CN114301143A - 一种基于物联网的电池组电量均衡系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于物联网的电池组电量均衡系统,包括采样模块、SOC估算模块、均衡模块、控制模块、无线通信模块和显示模块;采样模块用于采集各节电池两端电压;SOC估算模块用于估算各个电池的SOC和SOH值;均衡模块信号连接控制模块;控制模块,用于判断相邻两节电池的SOC差值;无线通信模块信号连接控制模块,用于将信号通过WiFi无线通信系统发送至网关并传输至树莓派;显示模块,用于显示树莓派接收到的SOC和SOH值。本发明解决了现有技术未考虑到电池模块实际容量的不同,所表示的剩余电量也是不一样的,以SOC一致为目标的均衡控制方法不能实现电池组剩余电量的真正均衡的问题。
Description
技术领域
本发明属于储能电池能量均衡技术领域,尤其涉及一种基于物联网的电池组电量均衡系统。
背景技术
为满足不同情况下用电设备所需的电压与电流,通常需要对多个电池以串并联的方式组成电池组。由于制作工艺的限制,电池单体的电压、荷电状态(SOC)、内阻、容量等参数存在细微差别,即不一致性。初始不一致性会随着动力电池的使用而不断恶化,进一步加剧电池性能衰减,甚至引发重大安全事故。均衡管理是改善电池组不一致性、提升容量利用率、延长使用寿命的主要途径。
电池均衡控制策略一般分为基于电压和荷电状态(SOC)的方法。前者简单易行,但不能达到电池组均衡的最终目的;后者能够实现更准确的均衡,但是控制复杂。目前电池电压均衡方法,往往只能实现各个电池电压的一致,难以保证电池剩余电量的一致,不能最大化电池组可用容量和电量。而且,均衡电流的大小也是由各自电池电压决定,无法实现均衡电流的自适应调整,导致均衡速度慢、精度低。将电池模块整体的SOC值与电池组内模块的平均SOC值进行比较,当任意电池模块SOC与电池组内模块的平均SOC存在差值时,通过相应的均衡控制策略,进行差值补偿,高SOC模块向电池组充电,电池组向低SOC模块进行充电,从而达到电池组SOC均衡。
然而,未考虑到电池模块实际容量的不同,只能做到SOC数值意义上的均衡。由于电池容量的不同,即使SOC相同,所表示的剩余电量也是不一样的;以SOC一致为目标的均衡控制方法不能实现电池组剩余电量的真正均衡。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,提供一种基于物联网的电池组电量均衡系统。
本发明提供一种基于物联网的电池组电量均衡系统,包括采样模块、SOC估算模块、均衡模块、控制模块、无线通信模块和显示模块;
所述采样模块信号连接所述均衡模块,用于采用差动运算电路,采集各节电池两端电压并将各节电池两端电压上传至所述均衡模块;
所述SOC估算模块信号连接所述均衡模块,用于根据二阶RC模型,采用扩展卡尔曼滤波法估算各个电池的SOC和SOH值,并将各个电池的SOC和SOH值上传至所述均衡模块;
所述均衡模块信号连接所述控制模块,包括ETA3000芯片;所述ETA3000芯片的BATP引脚和BATN引脚分别电连接两节串联电池的正极和负极;单节电池两端并联一个稳压二极管,一个稳压二极管的正极和负极分别电连接单节电池负极和正极;BATC引脚电连接两节电池的中间电位,SW引脚连接电感以储能;
所述控制模块,用于判断相邻两节电池的SOC差值以开启或关断均衡模块,以及根据SOH值监控各节电池状态,以控制各节电池的放电和停止放电;
所述无线通信模块信号连接所述控制模块,用于通过AT指令与所述控制模块通信,将信号通过WiFi无线通信系统发送至网关并经过UDP协议传输至树莓派;
所述显示模块信号连接所述无线通信模块,用于显示树莓派接收到的SOC和SOH值。
进一步地,所述ETA3000芯片的BIAS引脚电连接的电容并联一个第一LED灯和一个第一电阻;所述ETA3000芯片工作,BIAS引脚置为高电平,第一LED灯发光,所述均衡模块开启。
进一步地,所述差动运算电路包括第二电阻和第三电阻;所述第二电阻的一端电连接单节电池的正极,另一端电连接有第一运算放大器的同相输入端和第四电阻的一端;所述第三电阻的一端电连接单节电池的负极,另一端连接有第一运算放大器的反相输入端和第五电阻的一端;所述第五电阻远离所述第三电阻的一端接地;所述第四电阻远离所述第二电阻的一端电连接有第二运算放大器的输出端和第六电阻的一端;所述第二运算放大器的同相输入端接地,反向输入端电连接有第七电阻的一端;所述第六电阻远离所述第四电阻的一端电连接所述第二运算放大器的反向输入端;所述第七电阻远离所述第二运算放大器的一端电连接所述第一运算放大器的输出端。
进一步地,所述第六电阻和第七电阻为可变电阻。
进一步地,所述电池组电量均衡系统还包括风扇、蜂鸣器、第二LED灯以及温度传感器,且均与所述控制模块电连接。
本发明提供一种基于物联网的电池组电量均衡系统,包括采样模块、SOC估算模块、均衡模块、控制模块、无线通信模块和显示模块;所述采样模块信号连接所述均衡模块,用于采用差动运算电路,采集各节电池两端电压并将各节电池两端电压上传至所述均衡模块;所述SOC估算模块信号连接所述均衡模块,用于根据二阶RC模型,采用扩展卡尔曼滤波法估算各个电池的SOC和SOH值,并将各个电池的SOC和SOH值上传至所述均衡模块;所述均衡模块信号连接所述控制模块,包括ETA3000芯片;所述ETA3000芯片的BATP引脚和BATN引脚分别电连接两节串联电池的正极和负极;单节电池两端并联一个稳压二极管,一个稳压二极管的正极和负极分别电连接单节电池负极和正极;BATC引脚电连接两节电池的中间电位,SW引脚连接电感以储能;所述控制模块,用于判断相邻两节电池的SOC差值以开启或关断均衡模块,以及根据SOH值监控各节电池状态,以控制各节电池的放电和停止放电;所述无线通信模块信号连接所述控制模块,用于通过AT指令与所述控制模块通信,将信号通过WiFi无线通信系统发送至网关并经过UDP协议传输至树莓派;所述显示模块,用于显示树莓派接收到的SOC和SOH值。本发明采用上述装置,解决了现有技术未考虑到电池模块实际容量的不同,只能做到SOC数值意义上的均衡。由于电池容量的不同,即使SOC相同,所表示的剩余电量也是不一样的,以SOC一致为目标的均衡控制方法不能实现电池组剩余电量的真正均衡的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于物联网的电池组电量均衡系统的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种基于物联网的电池组电量均衡系统中均衡系统的电路图;
图3为本发明实施例提供的一种基于物联网的电池组电量均衡系统工作流程图;
图4为本发明实施例提供的差动运算电路的电路图;
图5为本发明实施例提供的无线检测模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明实施例部分提供一种基于物联网的电池组电量均衡系统,包括采样模块、SOC估算模块、均衡模块、控制模块、无线通信模块和显示模块。
可选的,所述电池组电量均衡系统还包括风扇、蜂鸣器、第二LED灯以及温度传感器,且均与所述控制模块电连接。
所述采样模块信号连接所述均衡模块,用于采用差动运算电路,采集各节电池两端电压并将各节电池两端电压上传至所述均衡模块。
可选的,所述控制模块为STM32单片机。由于STM32单片机AD引脚所能承受的最大电压为3.3V,无法直接采集串联电池组各节电池端电压,因此为每一节电池配置一个差动运算电路。电路结构如图4所示,该电路由一个差动放大输出电路和一个增益调节放大电路构成,具体的,包括第二电阻R7和第三电阻R8;第二电阻R7的一端电连接单节电池的正极,另一端电连接有第一运算放大器的同相输入端和第四电阻R9的一端;R8第三电阻的一端电连接单节电池的负极,另一端连接有第一运算放大器的反相输入端和第五电阻R10的一端;第五电阻R10远离第三电阻R8的一端接地;第四电阻R9远离第二电阻R7的一端电连接有第二运算放大器的输出端和第六电阻Ra的一端;所述第二运算放大器的同相输入端接地,反向输入端电连接有第七电阻Rb的一端;第六电阻Ra远离第四电阻R9的一端电连接所述第二运算放大器的反向输入端;第七电阻Rb远离所述第二运算放大器的一端电连接所述第一运算放大器的输出端;所述第一运算放大器的输出端输出电压Vo=Rb/Ra(V1-V2)。第六电阻Ra和第七电阻Rb为可变电阻,通过调节第六电阻Ra和第七电阻Rb阻值可以测量不同型号电池的端电压,将电路输出电压信号传送至STM32单片机。
所述SOC估算模块信号连接所述均衡模块,用于根据二阶RC模型,采用扩展卡尔曼滤波法估算各个电池的SOC和SOH值,并将各个电池的SOC和SOH值上传至所述均衡模块;
如图2所示,所述均衡模块信号连接所述控制模块,包括ETA3000芯片;所述ETA3000芯片的BATP引脚和BATN引脚分别电连接两节串联电池的正极和负极;单节电池两端并联一个稳压二极管,一个稳压二极管的正极和负极分别电连接单节电池负极和正极;BATC引脚电连接两节电池的中间电位,SW引脚连接电感以储能;当两节电池电压差小于1%,STM32单片机切断使能信号,均衡模块停止工作;电池开路时,为电感电流提供通道,防止芯片管脚电压过高烧毁。可选的,所述ETA3000芯片的BIAS引脚电连接的电容并联一个第一LED灯和一个20k第一电阻;所述ETA3000芯片工作,BIAS引脚置为高电平,第一LED灯发光,所述均衡模块开启。
所述控制模块,用于判断相邻两节电池的SOC差值以开启或关断均衡模块,以及根据SOH值监控各节电池状态,以控制各节电池的放电和停止放电。
所述无线通信模块信号连接所述控制模块,用于通过AT指令与所述控制模块通信,将信号通过WiFi无线通信系统发送至网关并经过UDP协议传输至树莓派;
所述显示模块信号连接所述无线通信模块,用于显示树莓派接收到的SOC和SOH值。
采样模块和SOC估计模块采集信号并处理数据,STM32单片机判断相邻两节电池的SOC差值是否大于1%,开启或关断均衡模块。控制模块根据SOH值监控电池状态,若电池老化至SOH达到80%,则立即停止对应老化电池充放电,同时对应该节电池所在支路第二LED灯发光,蜂鸣器报警,并将该电池序号发送至树莓派。通过无线通信模块将各节电池SOC和SOH值传送至树莓派显示,并按各节电池SOH数值由低到高,对电池所在通道进行排序并绘进度条。
如图3所示,以8路锂离子电池为例,利用采样模块建立对应RC模型,使用电路对采样模块扫描,达到对多路各节电池电压信号实时采集,通过电压判断电路与SOC相应的建模估算对ETA3000芯片进行使能,并在改变状态的同时,对第一LED灯、第二LED灯和蜂鸣器进行控制。温度传感器检测电路超过40摄氏度时开启风扇进行降温,若所测电池SOH下降至80%,则蜂鸣器报警,第二LED灯闪烁。
通过STM32单片机的内置AD12转换通道,对采样时间进行选择,使能模拟量输入通道引脚,打开转换内核,选择内核时钟源与采样触发源后,匹配相应的采样模式并规定采样时间,以保证采样的连续性。检测打开的通道是否有电流响应,延迟10s持续扫描;若无,关闭相应通道,节省相应存储空间。
匹配完成后,进一步使能转换通道,通过时钟中断TIMER3进行中断取数,并在标志位FLAG=1溢出时,直接储入内部存储区。采用DMA通道,实现多路电压同时采样与输出。
如图5所示,无线检测模块主要由数据传输模块,数据接收模块,数据处理和显示模块组成。首先多个STM32单片机将上一步所计算的SOC值与SOH值分别从相应寄存器调出并存入传输数组内,发送到云端;通过AT指令“AT+CIPMODE”设置网关为UDP透传模式,在这种模式下设置为单连接;同时设置蜂鸣器作为提示音,检测控制器和上位机是否与连入网络。后由ESP8266为核心的物联网网关将软件与硬件相连接,通过IP地址的分配建立站点,与树莓派进行通信。最终网络层通过UDP协议,实现单片机与多个树莓派的连接。
树莓派的接收与处理步骤流程主要包括数据接收模块与数据处理和显示模块。作为客户端,实时查询树莓派分配到的IP地址。该过程中始终保持服务端和客户端有相同的端口号。
接收数据时,树莓派开辟相应空间,将数据存入缓冲区,并根据双方协议,开始进行文件传输。服务端发送数据格式按双方约定的协议进行发送。在本实例中首部由前三个数据组成,第一个数据Data1,表示为信号源的通道编号,树莓派需根据该编号开通不同显示通道,接下来是各个通道所收集的数据。后两位分别为采集的电池估算得到的SOC与SOH值。
数据处理和显示中以字符串形式发送确保发送信息的准确性与直观性缩短发送时间,故在传输前将数字转换为字符串形式。在接收后需将字符串重新转换为浮点数,并重新存入接收数据列表lst1。
首先,通过正则表达式,提取出这个长字符串中的所有数字,对所传信息进行处理与分类;比较每节电池的SOH的大小并且由高到低进行排序,把SOH值低于80%的电池所在通道进行标红,提示用户及时进行更换。
然后,根据采集信号源的个数均等分配屏幕显示范围,使显示范围能随着打开通道的数量进行智能化改变;最后SOC的值则在处理后以进度条的形式展现,使显示更加人性化,进行横向对比更为便捷,电池组的状态与均衡过程更为直观。
最后通过列表相关函数使用matplotlib软件,以硬拷贝格式和跨平台的交互式环境生成质量较高的图形,并准确将数据在界面中显示出来。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种基于物联网的电池组电量均衡系统,其特征在于,包括采样模块、SOC估算模块、均衡模块、控制模块、无线通信模块和显示模块;
所述采样模块信号连接所述均衡模块,用于采用差动运算电路,采集各节电池两端电压并将各节电池两端电压上传至所述均衡模块;
所述SOC估算模块信号连接所述均衡模块,用于根据二阶RC模型,采用扩展卡尔曼滤波法估算各个电池的SOC和SOH值,并将各个电池的SOC和SOH值上传至所述均衡模块;
所述均衡模块信号连接所述控制模块,包括ETA3000芯片;所述ETA3000芯片的BATP引脚和BATN引脚分别电连接两节串联电池的正极和负极;单节电池两端并联一个稳压二极管,一个稳压二极管的正极和负极分别电连接单节电池负极和正极;BATC引脚电连接两节电池的中间电位,SW引脚连接电感以储能;
所述控制模块,用于判断相邻两节电池的SOC差值以开启或关断均衡模块,以及根据SOH值监控各节电池状态,以控制各节电池的放电和停止放电;
所述无线通信模块信号连接所述控制模块,用于通过AT指令与所述控制模块通信,将信号通过WiFi无线通信系统发送至网关并经过UDP协议传输至树莓派;
所述显示模块信号连接所述无线通信模块,用于显示树莓派接收到的SOC和SOH值。
2.根据权利要求1所述的电池组电量均衡系统,其特征在于,所述ETA3000芯片的BIAS引脚电连接的电容并联一个第一LED灯和一个第一电阻;所述ETA3000芯片工作,BIAS引脚置为高电平,第一LED灯发光,所述均衡模块开启。
3.根据权利要求1所述的电池组电量均衡系统,其特征在于,所述差动运算电路包括第二电阻和第三电阻;所述第二电阻的一端电连接单节电池的正极,另一端电连接有第一运算放大器的同相输入端和第四电阻的一端;所述第三电阻的一端电连接单节电池的负极,另一端连接有第一运算放大器的反相输入端和第五电阻的一端;所述第五电阻远离所述第三电阻的一端接地;所述第四电阻远离所述第二电阻的一端电连接有第二运算放大器的输出端和第六电阻的一端;所述第二运算放大器的同相输入端接地,反向输入端电连接有第七电阻的一端;所述第六电阻远离所述第四电阻的一端电连接所述第二运算放大器的反向输入端;所述第七电阻远离所述第二运算放大器的一端电连接所述第一运算放大器的输出端。
4.根据权利要求3所述的电池组电量均衡系统,其特征在于,所述第六电阻和第七电阻为可变电阻。
5.根据权利要求1所述的电池组电量均衡系统,其特征在于,还包括风扇、蜂鸣器、第二LED灯以及温度传感器,且均与所述控制模块电连接。
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