一種基于plc的鉛酸動力電池管理系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，該管理系統包括電池組、PLC主機單元、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、顯示單元和通信單元。本實用新型采用PLC作為控制器，在硬件電路和軟件設計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的整體可靠性；該電池管理系統具有單體電池快速均衡、充放電控制和能量管理功能，能有效對電池組進行熱管理、安全管理，并記錄存儲電池狀態數據和工作時間數據。
【專利說明】
一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及電池管理系統領域，特別涉及一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統。
【背景技術】
[0002]在國家發展新能源汽車的背景下，價格低廉的低速電動汽車產品市場需求旺盛，發展勢頭迅猛。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，在使用不當情況下極易造成電池的損壞，給用戶帶來經濟損失，同時也給電池回收企業帶來巨大的壓力。目前，本領域針對電池管理系統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較少，并且存在精度低可靠性差的缺點。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。
【實用新型內容】
[0003]本實用新型為解決現有技術中鉛酸動力電池的管理系統精度低、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，該系統通過電流、電壓及溫度檢測電路對電池組相關參數進行采集，并利用PLC內置的算法，實現對電池組有效可靠管理。
[0004]為了實現上述功能，本實用新型采用以下技術方案:一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，包括電池組、PLC主機單元、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、顯示單元和通信單元;其中，所述PLC主機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、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極;所述溫度檢測電路連接在單體電池表面。
[0005]優選地，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極經高速光耦繼電器陣列連接到信號調理電路，再與AD模塊相連。
[0006]優選地，所述均衡電路為電感儲能式，該均衡電路設置有與單體電池數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連接到電池組正負極，均衡變壓器原邊驅動電路連接在PLC主機單元。
[0007]本實用新型的電流檢測電路用于檢測電池組充放電電流，將數據提供給PLC主機單元進行SOC估算和安全保護。溫度檢測電路檢測電池組每個單體電池溫度，電壓和溫度數據傳輸至PLC主機單元用于進行電池組SOC估算和控制均衡電路對電池組進行均衡。
[0008]優選地，該電池管理系統還包括安全保護電路，所述安全保護電路連接在電池組主電路中，安全保護電路中電池組正極主電路依次與熔斷器、主開關和安保接觸器的主觸點連接對外供電，安保接觸器線圈回路連接至PLC主機單元，在電池組異常時切斷電池組主電路。安全保護電路受PLC主控單元控制，在電池組狀態發生異常時(如過流、短路、超溫、低壓、超壓等)進行保護，切斷電池組主回路。
[0009]優選地，所述的顯示單元根據PLC主機單元的數據，顯示有關電池組或單體電池狀態信息包括電流、電壓、溫度、SOC。
[0010]優選地，所述的熱管理系統包括冷卻風扇，由PLC主機單元根據其所采集的各單體電池溫度數據進行控制，冷卻風扇采用雙速控制，根據需要調節冷卻風量。
[0011]優選地，所述的通信單元為PLC主機擴展單元，用于PLC主機單元與其它控制器的通信。
[0012]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0013](I)本實用新型采用PLC作為控制器，在硬件電路和軟件設計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的整體可靠性；
[0014](2)本實用新型的電池管理系統實現了單體電池快速均衡，有效對電池組進行熱管理、安全管理，并記錄存儲電池狀態數據和工作時間數據。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型動力電池管理系統組成示意圖；
[0016]圖2為本實用新型單體電池電壓檢測電路示意圖；
[0017]圖3為本實用新型卡爾曼濾波程序結構示意圖；
[0018]圖4為本實用新型安全保護電路連接形式示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖1?4對本實用新型進行詳細說明。本實用新型附圖采用簡化形式，僅用來對本實用新型進行輔助說明。
[0020]本實用新型基于PLC的鉛酸動力電池管理系統具有以下功能: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、電池組數據記錄存儲及與外部設備的通信。
[0021 ]如圖1所示，一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，該系統包括PLC主機單元(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、安全保護電路、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行采集，經濾波、信號調理后輸入AD轉換模塊。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行分時掃描，依次選擇被測電池，經過信號調理電路后輸入AD轉換模塊。為保證信號采集精度，AD模塊選用14位以上轉換精度，電壓檢測精度優于±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，溫度采集精度達到± 0.5 °C。
[0023]電池荷電狀態SOC的準確估算是電池管理系統進行動力電池充放電控制和能量管理的關鍵依據，直接影響電池組的性能和使用壽命。SOC為動力電池的狀態量，無法直接測量，可通過電池充放電電流、電池端電壓等進行間接估算。影響電池SOC估算的因素很多，比如，電池的溫度、負載工況的變化等，受這些非線性因素的影響，進行精確的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、神經網絡算法等等。這些算法中有些算法容易實現但誤差較大估算精度低，有些算法過于復雜不易在實際系統中實現。本實用新型基于PLC平臺實現卡爾曼濾波算法，在提高系統可靠性的同時，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，具有較好的動態特性。電池模型的參數通過離線實驗獲得，不同溫度和SOC狀態下的模型參數存儲在主控制器數據區中，系統工作時，根據電池初始狀態，通過查表插值，獲取初始參數，然后依據參數進行卡爾曼濾波計算。目前PLC對矩陣運算的支持不是很好，在本實用新型中通過下述方法進行解決:矩陣運算的數據在PLC中以數據塊的形式按數組類型進行存儲，利用基本運算將矩陣的加減運算、相乘運算、轉置運算和求逆運算編制為固定功能的子程序，在運算過程中進行調用。卡爾曼濾波過程如圖3所示:首先，進行電池參數的初始配置，根據系統采集的初始開路電壓值、溫度值和系統所記錄的上次工作結束時的狀態數據，查表插值進行電池參數的初始化;接下來按照“一步預測計算-一步預測誤差方差計算-濾波增益計算(卡爾曼增益計算)_狀態最優估算-估算誤差方差計算”的循環迭代對電池的當前SOC進行估算，卡爾曼濾波計算過程中所用到的矩陣運算通過調用預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，該均衡電路上設置有與單體電池數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極，由PLC主機單元來控制驅動均衡電路。均衡操作在電池組充電過程中進行，由PLC主機單元根據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主機單元根據其所采集的各單體電池溫度數據進行控制，電池組的散熱采用并行通風形式，以保證各單體電池溫度的一致性，冷卻風扇采用雙速控制，根據需要調節冷卻風量。
[0026]安全保護電路對電池組的安全運行至關重要，根據系統所采集的電流、電壓、溫度等信息，在發生短路、過流、過放電、過充電、熱失控等情況時，PLC主機單元將控制安全保護電路斷開電池組主電路，保護電池不受損壞。安全保護電路連接形式如圖4所示，電池組正極主電路依次連接熔斷器、主開關和安保接觸器主觸點后對外供電，安保接觸器線圈回路受PLC主機單元控制，在電路異常時切斷電池組主電路。
[0027]電池管理系統在運行過程中，與PLC主機單元相連的顯示單元可以將電池組電壓、電流、溫度、SOC狀態等相關信息進行實時顯示。通信單元用于主控制器擴展通信功能，方便與外部設備交換數據。電池管理系統在每次工作過程(放電或充電)結束時，記錄并存儲電池組當前的狀態數據和工作時間數據，可用于系統狀態估算參數初始化的校驗。
[0028]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型披露的技術范圍內，根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:包括電池組、PLC主機單元、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、顯示單元和通信單元； 其中，所述PLC主機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、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極;所述溫度檢測電路連接在單體電池表面。2.根據權利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:所述電壓檢測電路中每個單體電池的正負極經高速光耦繼電器陣列連接到信號調理電路，再與AD模塊相連。3.根據權利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:所述均衡電路為電感儲能式，該均衡電路設置有與單體電池數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連接到電池組正負極，均衡變壓器原邊驅動電路連接在PLC主機單元。4.根據權利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:該電池管理系統還包括安全保護電路，所述安全保護電路連接在電池組主電路中，安全保護電路中電池組正極主電路依次與熔斷器、主開關和安保接觸器的主觸點連接對外供電，安保接觸器線圈回路連接至PLC主機單元，在電池組異常時切斷電池組主電路。5.根據權利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:所述的顯示單元根據PLC主機單元的數據顯示有關電池組或單體電池狀態信息包括電流、電壓、溫度、SOC。6.根據權利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:所述的熱管理系統包括冷卻風扇，由PLC主機單元根據其所采集的各單體電池溫度數據進行控制，冷卻風扇采用雙速控制，根據需要調節冷卻風量。7.根據權利要求1所述的一種基于PLC的鉛酸動力電池管理系統，其特征在于:所述的通信單元為PLC主機擴展單元，用于PLC主機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
【發明人】楊勇, 劉勇軍, 楊際峰, 陳海需, 高迎春
【申請人】黃淮學院