一種基于plc的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)包括電池組、PLC主機(jī)單元、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、均衡電路、熱管理系統(tǒng)、顯示單元和通信單元。本實(shí)用新型采用PLC作為控制器，在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)中采用多重抗干擾措施，具有極高的可靠性，提高了動力電池管理系統(tǒng)的整體可靠性；該電池管理系統(tǒng)具有單體電池快速均衡、充放電控制和能量管理功能，能有效對電池組進(jìn)行熱管理、安全管理，并記錄存儲電池狀態(tài)數(shù)據(jù)和工作時間數(shù)據(jù)。
【專利說明】
一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在國家發(fā)展新能源汽車的背景下，價格低廉的低速電動汽車產(chǎn)品市場需求旺盛，發(fā)展勢頭迅猛。出于成本考慮，較大部分低速電動車采用鉛酸動力電池作為動力源，通常未配置電池管理系統(tǒng)，在使用不當(dāng)情況下極易造成電池的損壞，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失，同時也給電池回收企業(yè)帶來巨大的壓力。目前，本領(lǐng)域針對電池管理系統(tǒng)的研究主要集中在鋰離子動力電池，針對鉛酸動力電池的管理系統(tǒng)較少，并且存在精度低可靠性差的缺點(diǎn)。缺少用于鉛酸動力電池的功能適用、可靠性高的電池管理系統(tǒng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型為解決現(xiàn)有技術(shù)中鉛酸動力電池的管理系統(tǒng)精度低、可靠性差的問題，提供了一種基于PLC平臺的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電流、電壓及溫度檢測電路對電池組相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，并利用PLC內(nèi)置的算法，實(shí)現(xiàn)對電池組有效可靠管理。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案:一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，包括電池組、PLC主機(jī)單元、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、均衡電路、熱管理系統(tǒng)、顯示單元和通信單元;其中，所述PLC主機(jī)單元分別與電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、均衡電路、熱管理系統(tǒng)、顯示單元和通信單元連接;所述電流檢測電路連接在電池組正極主電路中；所述電壓檢測電路和均衡電路分別連接在電池組每個單體電池的正負(fù)極;所述溫度檢測電路連接在單體電池表面。
[0005]優(yōu)選地，所述的電壓檢測電路檢測動力電池組中每個單體電池的電壓，電壓檢測電路中單體電池的正負(fù)極經(jīng)高速光耦繼電器陣列連接到信號調(diào)理電路，再與AD模塊相連。
[0006]優(yōu)選地，所述均衡電路為電感儲能式，該均衡電路設(shè)置有與單體電池?cái)?shù)量相同的均衡變壓器，均衡變壓器副邊繞組連接到每一個單體電池，均衡變壓器原邊繞組并聯(lián)連接到電池組正負(fù)極，均衡變壓器原邊驅(qū)動電路連接在PLC主機(jī)單元。
[0007]本實(shí)用新型的電流檢測電路用于檢測電池組充放電電流，將數(shù)據(jù)提供給PLC主機(jī)單元進(jìn)行SOC估算和安全保護(hù)。溫度檢測電路檢測電池組每個單體電池溫度，電壓和溫度數(shù)據(jù)傳輸至PLC主機(jī)單元用于進(jìn)行電池組SOC估算和控制均衡電路對電池組進(jìn)行均衡。
[0008]優(yōu)選地，該電池管理系統(tǒng)還包括安全保護(hù)電路，所述安全保護(hù)電路連接在電池組主電路中，安全保護(hù)電路中電池組正極主電路依次與熔斷器、主開關(guān)和安保接觸器的主觸點(diǎn)連接對外供電，安保接觸器線圈回路連接至PLC主機(jī)單元，在電池組異常時切斷電池組主電路。安全保護(hù)電路受PLC主控單元控制，在電池組狀態(tài)發(fā)生異常時(如過流、短路、超溫、低壓、超壓等)進(jìn)行保護(hù)，切斷電池組主回路。
[0009]優(yōu)選地，所述的顯示單元根據(jù)PLC主機(jī)單元的數(shù)據(jù)，顯示有關(guān)電池組或單體電池狀態(tài)信息包括電流、電壓、溫度、SOC。
[0010]優(yōu)選地，所述的熱管理系統(tǒng)包括冷卻風(fēng)扇，由PLC主機(jī)單元根據(jù)其所采集的各單體電池溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，冷卻風(fēng)扇采用雙速控制，根據(jù)需要調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。
[0011]優(yōu)選地，所述的通信單元為PLC主機(jī)擴(kuò)展單元，用于PLC主機(jī)單元與其它控制器的通信。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0013](I)本實(shí)用新型采用PLC作為控制器，在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)中采用多重抗干擾措施，具有極高的可靠性，提高了動力電池管理系統(tǒng)的整體可靠性；
[0014](2)本實(shí)用新型的電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單體電池快速均衡，有效對電池組進(jìn)行熱管理、安全管理，并記錄存儲電池狀態(tài)數(shù)據(jù)和工作時間數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型動力電池管理系統(tǒng)組成示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型單體電池電壓檢測電路示意圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型卡爾曼濾波程序結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4為本實(shí)用新型安全保護(hù)電路連接形式示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖1?4對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)用新型附圖采用簡化形式，僅用來對本實(shí)用新型進(jìn)行輔助說明。
[0020]本實(shí)用新型基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)具有以下功能:電池組充放電電流檢測、單體電池與電池組電壓檢測、電池組溫度檢測、電池狀態(tài)判斷和剩余電量估算、電池電量均衡管理、電池組熱管理、充放電控制、電池組安全保護(hù)、電池組數(shù)據(jù)記錄存儲及與外部設(shè)備的通信。
[0021 ]如圖1所示，一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括PLC主機(jī)單元(主控制器)、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、均衡電路、熱管理系統(tǒng)、安全保護(hù)電路、顯示單元和通信單元。
[0022]電流檢測電路選用高精度直流霍爾電流傳感器，對電池組充放電電流進(jìn)行采集，經(jīng)濾波、信號調(diào)理后輸入AD轉(zhuǎn)換模塊。所述的單體電池電壓檢測電路如圖2所示，檢測電路采用高速光耦繼電器陣列對單體電池電壓進(jìn)行分時掃描，依次選擇被測電池，經(jīng)過信號調(diào)理電路后輸入AD轉(zhuǎn)換模塊。為保證信號采集精度，AD模塊選用14位以上轉(zhuǎn)換精度，電壓檢測精度優(yōu)于±0.001V。所述的單體電池溫度檢測電路可選用熱電阻傳感器來測量電池組中各單體電池溫度，溫度傳感器固定于各個單體電池表面，傳感器輸出信號連接到PLC溫度輸入模塊，溫度采集精度達(dá)到± 0.5 °C。
[0023]電池荷電狀態(tài)SOC的準(zhǔn)確估算是電池管理系統(tǒng)進(jìn)行動力電池充放電控制和能量管理的關(guān)鍵依據(jù)，直接影響電池組的性能和使用壽命。SOC為動力電池的狀態(tài)量，無法直接測量，可通過電池充放電電流、電池端電壓等進(jìn)行間接估算。影響電池SOC估算的因素很多，比如，電池的溫度、負(fù)載工況的變化等，受這些非線性因素的影響，進(jìn)行精確的SOC估算是非常困難的。常用的SOC估算方法有安時積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等等。這些算法中有些算法容易實(shí)現(xiàn)但誤差較大估算精度低，有些算法過于復(fù)雜不易在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型基于PLC平臺實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波算法，在提高系統(tǒng)可靠性的同時，保證電池SOC估算具有較高精度。鉛酸動力電池的模型選用PNGV等效電路模型，具有較好的動態(tài)特性。電池模型的參數(shù)通過離線實(shí)驗(yàn)獲得，不同溫度和SOC狀態(tài)下的模型參數(shù)存儲在主控制器數(shù)據(jù)區(qū)中，系統(tǒng)工作時，根據(jù)電池初始狀態(tài)，通過查表插值，獲取初始參數(shù)，然后依據(jù)參數(shù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算。目前PLC對矩陣運(yùn)算的支持不是很好，在本實(shí)用新型中通過下述方法進(jìn)行解決:矩陣運(yùn)算的數(shù)據(jù)在PLC中以數(shù)據(jù)塊的形式按數(shù)組類型進(jìn)行存儲，利用基本運(yùn)算將矩陣的加減運(yùn)算、相乘運(yùn)算、轉(zhuǎn)置運(yùn)算和求逆運(yùn)算編制為固定功能的子程序，在運(yùn)算過程中進(jìn)行調(diào)用?？柭鼮V波過程如圖3所示:首先，進(jìn)行電池參數(shù)的初始配置，根據(jù)系統(tǒng)采集的初始開路電壓值、溫度值和系統(tǒng)所記錄的上次工作結(jié)束時的狀態(tài)數(shù)據(jù)，查表插值進(jìn)行電池參數(shù)的初始化;接下來按照“一步預(yù)測計(jì)算-一步預(yù)測誤差方差計(jì)算-濾波增益計(jì)算(卡爾曼增益計(jì)算)_狀態(tài)最優(yōu)估算-估算誤差方差計(jì)算”的循環(huán)迭代對電池的當(dāng)前SOC進(jìn)行估算，卡爾曼濾波計(jì)算過程中所用到的矩陣運(yùn)算通過調(diào)用預(yù)先編制的子程序來完成。
[0024]電池組均衡電路采用電感儲能的均衡方式，該均衡電路上設(shè)置有與單體電池?cái)?shù)量相同的均衡變壓器，均衡變壓器副邊繞組連接到每個單體電池，均衡變壓器原邊繞組連接電池組正負(fù)極，由PLC主機(jī)單元來控制驅(qū)動均衡電路。均衡操作在電池組充電過程中進(jìn)行，由PLC主機(jī)單元根據(jù)各單體電池電壓來控制電池組的均衡，均衡速度快。
[0025]電池組的熱管理由PLC主機(jī)單元根據(jù)其所采集的各單體電池溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，電池組的散熱采用并行通風(fēng)形式，以保證各單體電池溫度的一致性，冷卻風(fēng)扇采用雙速控制，根據(jù)需要調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。
[0026]安全保護(hù)電路對電池組的安全運(yùn)行至關(guān)重要，根據(jù)系統(tǒng)所采集的電流、電壓、溫度等信息，在發(fā)生短路、過流、過放電、過充電、熱失控等情況時，PLC主機(jī)單元將控制安全保護(hù)電路斷開電池組主電路，保護(hù)電池不受損壞。安全保護(hù)電路連接形式如圖4所示，電池組正極主電路依次連接熔斷器、主開關(guān)和安保接觸器主觸點(diǎn)后對外供電，安保接觸器線圈回路受PLC主機(jī)單元控制，在電路異常時切斷電池組主電路。
[0027]電池管理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，與PLC主機(jī)單元相連的顯示單元可以將電池組電壓、電流、溫度、SOC狀態(tài)等相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時顯示。通信單元用于主控制器擴(kuò)展通信功能，方便與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。電池管理系統(tǒng)在每次工作過程(放電或充電)結(jié)束時，記錄并存儲電池組當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)和工作時間數(shù)據(jù)，可用于系統(tǒng)狀態(tài)估算參數(shù)初始化的校驗(yàn)。
[0028]以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的【具體實(shí)施方式】，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型披露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:包括電池組、PLC主機(jī)單元、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、均衡電路、熱管理系統(tǒng)、顯示單元和通信單元； 其中，所述PLC主機(jī)單元分別與電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、均衡電路、熱管理系統(tǒng)、顯示單元和通信單元連接;所述電流檢測電路連接在電池組正極主電路中；所述電壓檢測電路和均衡電路分別連接在電池組每個單體電池的正負(fù)極;所述溫度檢測電路連接在單體電池表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述電壓檢測電路中每個單體電池的正負(fù)極經(jīng)高速光耦繼電器陣列連接到信號調(diào)理電路，再與AD模塊相連。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述均衡電路為電感儲能式，該均衡電路設(shè)置有與單體電池?cái)?shù)量相同的均衡變壓器，均衡變壓器副邊繞組連接到每一個單體電池，均衡變壓器原邊繞組并聯(lián)連接到電池組正負(fù)極，均衡變壓器原邊驅(qū)動電路連接在PLC主機(jī)單元。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:該電池管理系統(tǒng)還包括安全保護(hù)電路，所述安全保護(hù)電路連接在電池組主電路中，安全保護(hù)電路中電池組正極主電路依次與熔斷器、主開關(guān)和安保接觸器的主觸點(diǎn)連接對外供電，安保接觸器線圈回路連接至PLC主機(jī)單元，在電池組異常時切斷電池組主電路。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的顯示單元根據(jù)PLC主機(jī)單元的數(shù)據(jù)顯示有關(guān)電池組或單體電池狀態(tài)信息包括電流、電壓、溫度、SOC。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的熱管理系統(tǒng)包括冷卻風(fēng)扇，由PLC主機(jī)單元根據(jù)其所采集的各單體電池溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，冷卻風(fēng)扇采用雙速控制，根據(jù)需要調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的通信單元為PLC主機(jī)擴(kuò)展單元，用于PLC主機(jī)單元與其它控制器的通信。
【文檔編號】H02H7/18GK205621815SQ201620438727
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】楊勇, 劉勇軍, 楊際峰, 陳海需, 高迎春
【申請人】黃淮學(xué)院