实时检测电池端电压作为判断电池充电状态的安时计量算法

　　本文分析了各种电池荷电状态估算方法的优缺点，提出了一种实时检测电池端电压作为判断电池充电状态的安时计量算法。由于该算法构成的电量计能实时、准确计算电池的电量和SOC，并应用于风光互补路灯系统，保证了路灯照明安全、可靠地运行。

　　电池是电动汽车的能量来源，为确保电池组性能良好，需对电池进行必要的管理和控制，就必须准确、可靠地获得电池现存的容量状态参数。

　　用测得的电池参数对现存电池容量状态作出准确、可靠的估计，一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力的研究课题，目前荷电状态（ STate of State，SOC） 估算方法有： 开路电压法、安时计量法、内阻法、神经网络和卡尔曼滤波法。国外提出EMF-SOC 模型，即电池电动势与荷电状态的关系模型来估算SOC，相当于开路电压法，该方法不能实时估计； 卡尔曼滤波法则在建立准确、实用的电池动态模型上存在很大困难； Ah 计量法由于不能估计电池的初始值，同时充放电电流波动对电池剩余容量有影响，这些导致了估计不精确；为此本文采用了一种新思路来计算电量值、SOC。

　　1 算法

　　1. 1 算法设计

　　本文提出了一种简单、准确、实时、可靠的电池SOC 估计方法，即电压-安时计量法，其原理是： 实时测得电池两端电压，以电池工作的临界电压值来准确计算电池初值。本文以锂电池为例（ 锂电池的工作电压范围3 ～ 4. 2 V） ，当电池电压= 3 V时，认为电池容量放尽，Q 为零，即SOC为0%; 当电池电压= 4. 2 V 时，认为电池已充满，即SOC 为100%。用单片机实时检测电池的充、放电流，计算出加权系数k 的值，再计算当前的电量，即：

　　该算法解决了传统安时计量存在的问题：

　　（ 1） 通过电池的两个节点电压，为安时计量法提供了准确的初始值。

　　（ 2） 引入不同充放电电流下电量的加权系数K，对算法进行了修正。

　　1. 2 加权系数的计算

　　该值可以通过试验结合Peukert 方程，即：

　　式中W、n———常数那么可得：

　　式中Q（ i） ———电池以电流i 放电所能放出的能量。

　　Q（ I） ———电池以电流I 放电所能放出的能量。

　　电池放电的初始容量是一样的，每种型号的电池的放电倍率曲线是不一样的，做试验用的是锂电池，其放电倍率曲线如图1 所示。

图1 不同倍率放电曲线

　　利用和图1 中数据，可求得任意两组电流下的n 值。其中，电量的比值跟放电状态（ State of Discharge，SOD） 的比值是对应的，将结果制成表格，如表1所示。

表1 加权系数计算表

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　　在Peukert 方程中，n 是常数，为了更准确地计算电池容量值，n 取表1 中所有n 值之和的平均值，即：

　　从而可得到加权系数与电流的关系式：

　　式中I———参考电流，一般取使电池容量最大化的电流。

　　选好参考电流后，实时检测采样电流，通过式（ 5） ，即可计算出加权系数k 的值，从而更准确计算电池容量值。

　　2 软件设计

　　通过上述分析，电量计的计算流程如图2 所示。将每次计算出的Q、SOC 值存储到单片机，并显示在液晶屏上。

图2 SOC 算法流程图

　　3 硬件电路

　　电量计主要包括控制及计算系统、显示系统、采集系统、报警系统、光伏充电系统。系统结构如图3 所示。

图3 系统结构图

　　4 试验及应用

　　对型号为XC-3. 7 V-10AH 锂电池组充电采用型号为KN-DCO1-P180 W 太阳能光伏板组成的脉冲电流充电系统，电流值随着光照强度的改变而改变，这验证了电量计在变电流下的充电状况。在不同的光照强度下电流也不同，电量计都能实时、准确地记录不同时刻的脉冲电流图形，如图4、图5 所示。液晶显示Q 及SOC 值充、放电过程如表2、表3 所示，由表2 和表3 可知，锂电池的效率在95%以上。

图4 8: 00 时的脉冲电流图形

 

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图5 13: 30 时的脉冲电流图形

表2 充电过程液晶显示

表3 放电过程液晶显示

　　在风、光互补路灯系统中，能量的有效管理起着很重要的作用。用电量计对电池组的充、放电量进行准确计算，包括总的电量和每天对电池的充电电量，通过控制器实时检测蓄电池组电压和电量计电量来实现开关灯控制。

　　（ 1） 当开灯时刻到，检测蓄电池组的端电压和电量计电量，当蓄电池组电压低于过放电压或电量计电量为零时，不开灯。

　　（ 2） 当开灯时刻到，检测蓄电池组的端电压和电量计电量，当蓄电池组电压不低于过放电压，电量计电量虽不为零，但不足以点亮两盏灯时，只开一盏灯。

　　（ 3） 当开灯时刻到，检测蓄电池组的端电压和电量计电量，当蓄电池组电压不低于过放电压，且电量计电量足以点亮两盏灯时，同时点亮两盏灯。

　　（ 4） 当至少有一盏灯点亮后，实时检测蓄电池组的端电压和电量计电量，当蓄电池组电压低于过放电压或者电量计电量为零时，将两盏灯同时熄灭。

　　（ 5） 当至少有一盏灯点亮后，达到节能管理时间时，进入节能模式，即只开一盏灯。为了使两盏灯能够均衡使用，节能模式所开的灯由控制器根据单、双日在两盏灯之间轮流切换，避免长期单独使用其中一盏而造成灯头过早报废。

　　（ 6） 当至少有一盏灯点亮后，达到关灯时刻时，将两盏灯同时熄灭。

　　使用电量计对路灯的这种控制方式，保证了路灯照明的安全、可靠运行。

　　5 结语

　　本文在SOC 估算上采用了一种新思路，以实时检测动力电池端电压作为判断电池充电状态的电压—安时计量算法，同时利用加权系数对算法进行了修正，克服了以往算法的一些不足。该算法构成的电量计能实时、准确地测量电池的电量、SOC，在风、光互补路灯系统中，保证了照明路灯安全、可靠地运行。

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