基于Kalman濾波的鋰電池組數據采集系統

劉金枝，　楊　鵬，　苑　倩，　張軍偉(.河北工業大學控制科學與工程學院，天津30030；.天津惠普數據中心設計工程有限公司，天津300384)

基于Kalman濾波的鋰電池組數據采集系統

劉金枝1，楊鵬1，苑倩1，張軍偉2
(1.河北工業大學控制科學與工程學院，天津300130；2.天津惠普數據中心設計工程有限公司，天津300384)

針對電池使用環境的復雜多樣給信息采集造成眾多干擾這一情況，設計了一種基于Kalman濾波的電池組信息采集系統。Kalman濾波是一種最優化遞歸數據處理方法，具有計算量小、存儲量低、實時性高的特點。系統采用電池監測芯片LTC6802采集單體電壓值并均衡，PIC18F45K80為主控芯片，運用Kalman濾波對電壓、電流、溫度信號進行處理后，通過CAN總線進行傳輸。對系統的整體結構和工作原理進行了介紹，并給出了具體的硬件和軟件設計方案。

Kalman濾波；鋰電池組；LTC6802；采集系統

鋰電池具有能量密度高、無記憶等優點，但是在電池的安全、經濟、便捷方面還存在著各種問題，因此對鋰電池的信息采集必不可缺。本文開發了一套鋰電池組信息采集系統，采用電池監測芯片 LTC6802，避免了采集電路復雜化，以PIC18F45K80為主控芯片?？紤]到復雜工作環境對采集信息的干擾，本文應用Kalman濾波算法對鋰電池組電流、單體電壓、溫度信息進行處理，通過Kalman濾波算法最小均方誤差準則，保證信息準確性，避免電池組過充過放過流，記錄電池運行狀態，并通過CAN與外部電路通訊。

1 電池數據采集設計

1.1工作結構

本文研究的鋰電池組信息采集系統能夠測一組12節電池串聯的電池組的單體電壓，通過 SPI口與主控芯片PIC18F45K80進行通訊，同時還對單體電池進行溫度和電流采集，將采集值和系統設定值比較，當超過設定值后進行報警，并通過控制開關的通斷對故障單體電池處理，并且將故障電池序號及故障值存進SD卡，為電池運行狀態分析提供參考，同時通過CAN總線與顯示裝置進行通訊，并可在外部電路對設定值進行手動修改，如圖1所示。

圖1　系統原理

1.2硬件設計

電壓采集和均衡單元以LTC6802為基礎。LTC6802是一款完整的帶12位數模轉換、精確電壓參考、高壓多路輸入和串行接口的電壓檢測芯片，一塊LTC6802最多可以檢測總電壓不超過60 V的12節電池，最少檢測總電壓不小于10 V的4塊電池，這時芯片的剩余8個引腳需要與第4塊電池的正極短接，以保證芯片完整的電氣功能和測量精度，而對于電池數量多于12節的電池組，多片LTC6802能夠在沒有光耦或隔離器的情況下，通過特殊電平移動串口直接串聯起來監測鏈狀電池組中每一節電池的電壓，并保證所有電池堆棧里的電池電壓在13 ms內得到測量。MCU可以通過SPI總線從LTC6802獲取信息，并通過向LTC6802寄存器內寫值和控制開關完成對電池的被動均衡。為保證電壓采集的精準性，在每個采集引腳加上低通濾波電路，有效濾除高頻干擾；為保護電壓采集引腳，在每個電池采集輸入端口并聯一個6.2 V的穩壓管，防止電壓過高損害芯片；為保證信息傳遞的準確性，在SPI總線接口處連接數字隔離電路，防止傳送過程的干擾。電壓采集電路如圖2所示。

溫度采集單元采用TTC溫度傳感器，對每一節電池溫度進行檢測，由于電池數量多，故采用多路開關CD4051，MCU控制A、B、C三根地址線和INH使能端對每一節電池依次接通測量，所有電池共用一條檢測電路，測量結果由A/D通道RA1送入MCU。電流采集單元采用霍爾傳感器HXS50-NP，正負電流均可測，并可通過不同引腳的連接，完成不同范圍電流的檢測，且直接將電流信號轉變為電壓信號送進MCU的A/D通道RA0。CAN通訊單元由CAN總線控制器SJA1000、高速光耦6N137和CAN總線驅動器82C250。MCU對SJA1000初始化，通過控制SJA1000實現數據的接收和發送。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，防止線路間串擾，SJA1000的TX0和RX0通過高速光耦6N137后再與82C250相連，MCU的RD口與SJA1000的AD0～AD7相連，RB口與SJA1000的其他控制引腳相連。SD卡有SD和SPI兩種通訊模式。選用SD模式時需選用帶SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫，但是PIC18F45K80沒有集成此接口，因此采用SPI模式，由MCU 的I/O接口模擬SPI總線時序，只需4根線便完成所有數據交換。SD卡中存儲的是電池運行過程中的故障記錄，為替換電池提供依據。MCU的RB口控制報警裝置和大功率開關，當電池出現過充過流過放過熱的情況時，斷開充放電回路并進行報警，保護電池免受損害，保證使用的安全性和經濟性。

圖2　電壓采集電路

1.3軟件設計

對于LTC6802的通訊SPI總線，這是一種可同步收發的總線，MCU作為主設備，為從設備LTC6802提供時鐘，根據兩設備的時序圖，將從設備的時鐘極性和時鐘相位配置成與主設備相匹配的值，當片選使能后，即可進行通訊[1]。同時MCU 的I/O口也可模擬SPI時序與SD卡座進行通訊，此時則需要在每一次接發數據前都發送時鐘信號，并有相應時段的延時。CAN通訊主要軟件設計為CAN控制器SJA1000初始化設置，報文接受和報文發送。CAN控制器一般經過硬件復位和軟件配置后正常工作，通常在復位模式下進行初始化，包括工作方式設定、接收濾波方式設定、寄存器設置等，完成初始化設置后，便可進行正常通訊。軟件流程如圖3所示。

圖3　軟件流程

2 Kalman濾波算法

本文所設計的電池組采集系統一般應用于電動輪椅、電動汽車以及一些復雜的工作環境中，采集的電壓、電流和溫度值不可避免地受到來自外界的各種干擾，為保證信息的準確性，在采取硬件抗干擾的同時也在軟件上采用上述Kalman算法對采集到的信息進行處理。

Kalman濾波算法可以用一個線性微分方程來描述[2]。

式中：X(k)為k時刻的系統狀態；U(k)為k時刻系統的控制量；A和B為系統參數，多模型系統時為矩陣；Z(k)為k時刻的觀測值；H為觀測參數，多個觀測參數時為矩陣；W(k)和V(k)分別表示系統噪聲和段策噪聲，在卡爾曼中認為噪聲滿足高斯白噪聲模型，設定W(k)和V(k)的covariance分別為Q和R。

首先預測現在的狀態：

式中：X(k/k－1)為系統狀態在k時刻利用k－1時刻狀態預測的結果，X(k－1/k－1)為系統狀態在k－1時刻的最優預測值。經式(3)后還要進行對應于X(k/k－1)的covariance的更新，用P表示。

完成對系統預測，接下來要根據觀測值對系統狀態進行新的預測，也就是最優的預測。

為了實現遞歸，每次的權值Kg(也稱卡爾曼增益)是不斷更新的[3]。

式(1)～式(7)便是卡爾曼算法的核心公式，通過卡爾曼增益權值的遞推更新，達到均方誤差最小的目的，完成對系統最優處理[4]。

3 測量結果分析

對系統采集的數據按式(8)進行卡爾曼濾波以電壓值為例。

對于單體電壓值，在沒進行卡爾曼濾波時采集到的信息值如表1所示，可看出最大誤差為0.22％。

經過卡爾曼濾波后的結果對未經處理的信息值進行了修正，表2為各單體電池電壓經卡爾曼濾波處理后的值，可看出最大誤差為0.12％，更接近真實值。

?????????????? ???/V 　3.969 0 　3.919 5 　3.919 5 　3.949 5 　3.855 0 　3.784 5 　3.580 5 　3.754 5 ? ? ? /V 　3 .9 6 2 6 　3 .9 1 1 8 　3 .9 1 1 9 　3 . 94 2 5 　3 . 8 46 7 　3. 7 7 6 9 　3 .5 7 2 8 　3 .7 4 7 5 ? ? ? / m V 　6 . 4 　7. 7 　7. 6 　7 .0 　8 .3 　7 .6 　7 .7 　7 . 0

?????????????????? ???/V 　3.969 0 　3.919 5 　3.919 5 　3.949 5 　3.855 0 　3.784 5 　3.580 5 　3.754 5 ? ? ? /V 　3 .9 6 4 6 　3 .9 1 5 0 　3 .9 1 5 3 　3 . 94 5 1 　3 . 8 50 7 　3. 7 8 0 1 　3 .5 7 6 2 　3 .7 5 0 0 ? ? ? / m V 　4 . 4 　4. 5 　4 .2 　4 .4 　4 .3 　4 .4 　4 .3 　4 . 5

在20℃時，對電池進行1 A恒流放電時電壓的采集。圖4為單體電池電壓值卡爾曼濾波前后對比，圖5為電池組總電壓值卡爾曼濾波前后對比(8節電池串聯)。

圖4　　單體電池電壓值卡爾曼濾波前后對比

4 結束語

本文設計的鋰電池組信息采集系統，經驗證測量誤差小，精度準，能夠有效保護電池，避免過充、過放現象出現，延長電池使用壽命，同時為電池剩余容量的估算提供準確的信息來源，有簡單明了的顯示界面，系統穩定可靠，能夠在日常生活和生產中廣泛使用。

圖5　　電池組總電壓值卡爾曼濾波前后對比(8節電池串聯)

[1]盧居霄，黃文華，陳全世．電動汽車電池管理系統的多路電壓采集電路設計[J].電源技術，2006(5)：103-106．

[2]黨宏社，韓崇昭，段戰勝.基于多卡爾曼濾波器的自適應傳感器融合[J].系統工程與電子技術，2004，5(26)：311-313.

[3]戴海峰，孫澤昌，魏學哲.利用雙卡爾曼濾波算法估計電動汽車用鋰離子動力電池的內部狀態[J].機械工程學報，2009，45 (6)：95-101.

[4]李相哲，蘇芳，林道勇.電動汽車動力電源系統[M].北京：化學工業出版社，2011.

Data acquisition system of lithium-ion batteries based on Kalman filter

LIU Jin-zhi1,YANG Peng1,YUAN Qian1,ZHANG Jun-wei2
(1.School of Control Science and Engineer,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Tianjin Hewlett-Parkard Critical Facilities Design,Engineering and Construction Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)

A monitor system of lithium-ion batteries based on Kalman Filter was designed for numerous interference of data collected in complex and diverse environment.Kalman Filter was an optimal recursive data processing algorithm with small amount of calculation,low amount of storage and high real-time features.The battery monitor chip LTC6802 was used by the system to acquire data,and PIC18F45K80 was used as the main chip,dealing voltage datas,current datas and temperature datas by Kalman Filter,then transmission through a CAN(Controller Area Network)bus.The working principle and integral structure were introduced,and the specific hardware and software design were given.

Kalman filter;lithium batteries;LTC6802;acquisition system

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0070-03

2015-06-13

劉金枝(1988—)，女，河北省人，博士，主要研究方向為計算機控制與工程應用。