要去計算復(fù)雜的雅克比矩陣。雖然對于線性系統(tǒng)，UKF和EKF的估計性能不相上下；但是對于非線性系統(tǒng)，UKF方法的優(yōu)勢就顯示出來了，它可以更好地得到最優(yōu)估計。本文將利用UKF進(jìn)行推導(dǎo)，得到鋰電池的系統(tǒng)模型。

式中：xk為k時刻的剩余電量狀態(tài)；yk為電壓的觀測值；ink為電流輸入控制變量；V0為開路電壓，R為電池電阻；K0,K1,K2,K3都是待識別的參數(shù)，可以通過最小二乘法得到。根據(jù)系統(tǒng)方程，利用UKF進(jìn)行推導(dǎo)，流程圖如圖7所示。

圖 7SOC估測程序流程圖Fig.7 Flow chart of SOC estimation

3.2 系統(tǒng)軟件程序流程圖

系統(tǒng)軟件采用了模式化的編程思想，具體流程如下。

電動汽車的電池管理系統(tǒng)實時監(jiān)控電動汽車的動力電池的電荷狀態(tài)，當(dāng)電池的總電量下降到50%的時候，GPS查找距離最近的N個（N的值由駕駛員根據(jù)情況自行設(shè)定）流動充電站的距離，并計算該距離所需要的SOC值，當(dāng)電池的總電量小于或等于N個值中最大的一個時，BMS下發(fā)需要充電告警，與此同時，GPRS模塊調(diào)用終端內(nèi)部存儲的IP地址和端口號，自動建立與監(jiān)控中心的通信聯(lián)系，將電動汽車當(dāng)前的位置信息和最近的充電站的位置信息以RMC格式的報文發(fā)送給監(jiān)控中心，請求預(yù)定充電。若此時在線排隊車輛不多，則監(jiān)控中心回發(fā)預(yù)定成功短信，電動汽車GPS則規(guī)劃路徑；否則，監(jiān)控中心發(fā)送拒絕消息，電池管理系統(tǒng)則重新發(fā)送距離最近的充電站（除掉前面排除的排隊車輛已滿的充電站）的位置給監(jiān)控中心。重復(fù)上述過程，若是N個充電站排隊等待時間都很長，則由駕駛員自行選擇合適的充電站進(jìn)行充電。系統(tǒng)軟件程序流程如圖8所示。

圖 8 系統(tǒng)軟件程序流程圖Fig.8 Flow chart of system software program

4 結(jié)語

本文利用電容對強(qiáng)電系統(tǒng)和弱電系統(tǒng)的隔離作用，能準(zhǔn)確測量鋰電池組的電壓，利用霍爾電流傳感器測得實時電流值，并且通過無跡卡爾曼濾波對漂移電流噪聲進(jìn)行濾波，使得電流的測量值更加準(zhǔn)確，以便得到準(zhǔn)確的SOC估測值；GPS/GPRS模塊的加入使得電動車在電量不足的時候智能、自動查尋最快捷的路徑，確保在電量耗盡之前到達(dá)充電站進(jìn)行充電，以保證續(xù)航能力；且當(dāng)電動車發(fā)生故障時，通過GPRS與監(jiān)控中心取得聯(lián)系，請求援助。本文設(shè)計的管理系統(tǒng)智能且人性化，能自動提醒，智能查找，提前預(yù)定，充分保證了電動車的續(xù)航能力，并且大大節(jié)省了駕駛員的充電等待時間；同時駕駛員也可以根據(jù)實際情況自行設(shè)定參數(shù)，體現(xiàn)了很好的人機(jī)交互功能。后續(xù)的工作依然艱巨，下一步將著手充電站監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)。

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