本实用新型专利技术提供了一种基于FPGA的锂离子电池SOC估计设备，包括锂离子电池、充放电设备、接线端、FPGA板卡、上位机、报警电路、一分二串口线和信号线，充放电设备通过接线端与锂离子电池相连接，充放电设备通过一分二串口线的左端与FPGA板卡相连，上位机通过一分二串口线的右端与FPGA板卡相连，FPGA板卡通过信号线与报警电路相连，FPGA板卡为Altera公司的型号为DE2-70的FPGA板卡，其中包括UART通信电路。本实用新型专利技术采用FPGA估计电池的SOC，解决了现有电池管理系统所使用的处理器在估计SOC时存在内存小、运行速度慢的问题；提出的快速矩阵运算法降低了多维矩阵运算的复杂度，减少了系统在进行矩阵运算时的存储次数和计算次数，具有运行速度快、节约资源的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电动汽车动力电池
，具体涉及一种基于FPGA的锂离子电池 S0C估计方法及估计设备。
技术介绍
对于电动汽车电池管理系统（BatteryManagementSystem，简称BMS)而言，实时、 高效、准确地估计出电池的荷电状态（StateofCharge，简称S0C)至关重要，可以从S0C估 计算法和处理器结构两方面进行改进。 针对锂离子电池的非线性模型，运用扩展卡尔曼滤波（ExtendedKalmanFilter， 简称EKF)算法可以准确地估计出电池的S0C值。该方法不仅可以克服安时法无法确定SOC 初值、累计误差大的问题，还能解决开路电压法不能在线估计S0C的问题。然而，扩展卡尔 曼滤波算法（EKF)存在大量的多维矩阵加、减、乘法运算，运算过程复杂，占用内存较大，并 且现有的单片机等处理器已无法满足系统对运行速度和内存的要求。 现有的电池管理系统中的处理器大多以单片机、ARM或DSP为核心。单片机采用分 布式结构，其内存小、处理速度慢、计算能力差，导致电池管理系统的效率低，可靠性差。ARM 和DSP较单片机在内存和计算速度方面有所改善，但是其本质还是基于指令的串行执行方 式，在处理速度的提高上仍有限制。在实际应用中，为了减小处理器的压力，也常常采用多 片单片机、ARM或DSP相结合，组成主控制器和从控制器的方式来实现电池管理系统不同部 分的工作，然而这些方法造成了调试困难和系统的分割，降低了系统的稳定性。 现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,简称FPGA)作为一种内部 硬件结构可编程的信号处理器件，具有灵活且可配置、执行速度快、工作性能稳定可靠、存 储容量大等优点。此外，Altera和Xilinx公司还提出将软核处理器嵌入到FPGA的可编程 逻辑器件中，不仅能在软核中方便地实现算法，而且通过总线实现了微处理器和逻辑器件 的通信。基于这些优点，FPGA适合实现大型和复杂的算法，能满足S0C估计算法对硬件的 需求。
技术实现思路
本专利技术克服了现有电池管理系统中所用的处理器在完成含有多维矩阵运算的复 杂算法时存在内存小、运行速度慢，内存和时钟资源消耗大的问题，提供了一种基于FPGA 的锂离子电池S0C估计方法和估计设备。 为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的： -种基于FPGA的锂离子电池S0C估计方法，其特征在于步骤如下： 第一步、建立锂离子电池的二阶等效电路模型： 锂离子电池模型采用二阶RC等效电路模型，其离散化的状态方程和输出方程为： L 」L^J VD (k) =Voc(SOC(k)) -vs (k) -vd (k)-Ri?I(k) (2) 其中，选择电池内部的荷电状态SOC、极化电压1和Vd作为状态变量，则在k时 亥lj，x(k) = T;TS=RS*CS，Td=Rd ?(：<!，Rs、Rd是电池的极化内阻， Cs、Cd是电池的极化电容；Ri是电池的欧姆内阻；T是采样间隔时间；QN为电池额定容量； V。。(SOC(k))为k时刻电池的开路电压，VD (k)为k时刻电池的端电压，I(k)为k时刻电池 的充放电电流； 引入过程噪声w(k)和测量噪声v(k)，式（1)、（2)可表示为 x(k+1) =A?x(k)+B?I(k)+w(k) (3) y(k) =VD (k)+v(k) =C?x(k)+v(k) (4) 其中，w(k)和v(k)是互不相关的零均值高斯白噪声;y(k)表示实际测量的电池端 电压； 系数矩阵 第二步、结合二阶等效电路模型，建立基于EKF的S0C估计算法 结合式（3)、式（4)和第一步中的锂离子电池二阶等效电路模型，建立基于EKF的 S0C估计算法估计电池的S0C，具体为： ⑴初始化 k= 0时确定过程噪声的方差Q=E、测量噪声的方差R= e、初始状态估计值i(o)、初始状态的协方差p(o)=￡[(.q0；M(o))cM0)-琍)作 (2)滚动更新 在k= 0,1，2…时刻， 状态预测：F(>+1)二 ⑷+S./⑷ （5) 协方差预测：P_(k+l) =A?P(k) ?At+Q(6) 卡尔曼增益：L(k+1) =P_(k+1) ?C(k)T ? -1 (7) 状态更新：i("= (々 +l) +L(" +l). (8) 协方差更新：P(k+1) = ?P_(k+1) (9) 本步骤过程（2)中的公式（5)至公式（9)循环迭代，所要求解的S0C值为+ 的状态之一，分离.〖(々+：〇的状态量即可得到滚动更新的锂电池soc值； 第三步、分析快速矩阵运算法的原理，并把第二步中的EKF算法进行快速矩阵运 算分解，其过程为： (1)快速矩阵运算法原理 设矩阵A、B、C和D分别满足贝1J(10) 1 所以，任意维数的矩阵多项式运算可表示为： _〇miome 〇mn _ 把式（10)、（11)带入式（12)中，得到快速矩阵运算法的分解式为： 快速矩阵运算法只需要按式（13)计算矩阵GmXnR各元素即可； (2)EKF算法分解 按照快速矩阵运算法可将EKF算法中式（5)至式（9)按式（13)进行分解，其过程 如下： 1)分解状态预测值 其中，h=yk+1_VD(k+l); 5)分解协方差矩阵更新值 协方差矩阵更新值式（9)的分解式为： 最终，在FPGA中实现EKF算法时，只需要计算出分解式（14)至式（18)即可； 第四步、给锂离子电池充放电，同时采集其电压和电流数据： 第一步至第三步完成以后，在充放电设备中设置锂离子电池的充放电电流工况， 开始为电池进行充放电，并将该工况下采集到的电压y(k)和电流I(k)的数据通过UART传 输给FPGA板卡； 第五步、建立UART通信，读取第四步中的电压电流数据，并传输第六步输出的S0C 值： 在FPGA中建立UART数据通信协议，一方面为第六步中的S0C估计器传送第四步 中输出的电压y(k)和电流I(k)的数据，另一方面将第六步中所实时估计的S0C值传输给 上位机显示； 第六步、按第四步的EKF分解算法在FPGA中建立S0C估计器，把第五步中的电压 电流数据作为输入，估计出锂离子电池的S0C: 建立S0C估计器，嵌入到FPGA中，并将第三步中的EKF算法分解式（14)至式（18) 在该估计器中实现，然后实时读取第四步中的电压y(k)和电流I(k)的数据，估计出电池的S0C值，并在S0C值超出设定的安全范围时由FPGA的I/O口向报警电路发送报警信号； 第七步、上位机监测与报警提示： 上位机接收第六步所传来的S0C值，并实时显示出S0C的变化曲线，同时第六步若 发出报警信号，报警电路报警提示驾驶员。 -种基于FPGA的锂离子电池S0C估计设备，其特征在于，包括锂离子电池、充放电 设备、接线端、FPGA板卡、上位机、报警电路、一分二串口线，信号线，充放电设备通过接线端 与锂离子电池相连接，充放电设备通过一分二串口线的左端与FPGA板卡相连，上位机通过 一分二串口线的右端与FPGA板卡相连，FPGA板卡通过信号线与报警电路相连，FPGA板卡为 Altera公司的型号为DE2-70的FPGA板卡，其中包括UART通信电路。 与现有技术相比本专利技术的有益本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于FPGA的锂离子电池SOC估计设备，其特征在于，包括锂离子电池(1)、充放电设备(2)、接线端(3)、FPGA板卡(4)、上位机(5)、报警电路(6)、一分二串口线(7)和信号线(8)，充放电设备(2)通过接线端(3)与锂离子电池(1)相连接，充放电设备(2)通过一分二串口线(7)的左端与FPGA板卡(4)相连，上位机(5)通过一分二串口线(7)的右端与FPGA板卡(4)相连，FPGA板卡(4)通过信号线(8)与报警电路(6)相连，FPGA板卡(4)为Altera公司的型号为DE2‑70的FPGA板卡，其中包括UART通信电路。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马彦，何鹏才，王留，周秀文，孙延帅，茹敬佩，李炳思，殷明月，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22
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