基于树莓派的房车电池管理系统研制

岳贤杰, 李成伟, 沈 倩, 张子超

(1. 哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院, 哈尔滨 150000； 2. 廊坊市中燃宏胜能源科技有限公司 工程技术部, 河北 廊坊 065000)

0 引 言

随着生活水平的提高, 人们逐渐倾向于通过户外活动享受生活, 因此房车成为了重要选择之一, 其需求量也越来越大。房车是集衣、 食、 住、 行于一身, 实现生活中旅行, 旅行中生活的时尚产品[1]。我国的房车市场虽然起步较晚, 但随着国民消费观念的改变, 国家对旅游业的大力支持, 国内的房车市场将迎来新的发展。

房车市场的快速发展, 最大的问题就是如何保证房车在使用过程中的安全性与可靠性。房车又称车轮上的家, 兼具房与车两大功能[2-3], 而如何方便智能合理地使用车载电源成为研究的重点[4]。与普通汽车相比, 房车的用电设备更多, 用电系统更加复杂, 电能消耗更大, 这样就会因为电池组的不合理使用而导致电池的损坏[5-7], 从而导致车辆不能正常使用。为了能让车载电池和相应的用电设备正常使用, 有必要设计一套管理系统, 保证车辆能实时正常使用, 提高用户的享受度。目前市场上的房车仅能通过检测电池电压, 间接反映SOC(State of Charge,SSOC)[8-9], 用户不能直观地得到所需信息, 同时对用电设备仅仅起到配电的作用。针对以上情况, 笔者提出基于树莓派的房车电池管理系统, 以树莓派为主控制器, 具有以下优点： 1) 可以使设备趋于小型化, 可直接通过软件设计丰富的UI用户界面; 2) 内置32位高性能ARM芯片能满足SOC计算, 运算速率快； 3) 树莓派本身的功耗低, 减少车载供电系统的供电压力。

该系统可以使用户直观地了解电池使用状况以及用电设备的运行情况, 实现用户对电量合理分配使用, 从而保证安全可靠地用电, 达到保障使用者的人身和财产安全的目的。

1 硬件系统设计

该系统以树莓派3B+型为中央处理器, 控制和处理各功能模块。主要有两大功能模块： 电池管理模块和用电器电能计量模块。其中电池管理模块与控制器之间通过单总线方式通讯[10-13], 根据DS2438芯片的采集频率将每次采集的数据(温度、 电压和电流)传输给处理器进行处理, 实际应用时需要将该模块贴近蓄电池[9], 以便更好地反应蓄电池温度； 以电能芯片RN8209为核心的电能计量模块与控制器之间通过SPI(Serial Peripheral Interface)通讯方式链接, 将每次采集数据发送到主控制器。主控制器完成数据处理和显示, 并具有一定的故障处理和报警功能。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

其中电池监控模块原理图如图2所示, 由于DS2438电流测量为毫伏级, 须通过霍尔传感器TBC200AP, 对电流按照2 000 ∶1进行缩小, 将大电流转换为小电流； 通过检测精密采样电阻的电压值得到相应的电流值； 蓄电池电压为10～13 V, 超出DS2438测量范围, 因此, 通过电阻分压方式对电压进行采集； DS2438芯片内置温度传感器可直接用于温度检测。

RN8209提供了两路有功功率的计算和校正, 设计框图如图3所示, 对用电器的电流、 电压值进行采样, 通过计算可得到功率值。

图2 电池数据采集模块框图 图3 功率计量模块框图

电压信号采用电阻分压形式进行信号采样, 电流信号首先经过电流互感器(CT350C)将用电接口产生的大电流信号等比例转化为小电流信号, 经采样电阻分压, 将模拟电流信号转换成电压信号提供给RN8209电流采样端。

2 SOC算法及用电策略

2.1 电池模型及参数化辨识

系统采用Thevenin模型模拟蓄电池, 如图4所示, 该等效电路同时考虑了电池的极化特性, 其中参数可依据不同工况完成辨识。

图4 Thevenin等效模型

2.2 SOC算法

为了能在精确估算电池剩余电量的同时降低算法的复杂度, 系统使用开路电压法结合修正安时积分法的SOC估算法[13-15]。首先通过开路电压法预测电池的初始SOC状态, 在此基础上通过安时积分法实时计算电池在使用过程中的电量变化。当电池未使用时(未处于充电或放电状态), 则使用开路电压法对SOC进行校正, 两种方法交叉进行, 提高了SOC估算的准确性。

2.2.1 开路电压法

开路电压法[16]实现原理是根据待测电池的电容与电压关系曲线图, 系统使用的蓄电池为铅酸蓄电池, 由厂家提供了相应的数据曲线)在估算电量时, 通过测量电源两端的电压, 代入对应的曲线图, 得到相应的容量值。

2.2.2 修正安时积分法

安时积分法是将电池容量、 实时电流和充放电时间作为考虑因素, 放电时电流为正, 充电时电流为负, 通过电流与时间的积分计算电量, 从而得到在充放电情况下的电池SOC如下

(1)

1) 充放电倍率修正。在实际情况下, 电池以不同大小的电流放电, 所反映的电池容量是不同的[17], 这就是充放电倍率的影响, 公式如下

(2)

其中Q0为电池以标准电流I0进行放电对应的标称容量,Q1为以电流I1进行放电对应的电池容量, 两者均是恒流放电下的电池容量, 但两者并不相等。为了解决该问题， 一种非固定电流下放电对应的容量修正公式被提出[17], 公式如下

Int=Const(K)

(3)

对式(3)进行处理变形

(4)

令充放电倍率η=(I1/I0)1-n, 用于表示实际放电电流I1与标准电容对应电流I0大小的比值。其中n、k为与电池类型及活性物质有关的量,p=1-n为Peukert常数； 根据厂家提供的本系统待测蓄电池的数据解方程组得p=-0.016 8, 充电倍率为

(5)

通过上述推导将SOC表达式(1)的充放电倍率公式修正为

(6)

2) 温度修正系数。温度是影响蓄电池充放电的重要因素之一[18], 与电流类似, 不同温度下工作的蓄电池对应的电量也不同。考虑到该问题, 引入了温度修正系数ω(τ), 通过厂家提供本系统所用型号电池的信息获得不同温度下该型号电池的容量Q0,Qτ, 依据经验公式, 不同温度下电池的容量之间满足

(7)

其中Q0和Qτ分别是20 ℃和τ℃时测得的电池容量,τ为实验测得温度,τ0为工作温度,α为温度影响因子, 根据经验获得范围为 0.006～0.008 ℃-1, 笔者取为0.007 ℃-1, 将温度修正系数ω(τ)加入式(6)进行电池温度修正, 得

(8)

2.2.3 仿真验证

实际上, 电池工作环境很复杂。因此, 在仿真中引入了充放电倍率、 温度修正系数, 此外, 为了更贴近实际工作环境, 此次仿真中考虑了环境中可能存在的暗电流干扰和温度波动, 并将此作为噪声信号, 在Simulink中构造充电模型, 在不同的放电倍率和温度下SOC与实际实验对比如图5所示。

a 0.05 C, 20 ℃条件下SOC对比图 b 0.1 C, 20 ℃条件下SOC对比图 c 0.17 C, 15 ℃条件下SOC对比图

随时间延长, 误差是逐渐累积的, 因此在完全放电时, 误差最大, 用放电时间近似代表SOC误差值, 分析数据得到表1。

表1 仿真实验结果

由表1数据可知, 实验误差小于3%, 说明该方法估算SOC有效。

2.3 用电方法

目前, 大部分智能手机在电池低于20%时会给用户提示, 20%对大多数电池而言也是合理的低电量模式, 鉴于此, 该系统设置电池低电量模式为20%。当电池电量低于20%时, 系统会给用户提示信息, 提醒用户及时充电或关闭当前非必要使用的电器, 从而保证基本行车用电。鉴于此, 将车载电器进行简单分类以便详细规划用电方法[19-22]。

1) 长时间连接使用的设备(A1)。此类电器一般一直或长时间处于运行状态, 如灯具、 冰箱等。

2) 短时间内使用的设备(A2)。只在一定的短时间内使用, 其余时间处于关闭状态的设备, 如电视、 电磁炉、 洗衣机等。一般在低电量模式下主要考虑关闭此类电器。

3) 预留充电用接口(A3)。供用户充电用的USB接口等。

在电池SOC低于20%时, 提示用户, 并自动关闭A2类电器, 同时提示用户可选择性地关闭A1类电器。

3 软件设计及功能测试

3.1 系统总体软件设计

树莓派3B+使用Linux系统, 其GPIO口可以像单片机一样进行IO控制, 一般使用wring Pi库进行GPIO操作, wring Pi库支持C/C++等多种语言。本系统的开发基于QT进行, 在QT中添加wring Pi库并运用C++完成软件编写。程序设计与硬件设计相对应, 主要分为蓄电池参数采集模块数据处理和电能采集模块数据处理, 并将处理完的数据进行UI可视化显示。

3.2 主要模块与功能测试

3.2.1 电池监测模块测试

电压的采集是电池参数采集的核心部分, 测试时用可调电源进行(可调范围0～30 V), 蓄电池的电压一般为9～13 V, 因此将可调电源的电压分别设为9 V、10 V、11 V、12 V、 13 V, 并用蓄电池采集模块进行参数采集, 结果如表2所示。

表2 电池电压采集数据

3.2.2 电器功率监测模块测试

为了验证电能计量模块的可靠性, 选用额定功率已知的不同电器, 让用电器正常工作, 用电能采集模块采集, 将采集得到的结果与已知的功率进行比较, 结果如表3所示。

表3 功率采集数据

3.2.3 电池监测模块测试

电池管理系统作为电源的监控系统, 必须把电池实时信息、 故障信息发送给树莓派, 以便了解电池的工作状态, 当出现问题时及时提醒用户, 同时, 当用电接口电流过大时, 也会给予提示。表4定义了本系统中的故障类型。

表4 系统故障类型

4 结 语

笔者主要研究了房车电源管理系统, 实现了对电池组电压、 温度、 荷电状态(SOC)的监测。在树莓派上进行软件设计完成状态显示及报警提示； 并结合智能家居的思想, 对电器进行智能化管理, 为用户打造更舒适的体验。

通过仿真表明, 笔者提出的SOC估算算法实验误差小于3%, 说明该方法可用于预测电池的SOC。其次, 对系统进行电压采集测试和功率采集测试；电压的采集误差不超过0.2%, 用电器功率的采集误差不超过3%, 说明本系统具有一定的实用性。