TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 4, April 2013, pp. 2247 ~22 5 2   ISSN: 2302-4 046           2247      Re cei v ed  De cem ber 8, 20 12; Re vised  Ma rch 1, 201 3; Acce pted  March 9, 201 The Electric Vehicle Lit h ium Battery Monitoring System        Lei Lin 1 , Yua n kai Liu* 2 , Wang Ping 3 , Fang Hon g 4   1 School of  Ele c tric and Infor m ation En gi ne erin of Che n g du Un iversit y , Che ngd u 61 01 06, Chi n a   2 School of Aut o matio n  Eng i n eeri ng of Univ e r sit y  of  Electro n ic Scie nce a n d  T e chnolo g y   of Chin a, Che n gdu  611 73 1, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : liu yu anka i 0 3 03@ 126.com       A b st r a ct  W i th the  glo bal  incre a se  in  th e n u m ber  of v ehi cl es, e n viro nmenta l  pr otec tion  and  e nerg y  issu e s   had bec ome  i n creasi ngly pro m i n e n t.  Peop le   pai d more an more  attenti on to the  el ectric vehic l as th e   future d i rectio n  of the  ve hicl e, but  beca u se  the  batte ry tec h nol ogy w a s r e l a tively  backw a r d, it h ad  bec o m e   the bottle neck  in the d e vel o pment of  el ectric vehic l es. S o  in the  ex isti ng con d iti ons,  a perfect batt e ry  Monitori ng tec hno logy  ha beco m e more  and  mor e  i m p o rtant. T h i s  pap er firstly analy z e d  t h e   character i stics  of lithi u m  batte ry resid ual c a p a city an effec t  factors, then  put forw ard to  a set of sol u tio n s   according to the actual sit uation. The solution of th lithium battery M o nitoring  system  adopted distribut ed  structure, incl udi ng d e tectio n of  volta ge,  current, temperatur e an me asur e m ent  mo dul e a n d  the   reali z a t io n of mono mer  b a ttery   eq ual i z e r  mod u le. Usin g a  si ngl b u s dev ic DS 24 38 pro d u ced   by   DAL L AS  on the battery  voltage, current, tem per ature,  power and ot her paramete r s , the system   controlled DS2438  by the ST C8 9C5 2  sing le-c hip i n  data a c quisiti on.  T h en it used th e alg o rith m to pred ict state of  charg e (SOC) and d i spl a ye d  the battery status in the  L CD16 02. T h is  solutio n  of the lithi u m  bat tery  Monitori ng syst em  w a s reli abl e, econo my, strong a n ti-int erferenc e abi lity.    Ke y w ords : ele c tric vehicl e, lithiu m  b a ttery, battery mo nitor, SOC, equil i brat ion     Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  In con s ide r ati on of larg e current of lithium  battery in  quick ch arge , rapid di scha rge [1],  vibration, extrusio n an d oth e r he avy con d itions, it  ma y cau s e a fi re , explosio n safety acci den t. It  is difficult to  meet the  req u irem ents of  "low  co st, hi gh volum e  a nd hig h   se cu rity". For the s probl em s, this pa per  d e votes p o wer ele c tr oni c techn o logy,  singl e-chip  microcomp u ter  techn o logy, intelligent control, opti m al algorith m  and ele c tro c he mical  scie n ce to the   developm ent of high intelli gent ele c tri c  vehicle lit hiu m  battery en ergy monito ri ng syste m  [2], it  can u s battery ene rgy m o re effici ently in compl e x environ ment.  It not only can do e n sure  the  safe and  reli able ope ratio n , but can gi ve full play to the life of the battery a nd cha r gi ng and   discharging ability. So the resear ch  of battery monitori ng  system   has pl ayed m o re  and more key   role in th e gene rali zatio n  of the el ectri c   vehi cl e market a nd improve m ents of ve hicle  performanc e  [3].       2. Design of  the Electric Vehi cle Ba tter y  Monitoring Sy stem  Electri c  vehicl e battery mon i toring sy ste m   inc l udes  the following s e veral parts  [4-6].    2.1. Data  Col l ection   Colle ction  of  each b a ttery  cha r a c teri stic param ete r s:  terminal  volta ge, battery' s   surfa c e   temperature,  cha r ge a nd di scharge curre n t and total voltage.     2.2. Electrica l Control   Cha r ge a nd d i scharge cont rol, balan ce   charg e  and di scha rge te chn o logy.    2.3. Data  Co mmunicatio The examin ation of lithium battery  dynamic param eters and displ a y, data   comm uni cati on  with oth e r  mo dule s , e s tabli s co m m unication bus for exch angin g  d a ta  with   displ a y system, the vehicle c ontroller and chargers to fa cilitate centralized cont rol.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  2247 – 2 252   2248 2.4. Heat M o nitoring Abil it y   Advanced heat monitoring ability can  main tain t h e balance of  temperature  between  battery modul es, and  control cell temp e r ature in the reasona ble scope.     2.5. Displa y   and Re cordi ng Part  After getting i n  the ri ght ba ttery state, proc e edin g  he a t  monitorin g battery eq uali z ation  monitori ng, charg e  and di scha rge m onit o ring, fault al arm, and  sho w  battery pa rameters.         Figure 1.  Electri c  Vehicl e Lithium Battery Monitorin g  System      3. The Prediction of  Resi dual Cap acity  Batter y  SOC   In order to  cha r a c teri ze   resi dual  cap a city of the  ele c tri c  veh i cle  batterie s   mo re   accurately an d scie ntificall y , usually u s e the  ba ttery  ch arg e   state  ch ara c te rization, nam ely the  SOC (State  Of Cha r g e ) [ 7 ], it is impo rtant pa rame te rs i n  the p r o c ess of batte ry use. At p r e s ent,  the dom esti c and i n ternat ional m o re  widely u s e b a ttery state  of ch arg e  SO C to  refle c t the   resi dual  capa city, and it n u meri cal  valu e is defin ed  a s  the  rest  of the b a ttery p o w er for batte ry  c a pac i ty ratio    SOC= Qc /Co                                                                                     (1)    On the type, f o r the  re st of  the battery Q c  u s abl e en ergy, Co for no minal  capa cit y  of the  battery, in a  specifie d curre n t and temp e r ature in  the i deal  con d ition ca n rel e a s e  energy. Usu a lly  the certai n te mperature s  state of b a ttery can ' ab so rb en ergy is d e fined  100%,  and  the  stat e of  battery can ' t relea s e en erg y  is defined el ectri c ity state 0%.          Figure 2. Lithium Battery SOC Es timation    For th e lithiu m  battery, th e re sid ual  capa city is inf l uen ced  by  many facto r s [8]: the   discha rge  cu rrent, the temperatu r e of th e battery ,  t he self -di s cha r g e  rat e ,  cy cl e t i mes,  et c.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       The Elect r ic  Vehicle Lithi u m  Battery Mo nitoring S yste m  (Lei Lin)  2249 On the  b a si s of  the  ana lysis  of the  factor s affecti ng the  lithiu m  battery  re mainin g   cap a city, syn t hesi z ing the  advant age s and disadvan tages of existi ng predi ctio n method s, this  pape p u ts  fo rwa r d a com posite re sid u a ca pa ci ty p r edi ction m e thod:  combi n ed with  amp e re - hour metho d , open  voltag e metho d  an d the  kalma n  f ilter metho d  to fore ca st the a c tual  bat tery  cap a city, to  accurately predict re sid ual  capa ci ty of the battery. First of all, use open volta ge  method to m easure i n itial  capa city, an d then  u s e a m pere-h o u r  method a nd  the kalm an fi lter   approa ch met hod [9] to ca culate the dyn a mic re si dual  capa city battery, and com pare th e re su lts  of the two m e thod s to  ch eck the  a c tu al battery   ca pacity to  ach i eve the p u rp ose  of a c curate   predi ction.       4. Batter y  Pa ramete rs Me asureme nt    Single cell m easure m ent s of circuit diag ram is  sho w n  as Figu re 4.           Figure 3. Battery Param e te r Dete ction Ci rcuit         Figure 4. DS2438 Me asurem ent Ci rcuit Diagram       For the de sig n  of single lithium battery seri es g r ou p, the system use s  a dete c ting ch i p   DS243 8 [10]  whi c can  suppo rt multip le batte rie s   cascad e control and  com m unicate with o u comm on e a rt h und er  high  voltage. The  sha pe of  b a ttery group  ca n  be de sig n  fle x ibly and pla c ed  distrib u tedly, whi c h meet s the require ments of  large cap a city, high po we r according to  th e   different appl ication s . Each battery is config ure d  a  data acqui si tion boards t o  gather eve r singl e battery  param eters,  lithium battery sup p ly po wer fo r DS2 438 at the  same time. If the   GN D 1 Vs e n s + 2 Vs e n s - 3 Va d 4 DQ 8 NC 7 NC 6 VD D 5 D S 24 38 D3 D S 24 38 R6 5K R5 100K 1 2 CH c h a r g e 1 2 DS 1 2 3 DA DA T A  HE AD E +C 3 10 4 R4 20m VI N + GN D1 B1 M eas u r ed  b a t t ery VD 1 + GN D1 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  2247 – 2 252   2250 battery mea s ured  is m ade  up of  severa l monom er  serie s  an sh are  a DS2 4 3 8 , voltage wil l  be  more  than  DS2438  wo rkin g voltage,  we  ca n u s e  p r ec ise  re sista n ce  to divide, th e n  lo wer volta ge  sup p ly chip work. Mea s u r ing prin cipl e diagram is  sh own a s  Figu re 3.      5. The Balan ce of Batter y  Bod y     Based  on the synthesis  of t he advantages and di sadvantages of  the existing equilibri um  methods, adopting the  switch  of  capacitance e quilibri um method t h rough  the program to  control  cell in th e stat ionary  state, throu gh the  switch  to  balan ce different m onome r s inde pend ently, an sho r tenin g  th e di scharge l e vels. T h is schem e i s   si m p le a nd  relia b l e, its bi gge st  advanta ge i s  to  balan ce the  unit cell in the cha r ge a n d  discharge  proce s s, and n o t to consum e lithium battery  energy. Disa dvantage i s  capa citan c e di scharge only  in the adja c e n t batterie s , so it need to p a attention to control the capacitance  charging  time to prevent capaci tor filling explosion.          Figure 5. Switched Ca pacitor Equilibrium       6. The Soft w a re Re aliza t ion of Electri c Ve hicle Lithium Batter y  Monitoring  Sy stem   The  softwa r e  is  reali z e d  b y  the co rresp ondin g  ha rd ware  ci rcuit, by using  a  sin g le bu device  DS24 38, whi c h sa mples m a in p a ram e ters su ch a s  battery  voltage, cu rre nt, temperatu r e,  and p o wer.  The dat a is  pro c e s sed b y  the si ngl e-chip mi cro c o m puter ST C89C52. The n  the  p r oc es se d  data  is  c o mb in ed  w i th  th e  pr es e n t  va l ue, a nd the battery  normal  state  is displayed o n   the LCD1602. The sy sytem will al ar when there i s  a fault .The  ma in program process chart is  s h ow n  as  fo llo w     Figure 6. Flow Ch art of Main Prog ram       7. The Simulation Results and An aly s is  In ord e r to v a lidate th e a c tual  effect  of   the  com posite  re sid u a l capa city p r edi ction  method, co n duct the ch argin g  and  dischargi ng  test at room tempera t ure, and u s MATLAB/SIMULINK s o ftware  to s i mulate  battery  SOC e s timated  algorith m  mo deling [10]. T he  results a r e sh own a s  Figu re 7 and Figu re 8.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       The Elect r ic  Vehicle Lithi u m  Batt ery Mo nitoring S yste m  (Lei Lin)  2251   Figure 7. MATLAB Simulation Plans      Acco rdi ng  to   the simul a tion  results,   in the later disch a rg e ,  becau s of erro r   accumul a tion , the preci s io n of kalman fi ltering meth o d  is high er th an ampe re -h our meth od' s.   In the sysytem, Ampere - h our meth od calc ul ation formula is sho w n as follo w:    SOC= SOC 0 - 0 t I(t)dt                                                                           (2)    Discrete syst em kalm an filter formula s  a r e as follo w:     X(k+ 1)= A (k)X (k)+ B ( k)U(k ) +W(k )                                                              (3)    Y(k)=C(k )X (k )+ V(k )                                                                              (4)    X( k | k- 1) = A ( k -1) X (k -1)+ B(k - 1) U(k - 1)                                                              (5)    X(k)= X (k | k -1)+ K(k ) [Y(k )-Y(k ) ]                                                                   (6)    P( k | k- 1) =  A(k- 1) P ( k- 1) A T                                                                        (7)        K(k)=  P(k | k-1)C T (k) [ C ( k) P(k | k- 1)  C T (k )+R ] -1                                                     (8)    P( k) = [I- K(k) C( k) ]P( k | k -1)                                                                          (9)    In the above  formula, X(k) is  state ve ctor, U( k) is  control ve ctor,  Y(k) is  ob se rvation  vector, W(k) and  V ( k)  i s  n o ise   vecto r A(k), B(k) an d C(k) ar e coefficient mat r ix,  P(k| k-1)  and P(k) a r state variabl e s  pre d icte d e rro r and t he  error of filter varian ce a rra y, Q and R   r e spec tively is  the var i ance  array of noise W(k) an d V(k).      Figure 8. SOC Simulation  Curve   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA   Vol. 11, No. 4,  April 2013 :  2247 – 2 252   2252 8. Conclusio n   The pa pe r of fers  a solutio n  of lithium b a ttery monito ring  system  based o n  Sin g le Chip  Microcomput er(S CM) and   DS243 8,  this sy stem can  more  accu ra tely measu r e  battery voltage,   curre n t and tempe r ature d a ta. After the  system te st, SOC arithm etic is relia bl e, the judge of  battery state   is accu rate, sendin g  the ba ttery  state me ssage to the  centra l proce ssi ng sy stem  is   fast, the anti-i nterference  ability is   strong and di splaying through the  liquid crystal  is real -time. At  the sa me, th e equili bratio n functio n   sol v es un bala n ced voltage  of the mon o me r battery  ca u s ed   by the overch arge. Thi s   sol u tion re ache s the  expecte d  desig n re quirements  and p r ovide s  a ne referen c e for  the further  study of electri c  v ehicl e  lithium battery m onitorin g  syst em.       Akno w l e dge ment   This project  i s  sup porte d by  scien c e a nd  te chnol og y sup port  pla n  of Sichua provin ce  (201 1GZ 019 4), Chin a.      Referen ces   [1]  W u   T i ezhou, Cao   Quan, Li u   Lu nan,  Xia o  Qing,  W a n g   Xi e y an g. Res ear ch o n  the  fast  char gin g   of   VRLA.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna l of Electrical E ngi neer ing . 2 012;  10(7): 16 60- 16 66.   [2] Ye  Z unzho ng.  Monomer elect r ic vehicle  batt e ry m a nagem e nt system . Z hej ian g  Univ ersit y . 2004; 3.  [3]  Jia Xuping. T he United States  A123 company   ne w   lithium batter y  electric vehicle.  2009;  12.   [4]  ZHANG Wei, YANG Jian- w u . Desi gn  of accumul a tor ins p ect s y stem b a s ed on  1- w i r e  techno lo g y .   Mi cro c om pu te Inform ation . 2 009; 25.   [5]  YU Ne ng-s hun , XU   Xin.  Lith i u m Batter y  Pr otection  Circ u i t  Desig n  for  E l ectric Ve hic l e  Base d o n   AT mega16L Si ngl e-chi p Jour nal of Ch on gqi ng Institute of  T e chno logy (N atural Sci ence) . 2009; 10.   [6]  ZENG Wei, T A NG Hai- bo. P e rformance  testi ng s y stem  for  electric v e h i cle s  po w e batter y Ch in e s Journ a l of Pow e r Sources.  20 11; 25: 35- 39.   [7] Z hao  Ji an.  T h e  researc h  of es timate  metho d   of resid ual c a p a city on  battery   for electric vehicle . Da lia n   Univers i t y   of  T e chn o lo g y . 200 6; 1201.   [8]  Hua ng W enh u a , Han Xia o -d ong. A Stud y   on SOC Estimation Al gorit hm and Batter y  mon i torin g   S y stem for Ele c tric Vehicl e.  Automotive En gi neer ing . 2 007;  29: 198- 20 2.  [9]  W u  Hong bin, Sun Hui. Ne w   improve d  pre d i c tion al gorithm  for state of charge of batter y Journal o f   Electron ic Mea s ure m e n t and I n strument.  20 1 0 ; 11.  [10]  T i ezhou W u , L una n Li u, Qing  Xi ao, Qu an C ao,   Xie y a n g  W ang. R e se arch  on SOC estim a tion  bas e d   on sec o n d -ord er RC m o d e l.   T E LKOMNIKA Indo nesi an  Journ a of Ele c trical En gin e e r ing .   2 0 12;  10(7): 16 67- 16 72.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.