论文研究-基于C51F005的电池SOC监测模块设计开发 .pdf

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基于C51F005的电池SOC监测模块设计开发,杨光,王孝良,随着蓄电池应用的不断发展,对电池电量的精确测量也变得越来越重要。本文以铅酸蓄电池为研究对象,设计开发了一款以高性能单片机
国武技论文在线 统级单片机,它在内部集成了单片札数据采集及智能控制的节点所需要的几乎所有模拟和数 字外设以及其他功能部件。本监测模块选用 是为了利用它的数据采集与转换 功能,来对工作电压,充放电电流,电池内阻以及温度进行采集,进而通过串口将计算所得 数据上传。从而实现模块的高效性与安全性。系统整体结构如图所示。 数据采集部分 工作电压监测电路 电池的作电压为电量监测的项重要参数,对其精确测量决定着蓄电池充放电的截止 点的准确选取。在本模块的电路设计中,首宄采用了两个大电阻对蓄电池的端电压进行的分 压,然后使信号通过一个电压跟随器与低通滤波器去除干扰,最终将信号送入单片机的 转化端口。如图所示 > 图工作电压监测电路 工作电流监测电路 本监测模垬的关键是对蓄电池充放电电流的监测,因此,我们选取了北京中新康达电了 有限公司的 型号的霍尔电流传感器进行电流信号采集,这款传感器的原边和副 边之间是绝缘的。可用于测量直流、交流和脉冲电流。如图所示,当蓄电池处于充电状态 时,采样电阻的电压为“”,经过运放之后,输出信号为 为“” 反之当蓄电池处于放电状态的时候采样电阻的电压为“”,相应的输出信号也同时取反, 在进行后续的测量计算中,我们即根据这两个信号的正负来判断蓄电池的工作状态。 电流传感器 图工作电流监测电路 国武技论文在线 电池内阻监测部分 蓄电池内阻分为欧姆电阻和极化电阻,其中极化电阻又分为电化学极化电阻和浓度差极 化电阻。关于蓄电氾内阻的测量,传统方法主要是密度法,开路电压法和直流放电法,但由 于这些方法在测量精度与实际澡作上的可行性都不好,而且直流放电法长期使用还会影响蓄 电池的使用寿命。所以,在本误题中,我们选择了交流法测量蓄电池的内阻。交流法测量 占用体积小,而且对蓄电池无损害,且可以实施快速的在线测量,可操作性好。此种交流法 的测量原理是通过对蓄电池施加一个低频交流的小电流信号,然后对蓄电池两端的低频电压 反馈信号进行沨量。这里我们已知施加的低频交沇小电流为 测得的反馈电压 为,且。则根据欧姻定律可以算出蓄电池的内阻 。但交流法的一个缺点是容 易受到噪声源的「扰,因此在电路中我们要加入个带通滤波器,以此来保证提交给单片机 转换器的信号安全。测量的硬件结构图如图所示。 低频交流信号发生器 耦 低 蓄电 通 整 驱 动 /菜一→游 电 电 电 路 路 路 图内阻测量的结构框图 温度采集电路 温度的变化对铅酸蓄电池容量的变化影响较大,由于考虑到将来电动车可能行驶在温度 变化比较恶劣的环竟中,所以必须考虑到温度对蓄电池的影响。 对于温度的采集,在本课题中选用了关国 半导体公司的的单线数字温度传感 器 。该传感器体积小,适用电压宽,支持“一线总线”接口。具体特点为单线接 口,而且方使用户多点组网,并且使用时不需要任何外国元器件。其中 的温度测 量围是℃ C在℃~℃之间的测量精度为土℃。该传感器还可以通过程 厅将分辨率设定成相应的至位,相对应的分辨率分别为℃,℃℃和 ℃。测量电路如图所示 图温度测量电路 国武技论文在线 人机交互部分 键盘模块 本模块共设冒了六个按键,分别是一个设置键,一个确认键,两个翻页键,两个加减键, 只体实现电路如图所小。其中上拉电阻的作用是提高带载能力,输出电平信号通过上拉电 阻直接与单片机接口相连。由于上拉电阻的作用,使得在无按键状态卜,输出电平为高电平, 当有任意键按下,则相对应的输岀信号为低电平,通过对得到的电平信号烏低来判断键值并 执行相应的功能。 图键盘接口电路 显示模块 液晶显示部分从需要显示的任务量与功耗比的角度考虑,选用了 液晶定时动 态更新显小方案。其中 液晶显小模块内部了集成 液晶控制芯片,分辨率为 ,内部包含了 码简体中文,每个中文占用了 的点阵,以及 个Ⅱ字符,每个字符占用的点阵。该模块接口方式灵活,操作方使,可以有多种 和单片机链接的方法,如/位并行、线或线串行这几种接∏方式。原理图如图所 其中单片机与液晶模块的位数据总线相连,为液晶复位控訇端凵,为数 据命令选择端口,为液晶数据读写控制端,液晶使能端相连。 电路图 国武技论文在线 图 接口电路图 串口通信模块 在串行通信部分本模块采用了 接口 是美国电子协会正式公布的、 在异步串行通信中应用最广的总线标准。通讯模式为仝双工,即可以同时接收和发送。在本 模块中采用了 公司生产的 芯片来完成通讯过程中的逻辑电平转换的任务 如图所小 模块软件部分的分析与设计 基于算法优化的神经网络 算法介绍 模块的这部分主要是对采集的各项参数进行计算,进而求得铅酸蓄电池的值。其 中是指蓄电池所剩余的电量与蓄电池以一定的电流放电所能放出的电量的比值。蓄 电池剩余电量的变化本身是一个很复杂的非线性系统,因此在求解的过程中相对比较复杂, 般的常规算法难以满足精确性的要求。在本课题中我们引入了一种基于优化方法改进 过的算法来对莟电池的充放电过稈进行建模,进而求解蓄电池的。其中算法在 训练权值方面是日前神经网络中应用最为广泛的,但它存在一个重大的缺点,即训练时间长, 对于仝局极小点的收敛慢。这使得此算法在实际的应用中实用性大打折扣,很难适应大部分 系统所要求的实用性。传统的优化方法主要有共轭梯度法,动量法等,虽然对收敛速度的 提高有些许帮助,但都没有在根木上有所改善。因此,在木课题中采用了优化方法对其 进行优化,该方法经过实验仿貞验证,较前人的方法大大的提扃了收敛速度。优化方法 比较类似于牛顿法,这里设参数v 具体优化流程图如图所示 国武技论文在线 初始化BMv 计算 计算 满足终止法则 Y 检验 +B vl 输出 图 算法流程图 课题的算法介绍 蓄电池的电量最初是由充屯电量决定的,但在充电⊥程中,由于电池内阻的作用,必将 使得·部分电量损耗,这部分损耗主要将以热能的形式消耗掉,这里我们称之为充电损耗 同样在放电过程中也会有放电损耗,关于这类电量的损耗,我们统称之为安时损耗,则基于 电量平衡的方法有 剩余电量()-充电量()-放电量()-安时损耗() 安时损耗()=充电安时损耗()+放电安时损耗() 则由定义可知 其中: 由此可见,充电量与放电量相对比较妤求,安时损耗的精确计算才是问題的关键所在。 只体安时损耗值的大小又要受到蓄电池的工作状态(充放电电流,工作温度,内阻)的强烈 影响,即理论可以与前面参数监测部分联系起来了 这里我们采用了基于算法优化的神经网络來解决安时损耗的精确计算问题,具 体我们以充电损耗为例建模(放电损耗同理)。其中我们将通过采集电路得到的参数允电电 流,电池的工作温度,以及内阻作为神经网络的输入层,则输出层即是具体的充电安 国武技论文在线 吋损耗值,具体的神经网络模型图例如图所示。 基于算法改进后的 神经网络 图畜电池充电损耗的袒经网络模型 监测模块主程序结构图 主程序主要完成数据采集、初始化等功能,开机后首先是对各参数以及变量进行了初始 化(这里包括对单片机硬件資源的初始化、变量的初始化、尔设资源的初始化等),然后进 入主循环,在主循环中调用各个子功能块。其中主程序中还包括对键盘的査询,以及后续的 根据键值进行的相应键处理程序。 本监测模块通过定时器的精确计算,每间隔秒钟产生一次中断,读取各个采 集通道的参数。绎过相应的滤波处理后再通过调用补偿程序对测量值进行补偿运算。并且以 通过定时器计算产牛的 次溢出的时基信号为基准,进行累加,累计毫秒进入 次显示中断服务程序定时刷新,将结果进行显示。 本监测模块的软件部分由语言来实现,只体的开发环境为 具体的软件功能结构图如图所示 屮断 屮断 前台程序 串口通讯K 参数设置 采样 缓 按键处理 区 数字滤波 显示刷新K 温度采集 数据补偿 图系统软件功能结构图 结论 展望时代发展的脚步,能涼更新换代的局面,电动车的使用必将是一个重要转变点。而 作为电动车系统中的动力源,蓄电池,对其剩余电量即铅酸蓄电池的准确监测必然成 为问题可行性的重中之重。本文中围绕着“提出问题,分析问题,解决问题”的这么一个主 题思想,提出了整伓的硬件与软件解决方案,并详细的对课题进行了阐述。论文的主要成果 国武技论文在线 为 ()在分析研究了当前已有的研究成果与缺点的基础上,提出了一种改进的基于电量 平衡法的铅酸蓄电池监测方法。使得对蓄电池的监测水平在精确性与可行性上有 了更加显著地改善 ()本文设计实现了一款以 单片机为核心的监测模块,完成了对电池内阻 等多项参数的采集电路设计与软件实现程序。为今后科研项目的进一步发展提供了良好的基 础 ()在测量算法中将神经网络引入,并且通过算法对原有的算法进行了优化, 大大提高了测量的精度与速度。 致谢 感谢同学赵磊,干虹以及师弟杨俊在论文完成过稈中提出的合理建议与帮助。 参考文献 王宗亮董国保刘建东应用单片机测试蓄电池剩余容量机电设备 李练兵梁浩刘炳山基于单片机的动力电池管理系统的硬件设计电子技术应用 张浒铅酸蓄电池组实时监控系统硬件平台及驱动程序的实现硕土学位论文华屮科抆大学 马兹休羌嘉曦冒晓建杨杺电动汽车蓄电池参数监控系统研究机电工程投术 徐月美张虹姜薇改进算法的究及应用微汁算机信息年 马巍电动汽车铅酸蓄电池特性建模与荷电状态佔计硕士学位论文长安大学

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