电动汽车储能源集中分布式数据采集系统

电动汽车的研究

电动汽车储能源集中一分布式数据采集系统

王铁成，位俊雷，朱春波

哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨（１５０００１）

ｚｈｕｃｈｕｎｂｏ面ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

摘要：合理的储能源数据采集系统对保证电动汽车正常工作十分重要。本文设计了一种集中一分布式储能源数据采集系统，此系统由监测单体电池或超级电容的分布式下位机和集中运算控制的上位机两部分构成，上位机和下位机之间通过ＣＡＮ总线通信。集中一分布式结构可以有效提高数据采集速度，通过同时采集模块和单体电压共同参与运算来保证测量的准确度。系统设计完成并经实验验证考核后，安装在超级电容客车上，试验表明，本文设计的集中一分布式监控系统能可靠、快速、

准确的对储能系统电压、电流和温度进行监控，同时能更准确的估计储能系统的剩余电量（ＳＯＣ）．

关键词：集中一分布式管理；剩余电量（ＳＯＣ）；ＣＡＮ总线

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Ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）：ＣＡＮ

电动汽车的研究

１引言

蓄电池和超级电容等储能器件作为动力源，是电动汽车的重要组成部分，电动汽车对储能源的充放电深度、使用寿命、循环寿命和充电速度等要求都很高，所以储能源数据采集系统的研究在电动汽车的发展中占有重要的位置。

国际电工学会（ＩＥＣ）在１９９５年制定的电池管理系统标准中给出了电池管理系统应有的功能：显示荷电状态ＳＯＣ；提供电池温度信息，电池高温报警；显示电解液状态；电池性能异常早期报警；提供电池老化信息；记录电池关键数据。

为了得到储能源的准确状态估计和实施预警与管理，需要对储能源的参数进行实时监测。监测包括温度，充放电电流和电压的监测，其中对电压监测包括单体电压监测、模块电压监测和储能源组总电压监测，对温度监测包括模块温度和环境温度监测。同时还需要在整体上对各种监测信息运算处理并进行相应报警和控制。一般一个储能源组都由上百块单体组成，测量对象数量

行实时监控。完成多路电压，多路节点信息的精确采集，可以显示荷电状态（ｓｏｃ），显示温度并高温报警，存储和显示储能源的有关数据。

２集中一分布式储能源数据采集系统

结构原理

所设计的集中一分布式储能源信息采集系

统是基于９Ｓ１２ＤＧｌ２８和ＰＩＣｌ８Ｆ４５８的设计的。分布式是指每１２个单体组成的模块安装一个下位机，所有下位机通过ＣＡＮ总线将数据传送给上位机。其结构如图ｌ所示，采用分级管理方式。底层下位机使用ＰＩＣ单片机作为单体监控核心芯片，完成多路单体各项指标检测，上位机的高层管理单元采用高运算速率、高抗干扰能力的ｆｒｅｅｓｃａｌｅ单片机作为控制核心，接收处理来自下层检测单元的数据，测量充放电电流估计ＳＯＣ，完成对储能源模块的各项检测和控制，保证更有效、更可靠更安全进行系统管理。通过ＣＡＮ工业总线和计算机ＬａｂＶＩＥＷ通信，保证了数据传输的实时性、控制设计的人性化和各种数据的图形直观显示心’。

此系统可以准确测量每个储能源单体电压，监测模块电压和温度，监测储能源组电压和环境温度，根据测量电流值估计ＳＯＣ，将测量和计算数据通过ＣＡＮ总线传送给Ｐｃ机保存哺１。分布式监测系统每个下位机监测１２个单体，测量单体串联电压＜２０Ｖ，提高单片机运行的可靠度；由于

庞大，如果仅用一个单片机测量，存在：①单片

机测量单体串联起来电压大约在１５０Ｖ左右，大的压差不利于保证单片机可靠性，如果单片机失灵整个系统就不能工作；②单个单片机测量一组数据周期太长，很难保证故障处理的实时性；③对ＳＯＣ估计准确要求对电流采样时间很短，单个单片机测量不能保证电流采样的速度要求…。

采用分布式结构，下位机将测量数据通过ＣＡＮ

总线传送给上位机，即使出现单个下位机故障情况，其他下位机依然能正常运行，整个系统依然可以可靠工作；对电流采集由上位机完成，高运算速度可以提高电流采集频率，提高使用电流积分法估计ＳＯＣ的准确度。

针对以上问题，我们设计了集中一分布式

的储能源信息采集系统，可以用于电池组也可以用于超级电容器组。系统为基于ＣＡＮ总线的分布式网络监测系统，可以对储能源的模块电流、单体电压、模块电压、内阻和工作温度等参数进

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圉匿。

箍

出为数字量，分辨率为０．０６２５＇Ｃ，温度范围为一５５＇Ｃ至＋１２５＂Ｃ，存中参数都符合储能源信息采集系统对温度栗集的要求“１。这样只需占用单片机的一个Ｉ／Ｏ口就可要实现多点温度的精确测

量，节约了单片机的１０口赍潭。

本系统来用用２套通信方案．通过ＣＡＢ通信实现测试模块和上位机、ｖｌＩ【Ｉ、车载信息系统之间的通信。而ＲＳ－４８５作为备用通信方案也设计

图１集中一分布式储能源信息采集系统结构框

图

在测试系统板中．通信如图４所示。图为５为安装示意图。

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圉３分布式测量系统实物图

图５分布式管理系统安装图

模块温度的测量是在单根总线上挂多个ＤＳ｜８８２０来实现的。ＤＳｌ８８２０是ＤＡＬＬＡＳ半导体公司生产的温度测量模块。它的特点是结构简单，Ｈ有三根引脚．有一个双向通讯线Ｄｑ，数据输

４基于ｆｒｅｅｓｃａＩｅ单片机的上层集中数据采集系统

集中储能管理系统以９Ｓ１２Ｇ１＊１２８为核心，

实现储能源模块电压检测，进行ＳＯＣ，ＳＯＨ的在

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线估计，实时测量储能系统环境温度投温度梯度１２个单体超缎电窖的串联内阻，然后计算出模

一单位时间内温度变化的大小和方向。通过Ｃ

Ａ

块内平均内阻来判断超级电容老化程度”’。

Ｎ总线将采集信息传递给总控制器并接收总控制器的命々。图６为集中数据采集单元实物图。

国

图８超级屯窖的充放电模犁

本系统采用电流梯度法测量超级电容内阻，

根据图８超级电容模型，当一个电流采样周期内

电流变化大于５０Ａ时，用变化酊后的电压差除以变化前后的电流差，得到模块内阻值。

“时刻电压方程为

图６集中管理单元实物圈

微控制器Ａ／Ｄ粟集通道有限，但需要粟集的

ｕｏ＝ｒ％＋ｖｏ

①

储能源组模块很多，同时，由于Ａ／Ｄ模块的电压＾时刻电压方程为：

采集范罔为０‘＋ＳＶ，而串联储能源组电压最大值为１５Ｖ，因而需要对输入电压调整。电压采样电

路框图如图７所示。其中微控制器电压输入端接

ｑ硝乜

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入储能源组电压，ｆｒｅｅｓｃａｌｅ控制器对两片在电流变化瞬间．超级电容电压没有发生变

７４ＬＳｌ５４发出选通信号，选通柑府的横块。经选化，”２ｖｏ

通的电压送入ＯＦ０７进行电压调整后输出给Ａ／Ｄ

所以可以计算得到：

模块的相应通道实现模数转换”１。

ｒ＝ＵＩ－－“０

③

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根捌上式可得到超级电容的内阻从而确定健康状态”’。

管理系统软件流程图设计如下，首先控制器１一ｎ＊＊ａ一＊４斟：

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读＾模块超级电容电压、储能系统环境温度、充放电电流、系统电压等数据进行处理，与ｖ删（车

辆管理单兀）通信进｛』数据显不。当超级电容电

图７电压采样电路原理图

最或能最过低需要充电时，报警；当超级电容组超级电容的内阻往小，一般是毫欧甚至是微

的温度过高，非正常工作时，报警；根据电潍梯

欧级的．对单体内阻的检测较难，所咀先测量

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度法测量的超级电容模块内阻过大或过小时，报警。根据以上几种情况进行故障诊断及处理哺１。接着通过电流值判断系统处于充放电还是静置状态，然后通过相应条件判断待均衡超级电容组，控制继电器接通实现均衡，最后当均衡超级电容组和被均衡超级电容组电压相差小于一定值时断开均衡，为下次均衡作好准备。控制流程如图９所示。

图１０车用超级电容串并联示意图每个超级电容单体采集电压时间需要ｌＯｍＳ左右，单独的集中式监控系统测量４３２个超级电容单体采集一遍时间大约５ｓ左右，再加上温度采集时间和运算时间，６ｓ可以完成一次数据的采集。集中分布式由于运算和温度采集都由上位机执行，模块单体采集一次大约需要２００ｍＳ，整个系统采集速度可以达到每秒５次。根据电流积分法估计ＳＯＣ时，需要对电流进行积分，车辆行驶过程中电流变化频繁，快速的电流采集使基于安时法的剩余电量（ＳＯＣ）估计更加准确，保护电路动作更加及时。单独的分布式测

一一，一一蜜一

量电压相对误差为３％，集中分布式系统由于采用模块平均电压参与运算，测量相对误差降到１．５％以下，同时可以避免了一次采集错误带来误动作，加强了管理系统的安全性和可靠性。

利用信息采集系统测量超级电容充放电的电流和电压数据曲线如图１１所示，测量的ＳＯＣ和ＳＯＥ（Ｓｔａｔｅ

ｏｆ

塞

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图９均衡系统控制流程图

Ｅｎｅｒｇｙ）如图１２所示。

５集中一分布式储能源管理系统试验

验证

储能源信息采集系统设计完成后，经实验室

图１１恒流充放电过程中电流电压曲线

静态试验考核，安装在哈尔滨工业大学研制的超级电容车上，结构如图１０所示。

８个赶！绂电弃中体串联

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图１２恒流充放电过程中ＳＯＣ和ＳＯＥ在超级电容车实际行驶过程中，采集的储能系统各个参数如图１３所示，电流和电

１００

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压数据如图１４所示，温度变化数据如图１５

所示。

站、风力发电等备用电源监控系统的电池和超级电容等储能设备的状态检测与管理领域。

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参考文献ｊ■ｒ‘０＾，。。，

［１］

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图１３车辆行驶过程中监控面板

［２］［３］［４］图１４车辆行驶过程中电压电流变化

［５］［６］Ｃ图１５车辆行驶过程中储能系统温度变化试验表明此管理系统具有较强抗干扰能力．可以实时监拉车辆运行中储能系统备参数变化。

６结论

本文提出了一种基于集中一分布式的电动

［７］

汽车储能源信息采集系统，经试验验证，安全可靠。此系统减ｄ，Ｔ采样时问，提高了ｓｏｃ估计准确度．保证储能系统监测的快速性、安全性和可［８］

靠性，为电动汽车储能系统的状态估计和快速保护提供了基础。本系统可应用于航天和通信基

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电动汽车的研究

作者：王铁成：教授，博士研究生导师，研究方向：电动汽车电气系统，微特电机及其控制

位俊雷：硕士研究生，研究方向：储能源监测与管理技术

通讯作者：朱春波，教授，博士研究生导师，研究方向：储能源监测与管理技术、智能测试与控制

技术

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2764.html