系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 硬件結(jié)構(gòu)
為完成蓄電池內(nèi)阻、電壓、電流等參數(shù)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)蓄電池SOH及SOC的準(zhǔn)確估算，本文設(shè)計(jì)的便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測(cè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。該系統(tǒng)以高速、低功耗、高抗干擾的單片機(jī)MC9S12XS128為控制中心，主要由過(guò)流保護(hù)電路、電壓及電流采樣電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、內(nèi)阻測(cè)量子系統(tǒng)、恒流放電子系統(tǒng)、電池充電子系統(tǒng)、LCD液晶顯示和通信接口等部分組成。
圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
2.2 下位機(jī)軟件
便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測(cè)系統(tǒng)的主程序是一個(gè)不停循環(huán)的結(jié)構(gòu)，周而復(fù)始地根據(jù)用戶指令對(duì)蓄電池進(jìn)行檢測(cè)與控制，軟件實(shí)現(xiàn)主流程如圖4所示。系統(tǒng)主要有兩大功能，即估算電池狀態(tài)和自校準(zhǔn)，其工作原理及過(guò)程如下：
1）估算電池狀態(tài)。單片機(jī)控制內(nèi)阻測(cè)量子系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)脈沖放電，同步測(cè)量蓄電池內(nèi)阻、電壓的數(shù)據(jù)，根據(jù)式（3）和（4）估算出SOH、SOC；
2）自校準(zhǔn)。單片機(jī)控制電池充電子系統(tǒng)，使蓄電池達(dá)到完全充滿的狀態(tài)，接著控制恒流放電子系統(tǒng)以0.1C放電倍率進(jìn)行連續(xù)放電，放出已知容量后測(cè)量并記錄內(nèi)阻、電壓數(shù)據(jù)，循環(huán)連續(xù)放電和測(cè)量直至蓄電池完全放電。然后根據(jù)釋放的最大容量可得出參照健康狀態(tài)SOH0，以及參照電壓表V[i]和參照內(nèi)阻R[i]。LCD液晶屏和觸摸屏便于用戶查看數(shù)據(jù)和操作控制。通信接口設(shè)有RS485、Wifi、以太網(wǎng)等，可實(shí)現(xiàn)與電腦或手機(jī)等終端進(jìn)行交互和實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能，提高了系統(tǒng)的靈活性、高效性。
圖4 軟件主程序流程圖
2.3 上位機(jī)軟件
為了便于蓄電池SOH和SOC的在線監(jiān)測(cè)與控制，采用C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，界面簡(jiǎn)潔美觀，易于操作。上位機(jī)軟件可通過(guò)TCP或串口方式進(jìn)行通信，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、電流、內(nèi)阻、SOH、SOC等信息，還可以設(shè)置單體電壓、額定容量、截止電壓、放電電流等。該軟件不僅可以控。制蓄電池進(jìn)行檢測(cè)、放電和充電，還可以監(jiān)測(cè)蓄電池的充電狀態(tài)以及用電情況。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)不同蓄電池的SOH及SOC的檢測(cè)效果，采用額定容量分別為100、150、300AH的12V蓄電池，分別檢測(cè)放電過(guò)程中SOH和SOC的變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先使蓄電池達(dá)到完全充滿電狀態(tài)，然后檢測(cè)出蓄電池的當(dāng)前健康狀態(tài)SOH和容量狀態(tài)SOC，接著用蓄電池監(jiān)測(cè)儀ART-5780進(jìn)行0.1C恒流放電測(cè)試，放出10％左右的容量后再檢測(cè)SOH和SOC。循環(huán)檢測(cè)和放電測(cè)試，直至蓄電池完全放電。獲得總放電容量Cmax后，通過(guò)逆向計(jì)算得出每次檢測(cè)時(shí)的實(shí)際剩余容量Cremainn,根據(jù)式（1）和（2）可算出SOH和SOC的真實(shí)值。最后得到的SOH真實(shí)值分別為91％、34％和98％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖5（a）為蓄電池SOH的檢測(cè)曲線，圖5（b）為SOH檢測(cè)誤差曲線，可以看出，SOH檢測(cè)值能夠很好地跟蹤真實(shí)值，呈良好的相關(guān)關(guān)系，而且基本不受放電時(shí)間的影響，檢測(cè)誤差很小，最大誤差僅為3.7％。圖5（c）為蓄電池SOC檢測(cè)值與真實(shí)值的對(duì)比曲線，圖5（d）為SOC檢測(cè)誤差曲線，可以看出，SOC的檢測(cè)值與真實(shí)值為正比例關(guān)系，最大誤差僅為8.1％，可見(jiàn)檢測(cè)結(jié)果十分準(zhǔn)確，而且對(duì)不同老化的電池具有同樣的檢測(cè)效果。本系統(tǒng)對(duì)蓄電池SOH和SOC的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，精度分別達(dá)到了96.3％和91.9％，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
4 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)蓄電池SOC和SOH的估算問(wèn)題，本文在實(shí)現(xiàn)“精確檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻+同步檢測(cè)蓄電池端電壓”的基礎(chǔ)上，提出了一種蓄電池SOC和SOH的在線估算新方法。基于該方法設(shè)計(jì)了便攜式蓄電池SOH及SOC智能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)在線檢測(cè)蓄電池的內(nèi)阻、電壓、電流等特性參數(shù)，還可以快捷地對(duì)蓄電池健康狀態(tài)SOH及剩余容量SOC進(jìn)行高精度的估算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該議器對(duì)SOH和SOC的檢測(cè)精度分別達(dá)到了96.3％和91.9％，可廣泛用于蓄電池電源管理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)，以及廢舊蓄電池的辨別和預(yù)警等，對(duì)提高蓄電池的利用率、延長(zhǎng)鉛酸蓄電池的壽命以及減少?gòu)U舊鉛酸蓄電池對(duì)環(huán)境的污染具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，應(yīng)用前景十分廣闊。
來(lái)源：武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）
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