CN104201787A - 基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统,系统包括：采集板：完成电池组信息的实时采集，并将结果反馈给主控板；主控板：主控板将采集板上传的各电池组相关数据进行分析、存储并显示，同时对电池组总体电压电流及当前电量进行测算，并通过冗余CAN总线通信模块对下层单体电池进行充放电管理和控制；CAN总线通信模块：总个系统的通信媒介，所述CAN总线通信模块设有2套总线。均衡模块：通过主控板的控制，实现各电池之间使用量的均衡；显示模块：连接主控模块，显示模块主要用于提供用户查看系统运行状态数据，向用户提供报警提示和系统参数设定功能。本发明提供的基于双CAN总线冗余设计的锂电池管理系统，增加了锂电池采集板与主控板间通信的可靠性，为进一步增强系统管理效能提供了基础。

Description

基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统

技术领域

本发明属于移动储能技术领域，具体涉及一种基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统。

背景技术

储能技术主要用于平抑太阳能光伏发电/风力发电的波动，改善电网对新能源的吸纳能力，同时兼有部分对电网谷电储能峰值供电作用。考虑兼顾分布式储能与规模并网的应用，储能系统宜采用模块化组件搭建方式，自下而上主要包含电池模块、电池管理系统、双向储能变流器、监控保护系统四层构架。其中，电池管理系统是整个移动储能系统的充放电控制单元，同时兼顾对系统运行参数的采集，控制系统的安全运行，是移动储能电站不可或缺的一部分。电池管理系统的均衡技术能够改变不同电池间充放电的电流或充放累计电量，是解决电池成组一致性差异的关键技术。持续有效的电流均衡和正确的均衡控制策略，能够防止电池出现一致性差异，在电池成组的使用寿命指标上有决定性的作用。

目前，电池管理系统主要局限于单CAN总线通信，虽然减少了线束的数量和重量，提高了主控单元与数据采集板之间通信的可靠性，但还存在当CAN总线出现故障时整个控制管理系统无法进行正常工作的缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，该系统是基于双CAN总线架构，增加系统冗余性，对增强系统工作的稳定性和效能，具有积极和现实意义。

本发明的技术方案是：一种基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，包括：采集板：完成电池组信息的实时采集，并将结果反馈给主控板；主控板：主控板将采集板上传的各电池组相关数据进行分析、存储并显示，同时对电池组总体电压电流及当前电量进行测算，并通过冗余CAN总线通信模块对下层单体电池进行充放电管理和控制；CAN总线通信模块：总个系统的通信媒介，所述CAN总线通信模块设有2套总线。均衡模块：通过主控板的控制，实现各电池之间使用量的均衡；

显示模块：连接主控模块，显示模块主要用于提供用户查看系统运行状态数据，向用户提供报警提示和系统参数设定功能。所述采集板包括微处理器、温度检测单元、电压检测单元、电流采样单元、充放电控制单元及CAN总线通信接口单元，微处理器电连接温度检测单元、电压检测单元、电流采样单元、充放电控制单元及CAN总线通信接口单元。所述电流采样单元采用闭环霍尔电流传感器。所述电流采样单元和电压采样单元和微处理器之间分别接一个信号调理电路。所述主控板包括微控制器、电源模块、总电压电流处理模块、剩余电量估算模块以及CAN通信接口模块，微控制器电连接电源模块、总电压电流处理模块、剩余电量估算模块以及CAN通信接口模块。所述电源模块的输入前端增加共模滤波器和LC滤波器。所述CAN总线为屏蔽双绞线。

本发明有如下积极效果：实时监测电池状态，通过检测电池的外特性参数(如电压、电流、温度等)，采用适当的算法，实现电池内部状态(如容量和SOC等)的估算和监控，这是电池管理系统有效运行的基础和关键；提出一种基于双CAN总线冗余设计的锂电池管理系统，增加了锂电池采集板与主控板间通信的可靠性，为进一步增强系统管理效能提供了基础。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的系统结构图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

电池管理系统主要由主控板、采集板(内含CAN总线通信电路接口)及CAN总线通信模块、显示模块和均衡模块五大部分组成。主要完成电池组信息的实时采集(含单体电池电压、温度和充放电电流及电池组总电压)、电池组的充放电控制、电池组SOC(State Of Charge)估算及显示、电池组均衡及提供通信接口等功能。电池管理系统设计总体框图如图1所示。采集板主要完成单体电池电流、电压、温度数据的采集及单体电池均衡，并经CAN总线冗余和主控板通信；主控板将采集板上传的各电池组相关数据进行分析、存储并显示，同时对电池组总体电压电流及当前电量进行测算，并通过冗余CAN总线网络对下层单体电池进行充放电管理和控制。其中，CAN总线采用屏蔽双绞线，，避免很强的电磁干扰从而影响信号在线检测与控制系统的工作正常。

主控板在整个系统中起着最为核心的作用，主要包括微控制器、电源模块、总电压电流处理模块、剩余电量估算模块以及CAN通信接口模块。

主控板上需要的电源有±12V、5V(VCC)、3.3V、以及提供给CAN总线的隔离5V电源。为了系统稳定工作，降低电源功耗，本系统均采用DCDC模块来完成电源设计。为进一步提高系统抗干扰能力，在电源模块的输入前端增加共模滤波器和LC滤波器。

采集板是电池管理系统的基础。主要由微处理器MCU、温度检测单元、电压检测单元、电流采样单元、CAN总线通信接口单元及充放电控制单元构成。

系统电池组工作电流采样的测量采用闭环霍尔电流传感器CHB-200SF，其传感器原副边电气隔离，安全性能很好，因主控板微处理器MSP430F149的P6口均是12位AD转换器输入口，且其内部AD转换基准电压为2.5V,故在输入信号前应把电流传感器CHB-200SF输出电流转为幅度在2.5V范围内的电压信号，即要增加一个电流调理电路。总电压测量则采用电压传感器CHV350P，同时通过软件对单体电池电压累加实现总电压测量，并利用得到的传感器数值进行补偿和修正。因电压传感器CHV350P输出的电压值超过MSP430F149单片机AD的电压转换范围，故同样要采用信号调理电路对电压幅度进行处理。

显示模块主要用于提供用户查看系统运行状态数据，向用户提供报警提示等作用，除此之外，显示模块还具有系统参数设定功能。

充电电池存在使用寿命问题，长期不均衡的使用电池会造成部分电池寿命下降的问题，从而影响整个电池系统的运行。均衡模块实现当电池箱内电池电压不一致超过规定值时(及长期消耗部分电池的电量)，在充电电流小于一定值后，可自动对电池进行均衡，保证各电池之间使用量的均衡。

CAN总线作为一种先进的控制总线，具有较强的检错和纠错能力，但在复杂工况条件下，难免出现传输介质损坏、插头松动以及CAN控制器或收发器故障等现象，从而造成系统通信暂时中断或无法正常工作的局面，为了提高系统通信的可靠性和稳定性，有效的办法是采用通信冗余机制,即系统采用2套总线，每套均包含总线电缆、驱动器和控制器,在物理层、数据链路层以及应用层实现全系统的冗余，与部分冗余方法相比，不需采用判断切换电路，大大降低了系统的故障率。在底层管理节点正常复位或上电工作后,将其中一个CAN总线控制器默认为主CAN总线(主CAN A)；另外一个作为系统的备用CAN(从CAN B),作为主CAN的冗余。换言之,系统在同一个时间节点上有且仅有其中一路CAN通道工作,另一路为监听状态或处于故障状态(当发生故障时)。系统正常运行时,主CAN总线(CAN A)投入使用。若主CAN总线线路发生故障,从CAN总线(CAN B)则自动切入运行。若在上电检测时主CAN总线已经发生故障,则从CAN总线也会自动切入运行。因此，无论哪一套总线发生故障，另一套总线均能自动保持系统正常继续工作,大大提高了整个系统的通信可靠性。

电池荷电状态(State of Charge，SOC)的准确估计是动力电池充放电控制和能源优化管理的重要依据，直接影响电池的使用寿命。可见，电池剩余电量的准确测量是非常关键的问题。但电池SOC不能直接测量，只能通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小。而这些参数还会受到电池老化、环境温度变化及汽车行驶状态等多种不确定因素的影响，因此准确的SOC估计已成为电电池管理系统中亟待解决的问题。

选取电池充放电电流为系统输入量，电池SOC为状态变量，电池电压为系统输出量。离散系统中，在每个采样点对电池特性参数进行采样，作为系统输入量，算法结合当前时刻测得的输入量和上一时刻的状态估计值，完成对状态变量和输出量的更新。本发明采用扩展卡尔曼滤波算法，计算电池的SOC，其迭代步骤如下：

步骤(1)：首先确定参数A_k－1，C_k。

$A_{k-1}=\frac{\∂f(x_{k-1},u_{k-1})}{{\∂x}_{k-1}}=1---\left(1\right)$

$C_k=\frac{{\∂y}_k}{{\∂x}_k}=\frac{K_1}{x_k^2}-K_2+\frac{K_3}{x_k}-\frac{K_4}{1-x_k}---\left(2\right)$

步骤(2)：获得一个初始的SOC值SOC₀和均方估计误差初始值P₀ ⁺。

$x_0^{+}={\mathrm{SOC}}_0,P_0^{+}=\mathrm{var}\left(x_0\right)---\left(3\right)$

步骤(3)：获得预测SOC值x_k ^－和预测电压值y_k ^－。

$x_k^{-}=x_{k-1}^{+}-\left(\frac{{\mathrm{\η}}_i\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\η}}_T{Q}_n}\right)i_k---\left(4\right)$

$y_k^{-}=K_0-{\mathrm{Ri}}_k-\frac{K_1}{x_k^{-}}-K_2{x}_k^{-}+K_3\ln \left(x_k^{-}\right)+K_4\ln (1-x_k^{-})---\left(5\right)$

步骤(4)：获得预测均方估计误差P_k ^－，计算卡尔曼增益L_k。

$P_k^{-}=A_{k-1}{P}_{k-1}^{+}{A}_{k-1}^T+D_w,L_k=\frac{P_k^{-}{C}_k^T}{C_k{P}_k^{-}{C}_k^T+D_w}---\left(6\right)$

步骤(5)：计算SOC的最优估计x_k ⁺，均方估计误差P_k ⁺的最优估计。

$x_k^{+}=x_k^{-}+L_k(y_k^{+}-y_k^{-}),P_k^{+}=(1-L_k{C}_k)P_k^{-}---\left(7\right)$

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于，包括：采集板：完成电池组信息的实时采集，并将结果反馈给主控板；

主控板：主控板将采集板上传的各电池组相关数据进行分析、存储并显示，同时对电池组总体电压电流及当前电量进行测算，并通过冗余CAN总线通信模块对下层单体电池进行充放电管理和控制；

CAN总线通信模块：总个系统的通信媒介，所述CAN总线通信模块设有2套总线，其中一套总线作为备用总线；

均衡模块：通过主控板的控制，实现各电池之间使用量的均衡；

显示模块：连接主控模块，显示模块主要用于提供用户查看系统运行状态数据，向用户提供报警提示和系统参数设定功能。

2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于：所述采集板包括微处理器、温度检测单元、电压检测单元、电流采样单元、充放电控制单元及CAN总线通信接口单元，微处理器电连接温度检测单元、电压检测单元、电流采样单元、充放电控制单元及CAN总线通信接口单元。

3.根据权利要求2所述的基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于：所述电流采样单元采用闭环霍尔电流传感器。

4.根据权利要求3所述的基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于：所述电流采样单元和电压采样单元和微处理器之间分别接一个信号调理电路。

5.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于：所述主控板包括微控制器、电源模块、总电压电流处理模块、剩余电量估算模块以及CAN通信接口模块，微控制器电连接电源模块、总电压电流处理模块、剩余电量估算模块以及CAN通信接口模块。

6.根据权利要求5所述的基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于：所述电源模块的输入前端增加共模滤波器和LC滤波器。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于卡尔曼滤波算法的移动储能电站电池管理系统，其特征在于：所述CAN总线为屏蔽双绞线。