當(dāng)前的汽車發(fā)展行業(yè)面臨著兩大問(wèn)題：一是不可再生資源的逐漸枯竭;二是由于不可再生資源使用過(guò)程中排放出的二氧化碳引起的環(huán)境惡化。而電動(dòng)汽車以其零排放、低噪聲的優(yōu)勢(shì)受到了汽車工業(yè)的廣泛關(guān)注。電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)在電動(dòng)汽車的商品化過(guò)程中起著重要的作用，而電池管理最為重要的環(huán)節(jié)之一就是準(zhǔn)確可靠地獲得電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)，即電池剩余電量。精確的SOC值可以讓駕駛?cè)藛T正確地估計(jì)續(xù)駛里程及時(shí)間，同時(shí)可以防止電池的過(guò)充與過(guò)放，避免因電池的損害而引起電池壽命縮短。但由于電池的剩余電量是不能直接測(cè)量得到的，只能通過(guò)對(duì)電池外特性如電流、電壓、環(huán)境溫度等的監(jiān)測(cè)來(lái)間接得到，而SOC跟這一系列的因素之間的關(guān)系為非線性。此外，電池組的SOC還受到充放電次數(shù)、電池老化、自放電、電池的工作狀態(tài)、工作環(huán)境等因素的影響。因此，建立一個(gè)針對(duì)電動(dòng)汽車用的電池剩余電量測(cè)量模型是非常困難的。

鎳氫電池(Ni?MH)因其具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量高、無(wú)污染、適合大電流放電等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文采用安時(shí)累積法和開(kāi)路電壓法相結(jié)合對(duì)鎳氫電池的剩余電量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。經(jīng)試驗(yàn)，證明這種方法能夠獲得蓄電池較為精確可靠的剩余電量預(yù)測(cè)值。

1 SOC定義

電池容量指在一定放電條件下，電池所能釋放出的總電量。目前對(duì)剩余電量比較統(tǒng)一的定義方法是從電量的角度來(lái)定義剩余容量，依據(jù)美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)在其《電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》中有關(guān) SOC 的定義：即在一定的放電倍率條件下，電池的剩余電量與相同條件下的額定容量的比值，如公式(1)所示：

[SOC=C0CE] (1)

式中：[C0]為電池的剩余容量;[CE]為電池的額定容量，即在一定的放電倍率下，電池所放出的容量。

通常把一定溫度下電池充電到不能再吸收能量的SOC定義為100%，表示蓄電池為充滿電狀態(tài)，而把電池不能放出能量時(shí)的SOC定義為0%，表示蓄電池已處于完全放電狀態(tài)。

2 常用SOC測(cè)量方法比較

本文只對(duì)基于電池外特性檢測(cè)的SOC預(yù)測(cè)方法做介紹。

傳統(tǒng)的電池電量測(cè)試方法有放電實(shí)驗(yàn)法、開(kāi)路電壓法、內(nèi)阻法和安時(shí)累積法等。放電實(shí)驗(yàn)法需要電池停止工作，不適于實(shí)現(xiàn)電池剩余電量的在線預(yù)測(cè)。開(kāi)路電壓法只局限于靜態(tài)環(huán)境下電池剩余電量的預(yù)測(cè)。使用內(nèi)阻法時(shí)，由于SOC與電池內(nèi)阻之間關(guān)系復(fù)雜，很容易受到各方面的干擾，因此測(cè)得的SOC準(zhǔn)確性也很低。

安時(shí)累積(Ah)法是指在對(duì)電池充、放電過(guò)程中，按時(shí)間與流入、流出電池組的電流乘積值進(jìn)行積分累加的方式，計(jì)算電池充進(jìn)的電量和放出的電量，并以此來(lái)預(yù)測(cè)SOC的當(dāng)前值。它將電池包看成一個(gè)“黑匣子”，不必考慮到電池內(nèi)部的工作情況。假設(shè)SOC的初值為 SOC0，電池的額定容量為[CE，]電池充、放電的電流大小為[i](放電時(shí)為“+”，充電時(shí)為“-”)，[ηi]為庫(kù)倫效率系數(shù)，是電池充電、放電全過(guò)程的平均庫(kù)侖效率。SOC計(jì)算公式如(2)所示：

[SOC=SOC0±ηiCE0tidt] (2)

安時(shí)累積法是目前最簡(jiǎn)單、最可靠的一種SOC預(yù)測(cè)算法，它不研究較為復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)及電池內(nèi)部各參數(shù)之間的關(guān)系，而是著眼于該系統(tǒng)的外部特征，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較簡(jiǎn)單，受電池本身情況的限制小，尤其適用于鎳氫電池組SOC的預(yù)測(cè)。它在短時(shí)間內(nèi)有較高的測(cè)量精度，其在應(yīng)用上的主要問(wèn)題是電流[i]的測(cè)量精度會(huì)導(dǎo)致等式右邊的積分項(xiàng)的誤差進(jìn)行累積，使得SOC 的預(yù)測(cè)值隨時(shí)間的增長(zhǎng)而誤差增大[5]，而且電量的初始值[SOC0]也難以估計(jì)。本文介紹將安時(shí)累積法與開(kāi)路電壓法進(jìn)行結(jié)合預(yù)測(cè)SOC的方法，如下： 　　(1) 用開(kāi)路電壓法對(duì)電池的初始SOC值進(jìn)行估算優(yōu)化，利用Ni?MH電池的電壓和SOC之間的關(guān)系曲線，確定電池[SOC0]。

(2) 采用精確度高的電流采集方法，測(cè)得電池的充放電電流[i]并對(duì)其進(jìn)行積分，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，最終得到[SOC]值。

3 SOC測(cè)量方案設(shè)計(jì)

總的設(shè)計(jì)思路：先用開(kāi)路電壓法得到電量初始值[SOC0;]再用電流傳感器測(cè)得電池組的電流后，將其通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入FPGA進(jìn)行積分累加，由式(1)計(jì)算得到剩余電量值，再通過(guò)顯示模塊對(duì)剩余電量值進(jìn)行顯示輸出。

3.1 用開(kāi)路電壓法估計(jì)[SOC0]

電池不放電時(shí)，電池正負(fù)極之間的電位差稱為電池的開(kāi)路電壓。利用試驗(yàn)的方法，記錄電池在不同的放電電流時(shí)，電池的端電壓和電池剩余能量之間的關(guān)系，如圖1所示。通過(guò)試驗(yàn)采樣電池放電時(shí)的電池開(kāi)路電壓就能得到電池的初始剩余能量[SOC0]。

3.2 用安時(shí)累積法預(yù)測(cè)[SOC]

方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，大致包括電流檢測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、FPGA處理、顯示輸出4大模塊。

3.2.1 電流采集方法

電流的采樣是估計(jì)SOC的主要依據(jù)，因此對(duì)其采樣的精度，抗干擾能力，零漂、溫漂和線性度誤差的要求都很高。本文采用安時(shí)累積法來(lái)測(cè)量SOC，要求系統(tǒng)必須提供準(zhǔn)確的充放電電流值。選用反應(yīng)速度快，具有優(yōu)良線性度的高精度電流傳感器是使預(yù)測(cè)SOC逼近真實(shí)值的根本保證。

目前采集電動(dòng)汽車電池組電流的方法主要有3種：分流器(電阻取樣法)、電流互感器法和霍爾傳感器法。分流器法的電阻精度難以控制且容易受溫度的影響，電流互感器法的安裝體積較大，故常采用安裝體積小、電流精度高的霍爾傳感器法。

霍爾傳感器是電氣隔離和非侵入式的，測(cè)量時(shí)沒(méi)有導(dǎo)線連接到電源電路，與采用接入電阻測(cè)量電流的方法相比確保了安全操作，且不產(chǎn)生多余熱量或損耗。它的磁通門傳感器使用先進(jìn)的磁電流測(cè)量原理，可以抵消在簡(jiǎn)單電流測(cè)量技術(shù)中出現(xiàn)的很多零點(diǎn)和增益誤差。本文采用的是萊姆公司HAHIBV S/02，其是一款專門用于測(cè)量電動(dòng)汽車電池組的充放電電流的霍爾開(kāi)環(huán)電流傳感器，電流測(cè)量范圍大，精度高。輸入電流范圍為0～500 A，輸出電壓范圍為0.5～4.5 V，實(shí)現(xiàn)了將從電池包采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的過(guò)程。為了使輸出的電壓不出現(xiàn)負(fù)值，已將參考“0”電位設(shè)為2.5 V。電壓信號(hào)大于2.5 V時(shí)識(shí)別為放電狀態(tài)，小于2.5 V時(shí)識(shí)別為充電狀態(tài)。

3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換電路的作用有2個(gè)：一是將由霍爾傳感器得到的電壓信號(hào)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的8位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào);二是將用開(kāi)路電壓法測(cè)得的初始電量[SOC0]轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號(hào)。然后將這兩路信號(hào)送入FPGA進(jìn)行運(yùn)算處理，得到電池剩余電量SOC。A/D轉(zhuǎn)換、FPGA運(yùn)算處理及SOC顯示輸出電路如圖3所示。

圖中ADC0809CCN的時(shí)鐘頻率為500 kHz，IN0～I(xiàn)N7為8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)有8路模擬選通開(kāi)關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 μs左右。ALE為地址鎖存允許信號(hào)，在其上跳沿將A，B，C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。這里選擇單通道輸入方式，模擬電壓信號(hào)和[SOC0]均從IN0輸入，D0～D7為數(shù)據(jù)輸出線。ADC0809CCN把輸入的0.5～4.5 V直流電壓量化為從00000000～11111111的256個(gè)電平信號(hào)。因?yàn)閰⒖?ldquo;0”電位為2.5 V，故區(qū)別充放電電流的數(shù)字信號(hào)為01111111(127)，大于此值為放電電流，小于此值為充電電流。ADC0809的D0～D7與FPGA的8個(gè)IO口(IO26，IO27，IO28，IO29，IO30，IO39，IO38，IO31)相連，以便將8位數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行運(yùn)算處理。參考電源[VREF+，][VREF-]一般選擇5 V和0 V。為保證轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行，控制脈沖寬度[Ts]應(yīng)大于ADC0809CCN的轉(zhuǎn)換時(shí)間[ts，]如圖4所示。

3.2.3 FPGA運(yùn)算處理模塊

可編程邏輯器件是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件基礎(chǔ)。本文選用FPGA，利用FPGA的可重配置功能，可以在使用過(guò)程中，在不改變所設(shè)計(jì)設(shè)備的硬件電路情況下，改變?cè)O(shè)備的功能，從而降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

(1) SOC預(yù)測(cè)公式估算

由于電池的工作電流值[i]在起步、爬坡、加速、勻速、減速時(shí)變化很大，根據(jù)公式(1)來(lái)計(jì)算剩余電量是較為困難的;但電流[i]的變化速度是相對(duì)較慢的，也就是說(shuō)，在足夠小的時(shí)間間隔內(nèi)，[i]的變化近似為直線。由此可以考慮一種近似的SOC計(jì)算方法：用某時(shí)間點(diǎn)電流代表時(shí)間間隔[T]內(nèi)的平均電流，計(jì)算出時(shí)間[T]內(nèi)的電量。充電時(shí)，從初始電量值[SOC0]對(duì)每個(gè)周期[T]測(cè)得的電量進(jìn)行累加，放電時(shí)從初始電量值[SOC0]對(duì)累積電量進(jìn)行累減，得到[SOC]。通過(guò)在電動(dòng)車上的設(shè)計(jì)測(cè)試，只要車輛不是一直行駛在下坡路段，采樣周期[T]取1 s時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，但大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度。

(2) 運(yùn)算過(guò)程

先將開(kāi)路電壓法測(cè)得的[SOC0]接至ADC0809的IN0輸入端，將其量化后送入FPGA作為運(yùn)算累加器的初始值;再將電流傳感器輸出的電壓信號(hào)接至ADC0809的IN0輸入端，量化后作為FPGA中累加器的累加數(shù)。若量化后的電壓值小于01111111(充電)，則和電量初值進(jìn)行累加;否則進(jìn)行累減。因?yàn)槔奂悠鞯臅r(shí)間間隔剛好為1 s，累加后的結(jié)果跟剩余電量相等，將其從FPGA的IO42～I(xiàn)O49口送至顯示模塊進(jìn)行顯示即可。

(3) 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)能量守恒原理，理想情況下電池放電時(shí)輸出的電量應(yīng)該等于充電時(shí)充入電池的電量。若忽略電池的自放電、老化等因素，將[ηi]值取1，[CE]取27 A?h。

4 結(jié) 論

本文介紹了幾種常用的SOC測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)比選擇，重點(diǎn)介紹了簡(jiǎn)單實(shí)用的安時(shí)累積法與開(kāi)路電壓法相結(jié)合來(lái)預(yù)測(cè)SOC的方法。通過(guò)分析，這種SOC預(yù)測(cè)方法達(dá)到了較高的測(cè)量精度，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。但未考慮充放電次數(shù)、電池老化、自放電等因素對(duì)SOC的影響，這方面的工作有待進(jìn)一步改進(jìn)。