无线传感网络节点锂电池剩余电量估算方法.pdf

第 4 1卷 第 1期 2 0 1 5年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 41 NO ． 1 J a n．2 0 l 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 1 0 0 2 9 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 8 杨磊 ， 杨怿 ， 杨东勇 ， 等． 无线传感 网络节点锂电池剩余电量估算方法[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 1 2 9 3 2 ． 无线传感网络节点锂电池剩余电量估算方法 杨磊 ， 杨 怿 ， 杨 东勇 ， 顾 东袁 浙江 工业 大学 信 息工 程 学 院 ， 浙 江 杭 州 3 1 0 0 2 3 摘 要 针 对采 用锂 电池 电量检 测芯 片 D 2 7 8 6进行 剩 余 电量 估 算 存在 误 差 较 大 的 问题 ， 结 合 D S 2 7 8 6芯 片和 卡 尔曼滤算 法 ， 提 出 了一 种 面向无 线传 感 网络 节 点锂 电 池的 剩余 电量 估 算方 法 。该 方 法通 过 建 立 能表 征 锂 电池特性 的等效 电路 模 型 ， 将 芯 片 D S 2 7 8 6所 获 得 的锂 电池 两端 开路 电压 和放 电 电流 作 为卡 尔 曼滤 波 算 法的 输入参 数 ， 进行 精 确 的剩余 电量 估 算 。实验 结果表 明 ， 该 方法对 于锂 电池剩余 电量的 估计误 差 可维持 在 3 以 内， 且 算 法复 杂度低 ， 能满足 嵌入 式设 备 的应 用要 求 。 关键 词 无 线传 感 网络 ；锂 电池 ；剩余 电量 ；电量估 算 ； 卡 尔曼滤 波 中图分类 号 T D6 5 5 ． 3 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 卜 O 5 1 6 2 9 网络 出版 地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 1 0 5 ． 1 6 2 9 ． 0 0 8 ． h t ml Es t i m a t i o n m e t ho d no d e s o f s t a t e o f c h a r ge o f wi r e l e s s s e n s o r YANG Le i ， YAN G Yi ， Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Z h e j i a n g o f l i t h i u m b a t t e r y f o r n e t wo r k YANG Do ng yo ng． GU Do ng yu a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 3 ，C h i n a Abs t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m o f bi g e s t i ma t i o n e r r o r o f e s t i m a t i o n me t hod o f s t a t e o f c ha r g e us i ng l i t hi u m b a t t e r y d e t e c t i o n c hi p DS2 7 8 6，a n e s t i ma t i on m e t ho d o f l i t hi u m b a t t e r y f or n od e s i n wi r e l e s s s e ns o r ne t wor k wa s p r op os e d c o mbi n e d wi t h DS27 8 6 c hi p a nd Ka l ma n f i l t e r a l go r i t h m ．I n t h e m e t ho d，e qu i v a l e n t c i r c ui t mod e l whi c h c a n c h a r a c t e r i z e l i t h i um ba t t e r y wa s bui l t ，a nd t he op e n c i r c ui t v o l t a g e a nd di s c h a r ge c u r r e nt of l i t h i um b a t t e r y ob t a i n e d by t he c hi p DS2 7 8 6 we r e t a ke n a s i npu t pa r a me t e r s o f Ka l m a n f i l t e r a l go r i t h m t o a c c ur a t e l y e s t i ma t e t he s t a t e o f c h a r g e． Exp e r i m e nt a l r e s ul t s s ho w t ha t t he me t h od ha s e s t i ma t i o n e r r o r of s t a t e o f c h a r ge of l i t hi u m ba t t e r y l e s s t ha n 3 ，l o w c o m pu t a t i on a l c o mpl e x i t y，a nd c a n m e e t t he a pp l i c a t i o n r e qu i r e m e nt s of e mbe dd e d d e v i c e s． Ke y wo r d s wi r e l e s s s e ns o r ne t wor k；l i t hi u m ba t t e r y；s t a t e of c ha r ge；c a pa c i t y e s t i m a t i on；Ka l ma n f j l t e r 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 0 7 ； 修回 日期 2 0 1 4 1 I - 1 9 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 浙 江省大学生科技创新 活动计划 新苗人 才计划 项 目 2 0 1 2 R4 0 3 0 0 2 ； 浙江省公益技术应用研究项 目 2 0 1 2 C 2 1 0 6 2 。 作者简 介 杨磊 1 9 8 7 一 ， 男 ， 浙 江诸 暨人 ， 硕 士研究 生， 研究 方 向为无线传 感网络 ， E - ma i l z h s y 1 1 9 8 7 1 6 3 ． c o m。通讯 作者 顾东 袁 1 9 8 0 一 男 ， 浙 江海 宁人 ， 讲师 ， 主要 研究 方向为物联网、 嵌入 式系统等， E ma i l g d y z j u t ． e d u ． c n 。 的设计与实现[ D ] ． 青岛 山东科 技大学 ， 2 0 1 l _ [7 ] 李希建 ， 苏 恒 瑜． 基 于 S u p e r Ma p的瓦 斯预 测管 理 系 统设 计 与 开 发 [ J ] ． 煤 炭 科 学 技 术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 9 73 76 ． [ 8] 庞敏 ， 周荣福 ， 卢红 星 ， 等． 基 于组件式 GI S的瓦斯地 质图管理系统设 计 与开 发[ J ] ． 煤矿 安全 ， 2 0 0 8 1 O 2 1 2 4． [ 9] 闫兆振． 煤矿 瓦斯异 动预警系统的设计[ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 I I 1 - 3 ． 3 O 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 0 引言 无线 传感 网络 节点 电池 S OC S t a t e o f C h a r g e ， 剩余电量 估计 已成为制约无线传感网络发展 的重 要 因素 。在 电池 电量 固定 的前 提 下 ， 实 时 获取 电池 S o C， 从 而合 理利 用 传 感 器 网络 中各个 节 点 电池 的 S OC， 估 算 节点 的使 用 时 间变 得 至 关 重要 。S OC无 法 直 接 测 量 ， 锂 电 池 的 开 路 电 压 Op e n C i r c u i t Vo l t a g e ， OC V 与 S O C存 在 对 应 关 系 ， 在嵌 入式 设 备中往往采 用此 对应关 系来 估算 电池 的 S O C l 1 ] 。 但 锂 电 池 在使 用 中带 有 负 载 ， 很 难 得 到本 身 的 OC V， 所 以获得 的电量值 存在 较 大误差 。 国内外对传感器节点的 S OC研究较少 ， 目前已 有各种版本的无线传感 网络节点 ， 如 国外 B e r k e l e y 大 学 的 Mi c a节 点 、 T e l o节 点 、 Mo t e s 节 点 ， 国 内有 无 线龙 、 亿道 等公 司 开发 的无线 传感 网络 节点 等 ， 这 些节点都设有估算 S OC的功能[ 2 。 ] 。参考 文献 E 2 3 提出用四位半双积分型模数转换器 I C L 7 1 3 5 、 多路 模 拟开 关 C D 4 0 5 2 、 时 间控 制芯 片 DS 1 3 0 2和 电压 基 准芯片 MC 1 4 0 3及 相关外 围电路来获取传感 器节 点电池的 S OC。这种方案所用器件较多 ， 不适合在 体积较小的传感器节点上使用 。锂电池 电量检测芯 片 D S 2 7 8 6 结 合 开路 电压法 和 库伦 计 数 法来 估 算 锂 电池 的 S OC。在无线 传 感 网络 节 点 上 ， 静 态 电流 较 大 ， 导 致 D S 2 7 8 6检 测 时 锂 电池 一 直 处 于 非 空 闲状 态 ， 从 而一 直使 用 库 伦 计 数法 ， 最 终 使 S oC估 算 结 果误 差较 大 。 本文采用 D S 2 7 8 6芯 片和卡尔曼滤算法 ， 提 出 了一种面向无线传感网络节点锂 电池 的 S OC估算 方法 。在 s Oc初始值不准的情况下 ， 利用卡尔曼滤 算法 可 以较快 地 收敛 到真 实 值 ， 因而 较 适用 于 电池 S O C的动态估 计， 同时在计算量 、 存储量和实 时性 上均 能满 足嵌 入式 设备 的相 关要 求 。 1 电池等 效 电路模 型 的建 立 为了使用卡尔曼滤波算法进行 S OC估算 ， 必须 首先建立电池等效电路模 型， 从而得到离散化后的 状 态方 程 。该等 效模 型所 表征 的外特 性 与 电池 外 特 性 的一 致性 越好 ， 则 应 用 卡 尔 曼 滤 波算 法 估 计 得 就 越准确 。 ] 。同时考虑到嵌入式设备的计算能力、 资 源 有 限等实 际 问题 ， 需 保 证 选用 的模 型具 有 低 复 杂 度 、 易计 算 的特性 。 本 文选 用 的 电池 等效 电路 模 型如 图 1 所 示[ 8 ] 。 其 中 C 为锂 电池 的极 化 电容 ， C 为 锂 电 池 的 存 储 容量； R 和 R 分别为电池的极化 内阻和欧姆 电阻； 和 工 分 别 为 电 池 的端 电压 和 端 电 流 ； V 为 电容 C 两端的电压 ， V 为锂 电池的 OC V值 。 图 1 电池等效 电路模 型 假定 电流 流人 电池 正 极 方 向 为正 ， 则 图 1所 示 的等效电路模型可用如下方程表示 V2一 1 L／2 一 一 一 十 2 V。一 V2 V1 I R 2 3 由于 电池 两 端 的 OC V 和 S OC存 在 对 应 关 系 ， 将 曲线 看 作 分 段 线 性 的 ， 则 每 段 曲线 可 用 式 4 定 义 V2一 kS oe d 4 式 中 系 数 k和 d 随 S OC和 温 度 变化 ， 且 不 为零 ； S o c为 电池 S 0C值 。 整 理式 1 一 式 4 得 到最 终 的系统 方程 厂S o c ] j 一 5 Vo k S o c V1 I R 2 d 6 2 基 于卡 尔曼 滤波 算法 的 S O C估 计 卡尔 曼 滤 波器 采 用 了 一种 最 优 化 、 自回归 的数 据处理算法 ， 其核心思想是对动态系统的状态作 出 最小方 差 意义 上 的最优估 计 。它 以“ 预测 一实测 一 修 正” 的顺序 递 推 ， 根 据 系统 的量 测 值 来 消 除 随 机 干 扰 ， 再 现 系统 的状态 。 式 5 和式 6 所建立的等效 电路模型是非线性 的 ， 为 了利用 卡尔曼 滤 波算法 ， 需 要进 一 步将其 线性 化 。定义系统的状态变量为 一S o c ， 3 2 。 一V ， 输出 变 量为 一I ， YV 。 ， 则式 5 和式 6 可 变换 为 f x， W 7 Y g x， 8 r 3 2 1 式中 x l l ； y x ， 和 g x ， “ 为连续时变函数， 去 2 0 1 5年第 1期 杨磊等 无线传感网络节点锂电池剩余电量估算方法 3 1 ， X， “ 一 过读取 DS 2 7 8 6芯片中的寄存器即可获取锂电池放 ，g ， 一 k z z 电 电流 和锂 电池 包 两 端 电压 。D S 2 7 8 6芯 片外 围 电 路 如 图 2 所 示 。 R “ d， 一1 ， 2 ， ⋯ ； 叫 为过 程 噪声 变 量 ， 为 观测 噪 声 变 量 ， 其用 协方 差 矩 阵 表 示 的 零 均值 的 高斯 噪声 过程 为 R 和 Q 。 对 f x， “ 和 g x ， 进 行一 阶泰 勒展 开 离 散化 后 ， 电池 等效 电路模 型可 表示 为线 性 方程 z抖1一 Ad z Bd 9 Y l C z Dd 1 0 热 一 一 [ 1 一 r 忌1 ]； Dd R 。 通 过 所 建 立 的 线性 电池 等 效 电路 模 型 方 程 ， 采 用卡尔曼滤 波算法对 电池进行 S OC估 计 ， 其 步骤 如下 1 首 先 进 行 初 始 化 ， 节 点 上 电后 ， 立 即读 取 DS 2 7 8 6芯片获得 的电池两端电压 ， 根据该电压查找 对应 的初 始 电池 S OC， 作 为 前 一 时刻 的状 态 值 ， 根 据该 状 态值估 算 当前 的状 态 变量值 。在初 始化 完成 后 ， 算 法 进人 步骤 2 一 步骤 5 的循 环迭代 过 程 。 2 进 行 状态 变量 预测 ， 根 据 状 态方 程 ， 将 系 统 状 态变 量从 k 一1时刻更 新 至 k时刻 X ／ 一 1一 f x 一 l ／ 一 1 ， 一 1 1 1 3 预测 估计 方差 P ／ 一 1一 Ad P卜1 ／ 卜1 A R 1 2 4 根据 方 差计 算卡 尔曼 增益 L 女一 P ／ [ P叭一 1 Q ] 1 3 5 根 据 卡 尔 曼 增 益 更 新 状 态 变 量 电池 S OC 和 OCV ／ 一 ／ 一 1 L [ 一 g ／ 一 1 ， I ] 1 4 6 更 新估 计 方差 P 一 E L Cd P 一 1 1 5 式 中 E 为期 望 函数 。 按照上述步骤 ， 算法将会输出 k时刻 的 S OC估 计 ， 同时又 将进 入下 次 迭代 过程 。 3 S O C检 测 电路设 计 基于卡尔曼滤波算法 的 S OC估计方法初始化 时需 获取 电池 输 出 电 流 和 电压 值 ， 这 里选 用 体 积 较 小 的 电量 检 测 芯 片 D S 2 7 8 6芯 片 来 获 取 电流 和 电 压 ， 采用 C C 2 5 3 0作为无线传感 网络节点的处理器。 D S 2 7 8 6芯片采用 I 。 C接 口与处理器通信 ， 处理器通 S1 X - - - ．O ．3 V Rt 5 l k Q 图 2 DS 2 7 8 6芯 片 外 围电 路 DS 2 7 8 6芯片使用 1 2位 AD转换模块获取电池 包 的电压 ， 使用 1 5 mQ 的检流 电 阻获 取 电池 放 电 电 流 ， 同时 芯片 中的 E E P RO M 中存 在锂 电池 O C V 和 S O C的查 找表 。 4电池 S OC估 计的 实现 根据 S OC检测 电路 设 计 的 检 测 装 置 由 自行设 计 的 C C 2 5 3 0传感 节 点 、 节 点 电池板 和 2 0 0 0 mA 锂 电池组成 。 电池 板 同 时具 备 充 电功 能 ， 可 外 接 多 种 传感 器 。设 实验 温度 为 2 1℃ ， 设 置 C C 2 5 3 0的功 率 寄存器的值为最大值 ， 无线传感网络节点发送数据 和开启 电池板上 的传感器时 ， 实际测得的发送 电流 消耗 为 2 0 0 mA， 节 点 空 闲 时 测 得 的 电 流 消 耗 为 1 6 mA。在该 场 景 下 锂 电 池 的 放 电 曲 线 如 图 3 所示 。 O 一 5 0 {一 1 0 o 嚣一 15 0 2 oo - 25 0 U I uu Z 【 J ju U 4 0 0 ， uu O u u 时 间／ mi n 图 3锂电池放 电电流 曲线 初始时， 使用 D S 2 7 8 6芯 片获取节点所用锂 电 池 的放 电电流 和 电池 正 负 两 端 的 电压 ， 将 所 获 取 的 值作为卡尔曼滤波算法的输入参数。 Ka l ma n滤 波 算 法 中协 方 差 的 初 始 值 为 P一 厂 3 0 0 ] 厂 O 0 o ] l 0 3 0 l ， R 一 l 0 0 ． 4 5 0 l ， Q 一4 ； 锂电 L 0 0 3 J L 0 0 0 ． 8 j 池等 效 模 型 的参 数 值 为 C 。 一 l l 2 6 0 ． 4 F， C 一 一 }； l 3 2 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 25 ． 31 F， R2 0 ．1 27 4 Q ， R1 0 ．1 5 4 5 Q 。 完 成 初 始化 后 ， 根 据 卡尔 曼 滤 波算 法 对 节 点 的 锂 电池 进行 S OC估 计并 记 录每次 的采 样点 ， 同时 通 过节点 的 串 口发 送 到 P C进 行保 存 。实验 中对 节 点 所 携带 的锂 电池进 行 了多 次 放 电 ， 随 机 抽取 2次放 电 时 O C V 和 S OC的数 据 ， 用 Ma t l a b进 行拟合 后 得 到如 图 4 所 示 的 O C V S 0 C 曲线 ， 图 中参 考 曲 线 为 DS 2 7 8 6 芯 片 的 E E P R OM 所 存 储 的 曲 线 。该 曲 线 为锂 电池 通用放 电曲线 ， 共 有 8个点 ， 采 用线性 分 段 拟合而成 ， 适用于单节锂电池 。 分别将 2次的放 电曲 线与 参考 曲线 进行 均方差 计算 后得 到如 图 5所示 的 结果 。由图 5可知 ， 2次 的实验误 差 可控制 在 3 之 内 。假设 以 2 0 0 0 mA h的 锂 电池 为标 准 ， 其 估计 的 S O C误 差 为 6 0 mA h ， 若 无 线 传 感 器 节 点 以 1 0 0 mA 的放电电流工作 ， 则其判断节点锂 电池电 量是否耗尽的误差将不会超过 3 6 rai n ， 这足 以满足 传感器节点对 电池 S O C估计的要求。因为在 同等 2 0 0 0 mA h电量 的情 况 下 ， 传 感 器节 点 往 往 可 持 续 工 作 长 达 1 a 。 同时 该 方 法 也 远 远 好 于 DS 2 7 8 6 芯 片 内置 的 S O C估计 。 j 1}Ij r 参考曲 线 ／ 0 20 4 o 印 8 0 1 0 0 剩余电量／ ％ 图 4 电池 放电曲线对比结果 一 一 误差 1 ， ■ ／ i l ．一 误差 ； 图 5 电池放电曲线误差对 比结果 5 结语 结合 DS 2 7 8 6芯 片 和卡 尔 曼 滤算 法 ， 提 出 了 一 种面向无线传感 网络节点锂 电池 的 S O C估算方 法 。该方 法克 服 了 DS 2 7 8 6芯 片 在传 感 网络 中 获取 电量的缺 陷， 使用卡尔曼滤波算法不断修正所估算 的电池 S OC， 估计误 差 低 。该 方 法 同样 也 适 用 于其 他嵌 入式 设 备 。 参考文献 [ 1 ] 张利 ， 朱雅俊 ， 刘征字． 锂离子 电池 S O C与模型参 数联 合估算研 究 I- J ] ． 电子 测量 与仪 器学 报 ， 2 0 1 2 ，2 6 4 32 0 3 24 ． [ 2 ] 唐慧强 ， 李 超．基于 C C 2 5 3 0的锂 电池 电量检 测 系统 的设计 [ J ] ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 1 ， 3 8 3 3 5 0 3 5 3 ． [ 3 3 李永成 ，凌青 ，石春 ， 等 ．无 线传 感器 网络节 点 的 电 压监 测[ J ] ．传感器与微系统 ， 2 0 1 2 ， 3 1 6 1 4 0 1 4 2 ． [ 4 ] 何磊 ， 宗长 富，赵洪辉 ， 等．基于扩展卡尔曼滤 波的 电 动 汽 车 电 池 状 态 估 计 [ C] ／ ／ T h e 3 r d I n t e r n a t i o n a l Con f e r e n c e o n Powe r El e c t r o ni c s a nd I n t e l l i g e nt Tr a ns p or t a t i o n Sy s t e m ，She n z he n， 2 01 0． [ 5 ] E l NHOR N M，C ONT E F V，KR AL c，e t a 1 ．A me t h o d f o r o n l i n e c a p a c i t y e s t i ma t i o n o f l i t h i u m i o n b a t t e r y c e l l s us i n g t he s t a t e of c ha r ge a n d t h e t r a n s f e r r e d c h a r g e [ c ] ／ ／ I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n S u s t a i n a b l e En e r g y Te c h n o l o g i e s ，Ka n d y ，2 0 1 0 ． E 6 ] P L E T T G L ．E x t e n d e d K a l ma n f i l t e r i n g f o r b a t t e r y ma n ag e me nt s ys t e ms o f Li PB- ba s e d HEV b a t t e r y p a c k s P a r t 2 ．Mo d e l i n g a n d i d e n t i f i c a t i 0 n [ J ] ． J o u r n a l o f Po we r S o u r c e s ，2 0 0 4 ， 1 3 4 2 2 6 2 2 7 6 ． r 7 ] VERB RUGGE M W ，CONELL R S ．El e c t r o c h e mi c a l a n d t he r ma l c ha r a c t e r i z a t i on o f ba t t e r y modu l e s c o mme n s u r a t e wi t h e l e c t r i c v e h i c l e i n t e g r a t i o n[ J ] ． J o u r n a l o f t h e El e c t r o c h e mi c a l S o c i e t y，2 0 0 2，1 4 9 1 45 5 3． [ 8 ] Z HAN G F e i ， L I U Gu a n g j u n ，F AN G L i j i n ．A b a t t e r y s t a t e o f c h a r g e e s t i ma t i o n me t h o d wi t h e x t e n d e d Ka l ma n f i l t e r [ C ] ／ ／ I E E E ／ A S ME I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ad v a n c e d I n t e l l i g e n t M e c h a t r o n i c s ， Xi a n。2 00 8 1 008 1 01 3． ＼ 田