基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng),系統(tǒng)包括：采集板：完成電池組信息的實(shí)時采集，并將結(jié)果反饋給主控板；主控板：主控板將采集板上傳的各電池組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲并顯示，同時對電池組總體電壓電流及當(dāng)前電量進(jìn)行測算，并通過冗余CAN總線通信模塊對下層單體電池進(jìn)行充放電管理和控制；CAN總線通信模塊：總個系統(tǒng)的通信媒介，所述CAN總線通信模塊設(shè)有2套總線。均衡模塊：通過主控板的控制，實(shí)現(xiàn)各電池之間使用量的均衡；顯示模塊：連接主控模塊，顯示模塊主要用于提供用戶查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，向用戶提供報警提示和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能。本發(fā)明提供的基于雙CAN總線冗余設(shè)計的鋰電池管理系統(tǒng)，增加了鋰電池采集板與主控板間通信的可靠性，為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)管理效能提供了基礎(chǔ)。
【專利說明】基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于移動儲能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]儲能技術(shù)主要用于平抑太陽能光伏發(fā)電/風(fēng)力發(fā)電的波動，改善電網(wǎng)對新能源的吸納能力，同時兼有部分對電網(wǎng)谷電儲能峰值供電作用?？紤]兼顧分布式儲能與規(guī)模并網(wǎng)的應(yīng)用，儲能系統(tǒng)宜采用模塊化組件搭建方式，自下而上主要包含電池模塊、電池管理系統(tǒng)、雙向儲能變流器、監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)四層構(gòu)架。其中，電池管理系統(tǒng)是整個移動儲能系統(tǒng)的充放電控制單元，同時兼顧對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的采集，控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是移動儲能電站不可或缺的一部分。電池管理系統(tǒng)的均衡技術(shù)能夠改變不同電池間充放電的電流或充放累計電量，是解決電池成組一致性差異的關(guān)鍵技術(shù)。持續(xù)有效的電流均衡和正確的均衡控制策略，能夠防止電池出現(xiàn)一致性差異，在電池成組的使用壽命指標(biāo)上有決定性的作用。
[0003]目前，電池管理系統(tǒng)主要局限于單CAN總線通信，雖然減少了線束的數(shù)量和重量，提高了主控單元與數(shù)據(jù)采集板之間通信的可靠性，但還存在當(dāng)CAN總線出現(xiàn)故障時整個控制管理系統(tǒng)無法進(jìn)行正常工作的缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于雙CAN總線架構(gòu)，增加系統(tǒng)冗余性，對增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和效能，具有積極和現(xiàn)實(shí)意義。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，包括:采集板:完成電池組信息的實(shí)時采集，并將結(jié)果反饋給主控板；主控板:主控板將采集板上傳的各電池組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲并顯示，同時對電池組總體電壓電流及當(dāng)前電量進(jìn)行測算，并通過冗余CAN總線通信模塊對下層單體電池進(jìn)行充放電管理和控制；CAN總線通信模塊:總個系統(tǒng)的通信媒介，所述CAN總線通信模塊設(shè)有2套總線。均衡模塊:通過主控板的控制，實(shí)現(xiàn)各電池之間使用量的均衡；
[0006]顯示模塊:連接主控模塊，顯示模塊主要用于提供用戶查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，向用戶提供報警提示和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能。所述采集板包括微處理器、溫度檢測單元、電壓檢測單元、電流采樣單元、充放電控制單元及CAN總線通信接口單元，微處理器電連接溫度檢測單元、電壓檢測單元、電流采樣單元、充放電控制單元及CAN總線通信接口單元。所述電流采樣單元采用閉環(huán)霍爾電流傳感器。所述電流采樣單元和電壓采樣單元和微處理器之間分別接一個信號調(diào)理電路。所述主控板包括微控制器、電源模塊、總電壓電流處理模塊、剩余電量估算模塊以及CAN通信接口模塊，微控制器電連接電源模塊、總電壓電流處理模塊、剩余電量估算模塊以及CAN通信接口模塊。所述電源模塊的輸入前端增加共模濾波器和LC濾波器。所述CAN總線為屏蔽雙絞線。
[0007]本發(fā)明有如下積極效果:實(shí)時監(jiān)測電池狀態(tài)，通過檢測電池的外特性參數(shù)(如電壓、電流、溫度等)，采用適當(dāng)?shù)乃惴?，?shí)現(xiàn)電池內(nèi)部狀態(tài)(如容量和SOC等)的估算和監(jiān)控，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；提出一種基于雙CAN總線冗余設(shè)計的鋰電池管理系統(tǒng)，增加了鋰電池采集板與主控板間通信的可靠性，為進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)管理效能提供了基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009]下面對照附圖，通過對實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如所涉及的各構(gòu)件的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0010]電池管理系統(tǒng)主要由主控板、采集板(內(nèi)含CAN總線通信電路接口)及CAN總線通信模塊、顯示模塊和均衡模塊五大部分組成。主要完成電池組信息的實(shí)時采集(含單體電池電壓、溫度和充放電電流及電池組總電壓)、電池組的充放電控制、電池組S0C(State OfCharge)估算及顯示、電池組均衡及提供通信接口等功能。電池管理系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。采集板主要完成單體電池電流、電壓、溫度數(shù)據(jù)的采集及單體電池均衡，并經(jīng)CAN總線冗余和主控板通信；主控板將采集板上傳的各電池組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲并顯示，同時對電池組總體電壓電流及當(dāng)前電量進(jìn)行測算，并通過冗余CAN總線網(wǎng)絡(luò)對下層單體電池進(jìn)行充放電管理和控制。其中，CAN總線采用屏蔽雙絞線，，避免很強(qiáng)的電磁干擾從而影響信號在線檢測與控制系統(tǒng)的工作正常。
[0011]主控板在整個系統(tǒng)中起著最為核心的作用，主要包括微控制器、電源模塊、總電壓電流處理模塊、剩余電量估算模塊以及CAN通信接口模塊。
[0012]主控板上需要的電源有±12V、5V(VCC)、3.3V、以及提供給CAN總線的隔離5V電源。為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作，降低電源功耗，本系統(tǒng)均采用DCDC模塊來完成電源設(shè)計。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在電源模塊的輸入前端增加共模濾波器和LC濾波器。
[0013]采集板是電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主要由微處理器MCU、溫度檢測單元、電壓檢測單元、電流采樣單元、CAN總線通信接口單元及充放電控制單元構(gòu)成。
[0014]系統(tǒng)電池組工作電流采樣的測量采用閉環(huán)霍爾電流傳感器CHB-200SF，其傳感器原副邊電氣隔離，安全性能很好，因主控板微處理器MSP430F149的P6 口均是12位AD轉(zhuǎn)換器輸入口，且其內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓為2.5V,故在輸入信號前應(yīng)把電流傳感器CHB-200SF輸出電流轉(zhuǎn)為幅度在2.5V范圍內(nèi)的電壓信號，即要增加一個電流調(diào)理電路?？傠妷簻y量則采用電壓傳感器CHV350P，同時通過軟件對單體電池電壓累加實(shí)現(xiàn)總電壓測量，并利用得到的傳感器數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償和修正。因電壓傳感器CHV350P輸出的電壓值超過MSP430F149單片機(jī)AD的電壓轉(zhuǎn)換范圍，故同樣要采用信號調(diào)理電路對電壓幅度進(jìn)行處理。
[0015]顯示模塊主要用于提供用戶查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，向用戶提供報警提示等作用，除此之外，顯示模塊還具有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能。
[0016]充電電池存在使用壽命問題，長期不均衡的使用電池會造成部分電池壽命下降的問題，從而影響整個電池系統(tǒng)的運(yùn)行。均衡模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)電池箱內(nèi)電池電壓不一致超過規(guī)定值時(及長期消耗部分電池的電量)，在充電電流小于一定值后，可自動對電池進(jìn)行均衡，保證各電池之間使用量的均衡。
[0017]CAN總線作為一種先進(jìn)的控制總線，具有較強(qiáng)的檢錯和糾錯能力，但在復(fù)雜工況條件下，難免出現(xiàn)傳輸介質(zhì)損壞、插頭松動以及CAN控制器或收發(fā)器故障等現(xiàn)象，從而造成系統(tǒng)通信暫時中斷或無法正常工作的局面，為了提高系統(tǒng)通信的可靠性和穩(wěn)定性，有效的辦法是采用通信冗余機(jī)制，即系統(tǒng)采用2套總線，每套均包含總線電纜、驅(qū)動器和控制器，在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的冗余，與部分冗余方法相比，不需采用判斷切換電路，大大降低了系統(tǒng)的故障率。在底層管理節(jié)點(diǎn)正常復(fù)位或上電工作后，將其中一個CAN總線控制器默認(rèn)為主CAN總線(主CAN A);另外一個作為系統(tǒng)的備用CAN (從CAN B)，作為主CAN的冗余。換言之，系統(tǒng)在同一個時間節(jié)點(diǎn)上有且僅有其中一路CAN通道工作，另一路為監(jiān)聽狀態(tài)或處于故障狀態(tài)(當(dāng)發(fā)生故障時)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，主CAN總線(CANA)投入使用。若主CAN總線線路發(fā)生故障，從CAN總線(CAN B)則自動切入運(yùn)行。若在上電檢測時主CAN總線已經(jīng)發(fā)生故障，則從CAN總線也會自動切入運(yùn)行。因此，無論哪一套總線發(fā)生故障，另一套總線均能自動保持系統(tǒng)正常繼續(xù)工作，大大提高了整個系統(tǒng)的通信可靠性。
[0018]電池荷電狀態(tài)(State of Charge, S0C)的準(zhǔn)確估計是動力電池充放電控制和能源優(yōu)化管理的重要依據(jù)，直接影響電池的使用壽命?？梢?，電池剩余電量的準(zhǔn)確測量是非常關(guān)鍵的問題。但電池SOC不能直接測量，只能通過電池端電壓、充放電電流及內(nèi)阻等參數(shù)來估算其大小。而這些參數(shù)還會受到電池老化、環(huán)境溫度變化及汽車行駛狀態(tài)等多種不確定因素的影響，因此準(zhǔn)確的SOC估計已成為電電池管理系統(tǒng)中亟待解決的問題。
[0019]選取電池充放電電流為系統(tǒng)輸入量，電池SOC為狀態(tài)變量，電池電壓為系統(tǒng)輸出量。離散系統(tǒng)中，在每個采樣點(diǎn)對電池特性參數(shù)進(jìn)行采樣，作為系統(tǒng)輸入量，算法結(jié)合當(dāng)前時刻測得的輸入量和上一時刻的狀態(tài)估計值，完成對狀態(tài)變量和輸出量的更新。本發(fā)明采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，計算電池的S0C，其迭代步驟如下:
[0020]步驟(1):首先確定參數(shù)Ak —1; Ck。.P/1.、.!),

【權(quán)利要求】
1.一種基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于，包括:采集板:完成電池組信息的實(shí)時采集，并將結(jié)果反饋給主控板； 主控板:主控板將采集板上傳的各電池組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲并顯示，同時對電池組總體電壓電流及當(dāng)前電量進(jìn)行測算，并通過冗余CAN總線通信模塊對下層單體電池進(jìn)行充放電管理和控制； CAN總線通信模塊:總個系統(tǒng)的通信媒介,所述CAN總線通信模塊設(shè)有2套總線，其中一套總線作為備用總線； 均衡模塊:通過主控板的控制，實(shí)現(xiàn)各電池之間使用量的均衡； 顯示模塊:連接主控模塊，顯示模塊主要用于提供用戶查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，向用戶提供報警提示和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述采集板包括微處理器、溫度檢測單元、電壓檢測單元、電流采樣單元、充放電控制單元及CAN總線通信接口單元，微處理器電連接溫度檢測單元、電壓檢測單元、電流采樣單元、充放電控制單元及CAN總線通信接口單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述電流采樣單元采用閉環(huán)霍爾電流傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述電流采樣單元和電壓采樣單元和微處理器之間分別接一個信號調(diào)理電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述主控板包括微控制器、電源模塊、總電壓電流處理模塊、剩余電量估算模塊以及CAN通信接口模塊，微控制器電連接電源模塊、總電壓電流處理模塊、剩余電量估算模塊以及CAN通信接口模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述電源模塊的輸入前端增加共模濾波器和LC濾波器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的基于卡爾曼濾波算法的移動儲能電站電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述CAN總線為屏蔽雙絞線。
【文檔編號】H02J15/00GK104201787SQ201410460755
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】蔡旭, 姜廣宇, 王海松, 葉程廣 申請人:安徽啟光能源科技研究院有限公司