CN103496328A - 一种基于plc控制的电动汽车电源管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统及方法，包括PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器、辅助电源以及显示器，PLC通过电压巡检模块、温度巡检模块以及电流传感器实时获取车载动力电池组的所有电池单元的电压、温度及电流，然后PLC计算车载动力电池组的SOC，并通过显示器进行输出，本发明基于PLC的选通性能，利用电压巡检模块、温度巡检模块等对单体电池工作电压、温度等进行实时监测，PLC简单易学，在能实现所需功能的前提下，不但符合电气工作人员的逻辑习惯，而且能降低开发和使用成本，提高控制系统的通用性，同时可以为计算更为准确的SOC提供必要的检测数据，有利于提高电池管理系统的准确性。

Description

一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统及方法

技术领域

本发明涉及应用于电动汽车或其他领域的蓄电池组的管理系统，特别涉及一种基于PLC（可编程序控制器）控制的电动汽车电源管理系统及方法。

背景技术

电动汽车已经成为未来汽车的发展潮流，它具有节能环保、噪声小的优点，尤其是可以解决石油危机对汽车行业带来的致命打击。

近几年，电动汽车技术虽然取得了很大进步，但距全面推广仍然存在很多问题，其中能源管理系统就是其中之一。蓄电池组（车载动力电池组）作为电动汽车的动力源，都是由很多单体电池（电池单元）串联而成，每块单体电池的性能和质量直接影响到电动汽车的动力性、可靠性和经济性。因此为了保证电池组整体的良好性能，需要了解每块电池的现状，及时地更换问题电池以延长电池组的整体性能和寿命，降低使用成本。另外，纯电动汽车目前还存在续驶里程短的缺点，为方便驾驶人员随时了解续驶里程，提前合理地安排行程，需要对SOC（荷电状态）进行估算和显示。

但通常的电池管理系统由整车控制器进行控制，很大程度上限制了电池管理系统的通用性，增加了使用难度和开发成本。同时，现有技术中往往仅对电池组的整体电压等进行检测，并依据检测结果对SOC进行定性的判断或粗略估算，估算结果并不能准确反映电池的实际工作状况，无法对电池组进行全面、准确的状态估计，进而无法对电动汽车续驶里程进行正确估算和显示，不利于电动汽车普及推广以及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，包括PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器、显示器以及用于向所述PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器和显示器供电的辅助电源，所述电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器以及显示器分别与所述PLC相连，电压巡检模块包括与车载动力电池组的电池单元对应的多个电压检测单元，温度巡检模块包括与车载动力电池组的电池单元对应的多个温度检测单元，每一个电压以及温度检测单元均包括一个由所述PLC控制通断的光电耦合器。

所述车载动力电池组的电池单元中，序号为奇数的电池单元通过对应的电压检测单元与所述PLC的一个模拟量输入口相连，序号为偶数的电池单元通过对应的电压检测单元与所述PLC的另一个模拟量输入口相连。

所述电压巡检模块包括N个电压检测单元，N表示车载动力电池组的电池单元数量，第n个电压检测单元包括光电耦合器以及分压电路，光电耦合器的受光体输出端B通过分压电路与所述PLC的模拟量输入口相连，光电耦合器的受光体输入端A与第n个电池单元的正极相连，n=1,2,3...,N，光电耦合器的发光管输入端C与辅助电源的一端相连，辅助电源的另一端和光电耦合器的发光管输出端D分别与所述PLC的一对选通口对应相连。

所述温度巡检模块包括N个温度检测单元，N表示车载动力电池组的电池单元数量，第n个温度检测单元包括光电耦合器以及用于检测第n个电池单元的温度传感器，n=1,2,3...,N，光电耦合器的受光体输入端A1与所述温度传感器相连，光电耦合器的受光体输出端B1与所述PLC的模拟量输入口相连，光电耦合器的发光管输入端C1与辅助电源的一端相连，辅助电源的另一端和光电耦合器的发光管输出端D1分别与所述PLC的一对选通口对应相连。

所述温度巡检模块还包括信号放大电路，温度传感器通过信号放大电路与光电耦合器的受光体输入端A1相连。

所述电流传感器与所述PLC的模拟量输入口相连。

一种基于PLC控制的电动汽车电源管理方法，该电源管理方法包括以下步骤：

1）获取检测信号：PLC通过与车载动力电池组的电池单元对应的电压检测单元以及温度检测单元实时获取车载动力电池组的所有电池单元的电压以及温度，同时，PLC通过电流传感器获取电池单元的电流；

2）经过步骤1）后，PLC计算车载动力电池组的SOC；

3）PLC将计算得到的车载动力电池组的SOC通过显示器进行输出；同时，PLC将各个电池单元的电压、温度以及电流通过显示器进行输出，当电池单元的电压、温度以及电流超过设定的相应阈值范围时，PLC通过显示器输出报警信号。

所述PLC根据如下公式计算车载动力电池组的SOC：

Q_耗=∑I·Δt

公式中，I表示电流，△t表示采样周期，Q_耗表示基于安时累积法的电量消耗量，Q₀表示车载动力电池组的初始容量，SOC表示车载动力电池组的荷电状态，f2（I）表示电流对车载动力电池组容量的修正系数，f1（T）表示温度对车载动力电池组容量的修正系数。

本发明的有益效果体现在：本发明所述基于PLC控制的电动汽车电源管理系统首次将PLC应用到电动汽车能量管理系统上，基于PLC的选通性能，利用电压巡检模块、温度巡检模块等对单体电池工作电压、温度等进行实时监测，PLC简单易学，在能实现所需功能的前提下，不但符合电气工作人员的逻辑习惯，而且能降低开发和使用成本，提高控制系统的通用性，同时可以为计算更为准确的SOC提供必要的检测数据，有利于提高电池管理系统的准确性。

本发明所述基于PLC控制的电动汽车电源管理方法对电池单元分别进行监测，可以实时掌握各块电池的工作状态，便于当超过限定值时给予报警提示，有利于提高电池寿命。

进一步的，本发明所述基于PLC控制的电动汽车电源管理方法以安时法为基础，以蓄电池实验数据的拟合函数Q=f(I)作为电流对容量的修正，另外用温度对电池容量做简单修正，实现对SOC的计算，计算结果与实际更为相符，准确性得到显著提高，可以用于准确估算续驶里程。

附图说明

图1为本发明所述电源管理系统的原理框图。

图2为本发明所述车载动力电池组中第N块电池单元的电压监测原理框图。

图3为本发明所述车载动力电池组中第N块电池单元的温度监测原理框图。

图4为本发明所述PLC的电压、温度选通控制口分配图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

参见图1-图4，本发明所述基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，包括PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器、显示器以及用于向所述PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器和显示器供电的辅助电源，所述电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器以及显示器分别与所述PLC相连，电压巡检模块包括与车载动力电池组的电池单元对应的多个电压检测单元，温度巡检模块包括与车载动力电池组的电池单元对应的多个温度检测单元，每一个电压以及温度检测单元均包括一个由所述PLC控制通断的光电耦合器，电压以及温度检测单元通过各自的光电耦合器与PLC相连，即PLC通过光电耦合器控制对应的检测支路（指某一电压检测单元或温度检测单元），被选通的光电耦合器所属的检测支路可以检测相应信号，另外，光电耦合器还起到电隔离的作用，车载动力电池组的电池单元采用串联连接。

所述车载动力电池组的电池单元中，序号为奇数的电池单元通过对应的电压检测单元与所述PLC的一个模拟量输入口（2口）相连，序号为偶数的电池单元通过对应的电压检测单元与所述PLC的另一个模拟量输入口（4口）相连。

所述电压巡检模块包括N个电压检测单元，N表示车载动力电池组的电池单元数量，第n个电压检测单元包括光电耦合器以及分压电路，光电耦合器的受光体输出端B通过分压电路与所述PLC的模拟量输入口相连，光电耦合器的受光体输入端A与第n个电池单元的正极相连，n=1,2,3...,N，光电耦合器的发光管输入端C与辅助电源的一端（正极）相连，辅助电源的另一端（负极）和光电耦合器的发光管输出端D分别与所述PLC的一对选通口对应相连，组成闭合回路。

所述温度巡检模块包括N个温度检测单元，N表示车载动力电池组的电池单元数量，第n个温度检测单元包括光电耦合器以及用于检测第n个电池单元的温度传感器，n=1,2,3...,N，光电耦合器的受光体输入端A1与所述温度传感器相连，光电耦合器的受光体输出端B1与所述PLC的模拟量输入口（1口）相连，光电耦合器的发光管输入端C1与辅助电源的一端（正极）相连，辅助电源的另一端（负极）和光电耦合器的发光管输出端D1分别与所述PLC的一对选通口对应相连，组成闭合回路。

所述温度巡检模块还包括信号放大电路，温度传感器通过信号放大电路与光电耦合器的受光体输入端A1相连。

所述电流传感器与所述PLC的模拟量输入口（3口）相连。

上述基于PLC控制的电动汽车电源管理系统的电源管理方法，该电源管理方法包括以下步骤：

1）获取检测信号：PLC通过与车载动力电池组的电池单元对应的电压检测单元以及温度检测单元实时获取车载动力电池组的所有电池单元的电压以及温度，同时，PLC通过电流传感器获取电池单元的电流；

2）经过步骤1）后，PLC在实时获取的电池单元的电流以及温度基础上，计算车载动力电池组的SOC；

3）PLC将计算得到的车载动力电池组的SOC通过显示器进行输出；同时，PLC将各个电池单元的电压、温度以及电流通过显示器进行输出，当电池单元的电压、温度以及电流超过设定的相应阈值范围时，PLC通过显示器输出报警信号。

所述PLC根据如下公式计算车载动力电池组的SOC：

Q_耗=∑I·Δt

公式中，I表示电流，△t表示采样周期，Q_耗表示基于安时累积法的电量消耗量，Q₀表示车载动力电池组的初始容量，SOC表示车载动力电池组的荷电状态，f2（I）表示电流对车载动力电池组容量的修正系数，f1（T）表示温度对车载动力电池组容量的修正系数。

实施例

一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统：

参见图1，该系统由蓄电池组检测模块、可编程序控制器（PLC）和显示器组成，各部分由辅助电源统一供电，统一供电电压为+12V。

蓄电池组检测模块包括电流检测模块（电流传感器CS200BT）、电压检测模块和温度检测模块，与可编程序控制器之间的连接：检测模块的信号输出端直接与可编程序控制器模拟量输入口相连；检测模块中的检测支路由可编程序控制器通过选择开关通断进行控制。

电压检测模块由辅助电源、巡检电路、分压电路组成，巡检电路中利用光电耦合器实现隔离，也起到控制开关的作用，可编程序控制器通过对某路开关的选通来实现该路的信号采集。实现单体电池的电压信号的采集。

电流信号由电流传感器输出信号线直接接入PLC相应模拟量输入口（3口）。

温度检测模块由辅助电源、巡检电路、信号放大电路及LM35DZ温度传感器组成。巡检电路（与电压检测模块中巡检电路相同）由光电耦合器作为控制开关，可编程序控制器通过对某路开关的选通实现该路的温度信号采集。

报警功能由可编程序控制器通过软件控制，当检测到的参数超过设定值（高温、低温、过压、欠压、过流阈值）时，PLC驱动显示器相应报警灯进行闪烁。

可编程序控制器与显示器之间采用RS485通讯，实现对显示器的驱动和数据传输；可编程序控制器与PC机采用RS422通讯方式，采用MD2-FX2N专用电缆，完成程序下载；显示器与PC机采用专用通讯电缆进行通讯，实现程序下载。这些通讯电缆通过与USB-RS232电缆相连实现与PC机USB口直接相连，方便通讯。

该系统的拓展性：该系统是对9块8V蓄电池组进行监测，通过修改电压检测模块中分压电路中的相应电阻就可以实现对其他额定电压电池的监测，通过增添或删减检测模块中检测支路个数可以实现对不同块数蓄电池组的监测。此时只需要相应地修改控制程序。

电动汽车实际应用中，为达到一定的电压、功率必须将多块电池串联使用，串联的结果导致其中某块电池出现问题就会造成诸如过充电或充电不足的情况，影响整体的性能，严重时会造成不能正常工作，所以及时地找出问题电池并及时更换很有必要。

该系统中电压、温度检测模块、可编程序控制器、显示器、电流传感器等由辅助电源统一供电。由于辅助电源电压随行车状况发生变化，为了保证上述需供电元器件正常工作，在辅助电源和被供电元器件之间加上稳压器（本设计中选用LM系列）。稳压器地线和输出端之间并联发光二极管，用于显示稳压器是否正常。为避免各用电设备的分压导致某些设备不能正常工作，本发明中用了两路稳压，一路专门供可编程序控制器使用，另一路供其他元器件使用。

显示器可翻页显示，对所显示内容进行列清单，并分配相应寄存器；各个项目的寄存器地址，与可编程序控制器为实现该项显示所编程序的寄存器地址相同。

可编程序控制器有4个模拟量口（1-4口），电流、温度分别由相应传感器获得相应电信号，可直接输送给模拟量口，而蓄电池电压除了与接地端相连的第一块负极端为低电平，其他的负极端都为高电平，如果直接将每块蓄电池两端电位差作为测量信号，存在高电位悬空的问题，这样就会对信号造成干扰，所以给电压检测模块分配2个模拟量口（2口和4口），这样电压检测模块就有两个信号同时进入PLC，这两个信号采集电路有一个公共端，即为接地端，为方便理解，假如要测第N+1块电池的电压，就需要前N块电池的电压总和及前N+1块电池的电压总和信号，分别输送给2口和4口，用4口的值减去2口中的值就是第N+1块电池的电压。

参见图2，图2中Yx和COMn是PLC上一对选通口，当辅助电源给光电耦合器供电，D端Yx被选通时，C、D导通，A、B也导通，A端被测电压信号流向B端。所以由PLC控制采集哪一路的电压信号。

通过给每路分压电路匹配一定阻值的电阻，使每块电池对应的光电耦合器受光体的A、B的电压降都为0.22V，方便PLC编程。

图2中的分压电路针对该路的满电时的电压值进行电阻的匹配，使进入PLC的电压值尽量大于被测电压最大值的2/3，降低测量误差。

参见图3，图3中Yx1和COMn1是PLC上一对选通口，当辅助电源给光电耦合器供电，D1端Yx1被选通时，C1、D1导通，A1、B1也导通，A1端被测温度信号流向B1端。所以由PLC控制采集哪一路的温度信号。由于温度信号比较弱，所以需要在温度传感器信号输出端加上信号放大电路。经放大的信号进入光电耦合器信号输入端A1。B1端作为输入信号进入PLC，依据温度传感器的性能及放大倍数值，经PLC程序进行反算得出实际温度值，然后驱动显示器显示该路电池温度。

参见图4，PLC选通口分配时，本发明针对有9块蓄电池的电动汽车上，由于所选PLC（FX2N-30MR-4AD）选通口只有14个，所以只能合理分配才能实现理想功能。如图4所示，电流信号分1个选通口，电压分9个选通口，电压与温度共用5个，另外4个口是温度专用，1到9分别为9块蓄电池。

该电源管理系统是一个独立的可以对任意场合、领域条件下蓄电池组（电池串联）的电压、电流、温度进行检测的电池管理系统，运用可编程序控制器(PLC)的计算功能，以安时法为基础，用电压、放电电流和温度对容量进行修正，实现对SOC的计算：

Q_耗=∑I·Δt

f1（T）=0.006T+0.85    （1）

f2（I）=0.00008I²-0.0139I+1.0905    （2）

公式（1）、（2）分别为温度-容量和电流-容量修正系数公式，分别是根据理论公式（C_T=[1+K(T-25)]·C_25℃和Iⁿt=B）、结合实车情况及PLC编程需要拟合的，其中K与使用条件有关，本发明试验用被测蓄电池组工作状态常处于10h工作制，K取0.006。由于以不同放电电流进行放电，可放出的电量不同，由实验得出两组放电量与放电电流数据，再根据Iⁿt=B计算出所用类型蓄电池（铅酸蓄电池）的n和B，以及PLC编程需要分别拟合公式（1）以及（2）。

试验表明，计算的SOC与电池组在工作（汽车行驶）中的实际情况相符。

Claims (8)

1.一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，其特征在于：包括PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器、显示器以及用于向所述PLC、电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器和显示器供电的辅助电源，所述电压巡检模块、温度巡检模块、电流传感器以及显示器分别与所述PLC相连，电压巡检模块包括与车载动力电池组的电池单元对应的多个电压检测单元，温度巡检模块包括与车载动力电池组的电池单元对应的多个温度检测单元，每一个电压以及温度检测单元均包括一个由所述PLC控制通断的光电耦合器。

2.根据权利要求1所述一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，其特征在于：所述车载动力电池组的电池单元中，序号为奇数的电池单元通过对应的电压检测单元与所述PLC的一个模拟量输入口相连，序号为偶数的电池单元通过对应的电压检测单元与所述PLC的另一个模拟量输入口相连。

3.根据权利要求1所述一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，其特征在于：所述电压巡检模块包括N个电压检测单元，N表示车载动力电池组的电池单元数量，第n个电压检测单元包括光电耦合器以及分压电路，光电耦合器的受光体输出端B通过分压电路与所述PLC的模拟量输入口相连，光电耦合器的受光体输入端A与第n个电池单元的正极相连，n=1,2,3...,N，光电耦合器的发光管输入端C与辅助电源的一端相连，辅助电源的另一端和光电耦合器的发光管输出端D分别与所述PLC的一对选通口对应相连。

4.根据权利要求1所述一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，其特征在于：所述温度巡检模块包括N个温度检测单元，N表示车载动力电池组的电池单元数量，第n个温度检测单元包括光电耦合器以及用于检测第n个电池单元的温度传感器，n=1,2,3...,N，光电耦合器的受光体输入端A1与所述温度传感器相连，光电耦合器的受光体输出端B1与所述PLC的模拟量输入口相连，光电耦合器的发光管输入端C1与辅助电源的一端相连，辅助电源的另一端和光电耦合器的发光管输出端D1分别与所述PLC的一对选通口对应相连。

5.根据权利要求4所述一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，其特征在于：所述温度巡检模块还包括信号放大电路，温度传感器通过信号放大电路与光电耦合器的受光体输入端A1相连。

6.根据权利要求1所述一种基于PLC控制的电动汽车电源管理系统，其特征在于：所述电流传感器与所述PLC的模拟量输入口相连。

7.一种基于PLC控制的电动汽车电源管理方法，其特征在于：该电源管理方法包括以下步骤：

1）获取检测信号：PLC通过与车载动力电池组的电池单元对应的电压检测单元以及温度检测单元实时获取车载动力电池组的所有电池单元的电压以及温度，同时，PLC通过电流传感器获取电池单元的电流；

2）经过步骤1）后，PLC计算车载动力电池组的SOC；

3）PLC将计算得到的车载动力电池组的SOC通过显示器进行输出；同时，PLC将各个电池单元的电压、温度以及电流通过显示器进行输出，当电池单元的电压、温度以及电流超过设定的相应阈值范围时，PLC通过显示器输出报警信号。

8.根据权利要求7所述一种基于PLC控制的电动汽车电源管理方法，其特征在于：所述PLC根据如下公式计算车载动力电池组的SOC：

Q_耗=∑I·Δt

公式中，I表示电流，△t表示采样周期，Q_耗表示基于安时累积法的电量消耗量，Q₀表示车载动力电池组的初始容量，SOC表示车载动力电池组的荷电状态，f2（I）表示电流对车载动力电池组容量的修正系数，f1（T）表示温度对车载动力电池组容量的修正系数。

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