（应用化学专业论文）动力镍氢电池管理系统的研究.pdf

中文摘要 随着能源和环保问题的园益突出，混合动力电动汽车以其零排放，噪声低等 优点而受到世界各国的高度重视，作为发展电动车的关键技术之一的电池能量管 理系统，是电动车产业化的关键。本文致力予混合动力电动汽车蓄电池能量管理 系统中电漶荷电状态的预测研究，深入讨论了镍氢电池的充放电特性、内阻特性 等，开展了对镍氢电池充放电容量的预测和估计方法的研究。主要研究工作以及 研究成果如下： 详细分析了镍氢蓄电池的基本工作原理、充放电特性以及影响蓄电池s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 剩余容量的主要因素，从多个方面对嚣蓠各种动力蓄嗽池的性 能指标及优缺点进行了比较，发现镍氢蓄电池是较为理想的电动汽车动力源。 研究了镍氢电池s o c 的几种预测方法：即通过计算电池在充放电时的累积 电量来估计电池的s o c 的电爨累积法：通过诗算镍氢电、遗的内阻来计算电池 s o c 的内阻法以及通过测量电、池的开路电压来估计s o c 的开路电压法等等，比 较了这些方法的优缺点，并提出了本文的基于模糊推理以及基于神经网络和模糊 推理结合的s o c 预测方法的思想。 透过采用纯模糊推理方法来预测蓄电混s o c 的结果发现，基于模糊逻辑 m h 腻i 电池建模及性能预测是可行的。模糊逻辑建模过程中未涉及电池内部复 杂的物理化学反应，为电池管理系统地研究提供了一种新的思路和方法。但是传 统的模糊系统不能自动地将人类专家的知识经验转化为推理规则库，此终隶属度 番数的选择也具有很大的随意性，缺乏有效的方法来改进隶属函数以及减少输出 误差或提高性能指标。 本文在仔细分析模糊推理方法的局限性以及镍氢电池特性之后，寻找到模糊 推理和神经网络结合的切入点，采用一种先进的智能控制策略基于囊逶应神 经网络的模糊推理系统a n f i s ( a d a p t i v en e u r a l b a s e df u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) 来对镍氢电池s o c 预测进行建模，这样就避免了主观选择隶属函数和模糊规则 等缺陷。仿真结果表明与传统模糊推理相比，a n f i s 的预测结果令人满意，从 丽为蓄电洼s o c 预测提供了一条薪的思路。 关键词：镍氢电池电池管理系统电池容量预测方法 a b st r a c t t h ep o w e rb a r e f i e sf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e y ) a r ec o n s i d e r e dt ob et h e g r e e np r o j e 菇i nt h e2 1 髓c e n t u r y , w h i c h c a l ls o l v et h ep r o b l e m so f p o l l u t i o na n de n e r g y s h o r t a g ec a u s e db yc o m b u s t i o ne n g i n e s b u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e t e c h n i q u e a n dt h er e l e v a n t i n v e s t i g a t i o no fp o w e rb a t t e r i e s i sab a r r i e rf o r p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f t h ee l e c t r i cv e h i c l e s 。 t h i st h e s i si sw o r k e do nt h es o co fb a r e r ym a n a g e m e n ts y s t e m t h ep r e d i c t i o n o fd i s c h a r g ec a p a c i t yo fm h n ib a a e r yi sam a i np a r to fb a r e r ym a n a g e m e n ts y s t e m t h ee x a c ta n dr e l i a b l es o co fe s t i m a t i o nf o rb a t t e r yi sn e c e s s a r yf o rt h eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mi nr t e v , i ti st h ek e yo fp r a c t i c a lo f h e v s i n c et h ea c t u a ls o c o fm h n ib a t t e r yi si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，c y c l eo f d i s c h a r g ea n da g i n go fb a t t e r y , i ti sd i f f i c u l tt oo b t a i ni d e a lr e s u l t sb yt r a d i t i o n a l m e t h o d s t h ea p p l i c a t i o no ff u z z yl o g i cm e t h o df o rt h es o ce s t i m a t i o ni sd e s c r i b e d 。 t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa n di n n o v a t i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： h a v i n ga n a l y z e dt h ee l e c t r o n i cm e c h a n i s mo f t h em h n ib a t t e r i e sd u r i n gc h a r g e a n dd i s c h a r g e ，c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e so fm h n ib a t t e r i e sw i t ho t h e rk i n d so f b a t t e r i e s ，t h er e s u l t si st h a tm h n ib a r e f i e si st h ep r o m i s i n gp o w e rb a r e r yf o rh e v d u et oi t sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hp o w e rl e v e ra n dl o n gl i f e p r i n c i p l eo ft h er e a c t i o no ft h em h n ib a r e r y , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t e d p r o b l e m so fd i f f e r e n tk i n d so fs o cm e a s u r i n gm e t h o d sa r ec o m p a r e d ，s u c ha su s e v o l t a g eo rr e s i s t a n c eo ft h eb a a e r i e st og e tt h es o c ，t h e np u tf o r w a r dt h ew a yo f f u z z yl o g i ct oe s t i m a t es o co ft h eb a t t e r i e si nt h i sr e s e a r c h m o d e l i n ge x p e r i m e n t s s h o wt h a t i ti san e ww a yt oe s t i m a t es o c ，b u ti t sd r a w b a c ki su n a v o i d a b l es u c ha s t h ed e s i g n a t i o no ff u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o na n df u z z yr u l e s i no r d e rt oe s t i m a t es o ce f f e c t i v e l y , a n f i s ( a d a p t i v en e u r a l b a s e df u z z y i n f e r e n c es y s t e m ) i sag o o ds o l u t i o nw h i c ha v o i d st h es h o r t c o m i n g so fd e s i g n i n g f u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o na n df u z z yr u l e ss u b j e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h e m o d e lp e r f o r m a n c ei ss a t i s f i e d ，t h e r e f o r e ，i tp o i n t so u tan e ww a yt or e s o l v et h e p r e d i c t i o no f m h n ib a k e r i e s s o c k e yw o r d s ：m h n ib a t t e r y ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，s o c ，e s t i m a t e m e t h o d s 独创性声明 本大声甓暌呈交翡学链论文是本入在导筛指导下进簿的研究王作秘取褥熬 研究成栗，除了文串特别热以标注帮致谢之处辨，论文书不包含其德入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包禽为获得基鲞基堂或其他教育枫构的学位或证 书嚣使用过的材料。与我一溺工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中 作了明确的说骥并表示了谢意。 学位谂文俸者签名：国毫 签字器麓：。哆攀，胄，6 瑟 学位论文版权使用授权书 本学链论文律者完全了解苤洼苤璺。霄关傈豁、使罱学位论文的规定。 特授权蕉鲞基堂可戬将学位论文酶全部或部分魂容编入有关数据库进行梭 索，并采用影印、缩印或扫搦等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向豳家有关部门或枫梅送交论文薛复印绋和磁盘。 ( 僳密的学位论文在解密后适震本授权说蹰) 学挝论文侔者签名：多誊巷 签字匿期：弦哆筚，胃，喜f t 导簿签名； 害潞0 l、 签字毯期：扣歹年 月丢f t 第章课题研究背景及意义 第一章课题研究背景及意义 1 1 电动汽车的发展概况f 1 】 可持续发展是全人类的共阏愿望与奋斗目标。保护人类赖以生存的自然环 境，充分利焉自然瓷源，是2 l 世纪遥切需要解决的重大课题。譬蓠人类就面l 隆 着两大问题：环境的污染和能源的消耗。这些都迫切的要求对电动车进行研究和 开发。发达国家如美国、德国、臼本、法国等相继投入大量的财力物力进行电动 车的开发。我国也于2 0 世纪9 0 年代开始进入发展电动车的行列 2 1 。 目前，电动汽车主要有三种类型：以蓄电池驱动的纯电动车( e v ) 、以内燃 机及蓄电池共同驱动的混合动力电动车( h e v ) 和以燃料电池驱动的燃料电池车 ( f c e v ) 【3 - 5 j 。丽混合动力电动车在高性能、低能耗和低污染以及技术、经济和 环境等各方瑟较箕谴两种电动车都有着嗳显的优势，是蜀前最具有开发和推广前 景的新型交通工具【6 j 。 e v 是指以车载蓄电池提供动力的电动车，也称为零排放电动车，是一种运 行中完全不消耗石油秘不污染环境的绿色车型。但是由于电池有限的储能不能满 足长距离行驶的需要，目前又缺乏配套的充电基础设备，掰用电池容景大、成本 高使得电动汽车造价太高不利于大力推广。而制约燃料电池驱动的燃料电池车 ( f c e v ) 的发展的则有三大因素：一是燃料电池的制作成本比较高，如阴阳极 催佬材料、质子交换膜等；其次是氢气麓制餐，低价、安全盈能大量吸收并快速 释放氢气的新材料和无铂催化剂是目前的研究热点；三是灌充氢气的基础设施。 h e v 是电动车研制中的后起之秀，它综合了传统汽车引擎驱动与电机驱动的两大 优点。h e v 的主要能源仍然是汽油、柴油，电池组中的能量主要用于汽车起动、 低速行驶和为汽车提供辅助加速动力：在刹车时，电动机处于发电状态嚣箍把能 量回收。传统汽车的主要污染是在起动和发动机怠速运转时产生的，因此h e v 既解决了大部分的污染问题，又不受e v 的行驶里程的限制，而且还降低了能耗， 提高了汽车的效率相机动性能。另一方亟，h e v 上配备的电池的容量和质量要求 都要比e v 小得多，用于电池的成本大幅度降低p j 。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界各同在电动汽车整车设计上采用了新技术、新材 料、新结构，电动汽车用电池性能也在不断改善，使电动汽车走向实用化方向迈 进了大步( s t 。我网政府已制定强制性法规要求2 0 0 3 年起薪车鲶污染物排放开 始执行相当于欧洲3 号的标准。同样，世界范围内，汽车尾气排放法规也制定得 第章课题研究背景及意义 目趋严格汽车节能方蘑，美国在2 0 0 5 年，生产小轿车的露公里淮耗平均值达到 1 9 9 4 年的三分之一，欧洲各国在2 0 0 5 年轿车的百公里油耗均值柴油机车低于 3 l ，汽油机车低于4 l ，日本也有类似做法。 我国电动汽车的开发应用已引起广泛重视，电动汽车研制列入了“八五”、 “九五以及“十五8 6 3 规划，计算机模拟仿真在其中是必不可少熊。当 前世界上的许多科研机构已经开发出多种关于电动汽车的仿真软件和程序，如美 国图家再生能源实验室( n r e l ，n a t u r a lr e n e w a b l ee n e r g yl i b r a r y ) 开发的 a d v i s o r ( a d v a n c e dv e h i c l es i m u l a t o r ) 、美国设在芝加鼍大学的a r g o n n e 国 家实验室( a n l ，a r g o n n en a t u r a ll i b r a r y ) 开发的p s a t ( p o w e r t r a i ns y s t e m a n a l y s i st o o l k i t ) 、意大利国家能源与环境处( e n e a ，i t a l i a nn a t i o n a ls y s t e m a g e n c yf o re n e r g ya n de n v i r o n m e n t ) 和比萨大学( t h eu n i v e r s i t yo fp i s a ) 的电力 系统与自动控制系( d s e a ，t h ed e p a r t m e n to f e l e c t r i c a ls y s t e m sa n da u t o m a t i o n ) 合作开发的h y - s i m ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ss i m u l a t o r ) ，以及h w e c 、s m a r t h e v 等等。国内对电动汽车建模仿真软件的研究和开发较少。 上述仿真软件均基于m a t l a b s i m u l i n k 平台开发，健部件和整车建模及仿 真的方式各不相隔。以应甭最广的a d v i s o r 仿真软彳牛为铡，其按部件功率以前 向和后向的方式对电动汽车及传统内燃机汽车的动力性能、燃油经济性及排放和 各部件的性能进行仿真。而承担混合动力电动汽车驱动系统计算机模拟及设计 软件开发项虽所开发的方针软件b o n d h e v ( b o n dg r a p hb a s e ds i m u l a t o ro f h y b “de l e c t r i cv e h i c l e ) ，创造性的采用键合图方法实现了部件和整车的建模仿 真，为国际首创。 作为能量存储系统，电池是电动汽车的重要部件。因此电池的建模与仿真就 成为电动汽车建模与仿真酶关键部分。电池的性能是否达到预期静磊标，可以通 过建立仿真模型来进行预测。随着电动汽车仿真研究的发展，电池的仿真模型也 出现了多种，如内阻模型、阻容模型、神经网络模型等等。从历年的e v s ( e l e c t r i c v e h i c l es e m i n a r ) 年会论文发表情况来看，圈内对电动汽车孀电池仿真的研究成 果尚不多。 1 2 国内外电池的应用及产业化情况 1 2 1 国内外电池的应用情况 全球一次电池产监，8 0 年代普通镶锰电池发展最为迅速，9 0 年代普通锌锰 电池增势趋缓，而碱性锌锰电池则因其性能仍然不断地在提高，臣以较高的性能 2 第一章课题研究背景及意义 价格比优势两呈现强劲的增长走势。预计未来碱性锌锰电池由于在技术上的持续 不断提升与优异的性能价格眈优势，仍然会在次电池市场特别是发展中国家的 民用领域，占有率会有较大幅度的提高。 根据k l i n e & c o m p a n y ，i n c + 的调查资料显示，全球一次电池市场中以碱性锌 锰电池市场援摸最大，2 0 0 0 年达9 2 6 亿美元，瑟萁谴一次电泡总计市场规模仅 为5 9 2 亿美元，鼠预计未来随着全球生活水平的提高，可携式电子产品的日渐 普及化，2 0 0 5 年碱性电池与其他次电池市场规模将分别达到l1 8 4 亿美元( 增 长2 3 ) 、5 5 。0 亿美元( 衰退7 ) 。 在大型二次电池方面，铅蓄电池的产业产晶技术发展最力成熟，翠期仅应 用于照明设备。豳前，汽车、机车是主要应用领域，也是现阶段唯一已经在电动 车上实用化的大型二次电池，但因为其先天性能的限制，并未受到市场的青睐。 故霾前电动车方露的市场需求尚无法完全打开。根据k l i n e & c o m p a n y ，i n c 。的褫 查资料显示，2 0 0 0 年全球铅酸蓄电池全球规模将达到1 5 2 3 亿美元，成长率大于 8 。 电动车的发展已逾1 0 0 年历史，毽是至今仍然无法普及化的主要原因可归结 予掰前电动车用魄池的性能瓶颈。其在熊量及输出功率上均远低子汽、浦。其中铅 酸莆电池因制造成本低已经完全在电动车上实用化，但因为性能等如同其他正在 开发中的大型二次电池一样，短期内均无法完全满足电动车的需求，迫使电池业 者不得不在针对现有二次电池进行改良的同时向高性能薪型电漶的开发迈进。基 前研发中各种大裂二次电池，如要商品化，皆尚有不同的课题须要研究。 1 2 2 国内外二次电池的产业化状况 1 2 2 1 小型二次电池的产业化状况 日本的小型二次电池技术进展领先全球麒他国家，且素来是全球小型二次电 池的主要生产基地，丽其小型二次电池的上中下游产业结构体系也最完备。 鹭前全球小型二次电池市场几乎完全为醚商所垄断。三洋电机、松下、东芝、 索尼、g sm e l c o t e c 等分别位居全球前五大主要电池厂商，此五家合计全球占有 率达8 0 以上。此外，尚有n e cm o l ie n e r g y 及m a x c e u 答两家业者也分别排名 全球第六大及第七大，另乡 第夕大、第九大及第十大则分别出法商s a f t ，德商v a t a r 及中国大陆商b y d 比亚迪所分。 1 2 2 2 动力型二次电池的产业化状况 全球2 0 的二氧化碳来自汽车排敖，促使全球各国思考如何使汽车熊源多样 化，以达到环境保护与节能的目的，也由此带动了电动车用电池的发展。 第一章课题研究背景及意义 美国较旱投入遥动车及其电池熬研究开发，u s a b c ( u n i t e ds t a t ea d v a n c e d b a t t e r yc o n s o r t i u m ) 为了加速电动车的发展，对电动车没有中期长期的发展目 标。1 9 9 0 年，加州颁布及实施无公害车( z e r oe m i s s i o nv e h i c l e ) 法案，美国几 个主要汽车制造商已经广泛投入电动车的开发中，其中通用汽车一直是电动车行 业的领导者，1 9 9 8 年，g m o v o n i c 公司与美黧能源部开发擞的镍氢电池毫动车， 一次充电行驶里程达1 6 0 k m ，是u s a b c 规定里程的两倍之多。 日本是早期即投入电动车及其电池开发的主要国家之一。1 9 9 1 年，日本电 动车协会制定了2 0 0 0 年电动车普及计划，大大雄动了日本电动车用电池的发展， 丽美国加髑z e v 法案及全球环保的诉求，亦是促使日本凡个汽车大厂积极研制 电动车的主要动力。 丰田汽车公司是日本电动车及混合电动车的较积极的主要业者之，其 r a v 4 瞰嚣v 使用鲶是与松下公司共同开发的镍氢电洼，最大速度8 0 k m h ，一次 充电行驶里程1 3 0 0 k m 。此外丰田汽车公司亦开发使用燃料电池和镍氢电池的 p e m p c 电动汽车，并加紧开发e v 燃料电池技术。 欧洲电池研究与发展联合会( b r a d e ) 主要研究镍氢电池与锂离子电池。 1 9 9 7 年，欧溯第一辆锂离子电池电动车在法图进行调试，所使庵的电池由s a f t 公司提供，电池重量比能量l o o w h k g ，一次充电，行驶距离达到1 2 4 k i n 。 1 3 h e v 用电池管理系统的研究现状及发展方向 1 3 1 电池管理系统的开发现状 近年来，电动汽车的发展不断成熟，但也还有很多闻题没有解决 9 1 ，例如， 如何提高电动汽车的续驶里程；电池的剩余电鼍的估计；电池如何在变化的气候 条件下工作；如何对电池进行快速充电；如何有效地利用电池的能量，延长电池 寿命；电动车能量邈收等闻题。与电规、电机控制技术、电泡技术耜比，电池管 理还不是很成熟，如何实现无损电池的充电，监控电池的充放电状态，避免过充 现象，同时对电池进行实时的或定期自动检测、诊断和维护，最大限度地保证电 池的可靠运行，国内外都在进行相关的研究。 龟池管理系统作为电动汽车中一个越来越重要的部分，我国在这方面的研究 还刚刚起步，即使美国等汽车工业发达同家的研究工作也不是很完善l l u j 。电池 滋生的性能参数影响电池的寿命，但是电池本身的问题不在电池管理的范围之 内。电池外部因素也影响电池麴寿命，如电池的充电参数，包括充电方式、充电 电流、充电结束电压；滇池的放电参数，包括电池的放电电流、放电深度、脉冲 4 第一章课题研究背景及意义 电流等；电池的滏度；对电池维护的方式和频率。从电动汽车的使用过程中发现， 单个电池的寿命远比电动汽车中的电池寿命长，研究表明这是因为电池处在不均 衡的状态中，充放电过程也不均衡，而不断重复的充放电过程更加剧了不均衡现 象，充电少的电池的寿命缩短，引起所在的电池组的寿命缩短，从而使熬个电池 系统瓣寿命缩短。为了解决这个问题必须实现均衡充放电，且应创造保谖均衡的 温度的条件。借助电池管理系统，还可以优化电池的外部参数，大大增加电池的 寿命。 要实现这些功能就应建立一个电池监测和控制系统，其功用是通过监测和控 制单个电池的性施，最大化电池的充放电效采。它是一个基于微处理器的适时监 测系统，每个不良电池的情况都应及时显示。预测电池每个循环可提供的电量及 回收制动的能量所产生的电量，并控制放电深度及充电时和制动回收能量时的过 充电。电涟益测和控制系统是一个隧车系统，因此电池的状况是一个动态的过程。 在路上可能出现任何异常的情形，都应得到及时的反映和处理。这个监测系统应 和互相作用的充电系统、能量回收系统、电机驱动控制系统相联系，以便有效地 利用和管理能量。 我国清华大学也有一套麓量管理系统，它出六个子电路组成：信号输入电路， w 变换器( 电压频率变换电路) ，光电隔离电路，微处理器控制电路( m c u ) ，输 入输出维护，测试数据显示和报警，系统与p c 机通信及软件分析，能量管理系 统优化设计和可靠性分析。 法国的电动汽车应用发展较快，法国电动汽车计划设计了一个随车能量管理 系统来管理其电动汽车上的密封铅酸蓄电池组，其主要功能为：电池寿命的记录、 充电监测、行驶过程中电池组的管理、剩余电量的显示，为了防止对电池的有害 使用，收集电池信患从磊确定如何合理使用电池和更换电涟。在德国，嚣门子公 司在其开发的电动汽车上安装了一个能量管理系统，电动汽车充电时，能量管理 系统能跟踪电池充电特性，控制充电器对电池进行优化充电，能量管理系统对电 池的工作状态进行监测，检测电涟组的电量消耗，并将有关信息传送到仪表和信 号指示装置上。 本田公司在电动汽车上安装的能量管理系统包括：管理控制模块、车载充电 器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置等。该系统对电池的状态进行监测， 并根据电池的状态控制车载充电器盼充电过程，当动力电池组高压端与车体有接 触时，管理系统发出警告，当电动汽车发生碰撞时，管理系统切断电源，以保证 生命安全。 戴姆勒克来赫勒公司开发的n e c a r 5 型燃料电池汽车，于2 0 0 1 年已 在嚣本横滨市公路上作行驶测试。本匿公司开发的燃料电池汽车，于2 0 0 1 年曾 5 第一章课题研究背景及意义 在美匿加剥福尼亚娥的公路上作行驶测试。一个无环境污染的又节约能源的汽车 将作为城市主要交通工具的日子相距不远了。 发达国家在熬车能量管理，轻量车等方面也取得了进步，达到较高水平，虽 然可以看到各项先进技术，但电动汽车在全球仍处于迅速发展时期，尚未真正过 渡到产业化阶段，尚有许多闻题需要解决，爵以说在电动汽车的研制嵩在起步阶 段，我国与世界先进水平的差距不是很大，还不像内燃机那样，所以，我国在电 动汽车领域的研究有希望达到世界先进水平。 重3 2 电池管理系统的基本结构 般的电池管理系统是由多个不同功能的c p u 模板和多条c a n 总线组成的 分布式结构，它具有灵活的扩展能力，在相同的c a n 协议下，可以任意增减功 能模块，如髓容易地接入或组成车辆仪表单元、整车运行控制单元，从而能够满 足各种电动车对不同类型的电池组需求，见图1 1 所示： n i m h 毫缝缓 l数据采集哟餐单元 l 撑电池模块 ( x 只单体) 2 撑电池模块 ( x 只单体) 3 襻电池模块 ( x 只单体) 锚电泡模块 ( x 只单体) t 割笋? 孟事 信号 信号 ，主p 板( 电压、温l 一 度)l 矛? 孟事 板( 电压、温l 数据线 度)l 剥筹? 孟p l f 数 据采 集母 板 2 撑数 据采 集母 援 线 l a n 现 场 总 线 上位帆 充电 辅助控制板b 电池状态显示 系统状态显示 检测数据上簧 主控板a 电量估算 状态判剐 兹障诊瞬 安全策略 通讯管理 耄力薹l 撕嘉粟 竺豳耐 纂鹭 路f 训路 图1 1 镍氢电洼管理系统框图 6 中央处理单元 八数据线1 l 第章课题研究背景及意义 f i g 。1 1m h n ib a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e md i a g r a m 1 3 3 电池管理系统的技术关键 当前，在电动汽车的研制与产业化推广过程中，动力誉电池的问题成为最主 要麓制约因素。这些阕题主要表现在如下凡个方面： 1 动力蓄电池在制造过程中，由于制作工艺的差别，即使同一批次的电池， 也不可避免的存在着差异，即容最上的差异。这种差异直接表现在电池的端电压 上。在充电过程巾，容量小的电池电压上升比较快，即当其它电池迸未充满时， 容量小的电池已经充满，继续充电将造成容爨小的电池处予过充电状态。这种差 异的直接后果是容量小的电池在充电过程中经常处于过充状态，在放电过程中处 于过放状态，致使其寿命明显缩短，从而导致整组蓄电池寿命降低。 2 。蓄电洼组在运用过程中，经常出现单只电池损坏的情况，这种情况若未能 及时发现，将导致其它蓄电池的性能受到严重影响，进而造成整组蓄电池的损坏。 因此必须对蓄电池组可能存在的故障情况做出早期预测与报警。 3 蓄电池的实际容量受到多种因素地制约，特别是与使用的状况存直接关 系。因此必须实时监测蓄电池缀的使用状况，使其达到优化的状态。 综上，为了优化蓄电池组的使用状况，延长蓄电池组的使用寿命，迫切需要 一种能够实时反映电池剩余电最( s o t ) 、快速找出故障电池、提高整组电池寿命 的设备。另外，该设备应能够_ 誊卜偿由于不均衡造成戆电压差异，然而进一步延长 电池组寿命。 电动汽车的蓄电池管理系统( b m s ) 担负蓿测量、预警、估算、通讯、均衡这 五部分主要功能： l 。测量是指在电动汽车有限的空间内，综合考虑测控攀元的安装、维修、数 据采集的抗干扰等诸多问题后给出一种适合于电动汽车的电池电压、温度测试系 统。 2 ，预警是指蓄电池管理系统根据测得的电池电匿、温度、电流等参数对电池 组中品质下降的电池做出提前预测和报警，从褥有效地延长蓄电池的使用寿命。 3 估算是指根据电池电压、温度、充放电电流、电池循环使用情况、电池老 化情况、自放电等诸多因素，估算蓄电池的剩余电量( s o t ) 。 霹通最是指在电动汽车内较大的干扰情瑟下，可靠、赢效地实现蓄嗽池管理 系统与车上其他设备的通讯。 5 均衡是指通过均衡电路，使蓄电池组中的每一节电池的容量达到基本一 致，从两尽量避免莱些品质较差的电池出现过充电和过放电。 蓄电池管理系统的具体要求有： 7 第一章课题研究背景及意义 l 。单只电池的电压、温度的测量及显示； 2 电池组总电压、充放毫电流的测量及显示： 3 剩余容量( s o c ) 的预测及晟示； 4 。电池电压、温度异常报警； 5 电渣故障早期预测与报警； 6 发送电池数据信息到上位机进行监控及保存记录与分析； 7 通过输出接口送信息给车上其他设备； 8 对电池组进行均衡充电。 其中，电动汽车的能量管理系统需要一个精确和可靠的电池荷电状态( s o c ) 预测器。由于蓄电池真实的s o c 受许多因素，如电池温度、充放电次数、电池 老化等因素的影响，传统的s o c 预测技术很难达到理想的效果。 1 3 4 电池管理系统的发展方向 电池管理系统发展至今，已经比较完善，生产的车载电池管理系统已经广泛 应赐于混合动力汽车、电动汽车上。但是研制麴产晶还远远达不到所期望的要求。 今艏电池管理系统的研究应以系统观念为基础，根据电池的内部反应机理提高 s o c 预测精度、降低电池管理系统的功耗、改善电池的工作状况和存放环境。 即主动地进行电池管理，特别是电池的过度充放电保护、热平衡和电池的工作环 境的管理。 电池作为化学电源其输出功率和发动机有明显不同，若精确预测电池s o c ， 首先应分析研究电池放电的机理，理解化学活性物质数量及其反应速度与充、放 电量之闻的关系。然后才能精确预测s o c 。慝时电池管理系统作秀一个系统， 其内部结构是相互联系的，电池的工作电流波动很大，如麓通过辅助电容放电使 电池既以近似恒流工作又能满足车载要求，通过改变电池工作温度提高电池的 充、放电性能，通过改变电池存放温度、湿度降低电池的囱放电，那么电池荷电 状态的精确预测也就不再是难题了。 1 4 h e v 电池的研究现状与发展 目前，为了促进h e v 的商晶化，世界各嗣都在对h e v 用化学电源进行开发 和研究，其研究方向大多集中于高功率充放电、较长寿命以及电池安全性等方面， 此外，应用于h e v 的化学电源还应具备不污染环境、电源内阻小、自放电率低、 充电操作方便、易于调整和维护阳。 8 第一章课题研究背景及意义 l ，4 1 h e v 用铅酸电池 铅酸电池是1 8 5 9 年由普兰特发明的，至今已有一百多年的历史。随着科学 技术的发展，铅酸电池的工艺、结构、生产机械化和自动化程度不断完善，性能 不断提高，蠢前已成为产量和应用范围最大的电池晶秭之一。放电动自行车在我 国的蓬勃发展就可以看出，铅酸电池是目前用于电动车最多、范围最广的电池， 但传统的铅酸电池e l j 于比能量低、循环寿命短，在与其它化学电源的竞争中处于 劣势，但随着铅酸电池行业的发展，一些先进的铅酸电池不断涌现，据报道1 7 ， 美黧电源公司开发的水平电漶，沟阻极低，比能量高达5 0 w h k g ，比功率为 5 0 0 w k g ，循环寿命达9 0 0 次( 容量降至额定容量的6 0 为止) 。另据报道，美国 的j o h n s o nc o n t r o l s 和西班牙e x i d e 公司都开发出了卷绕式结构铅酸电池。该电池结 构独特，电池内部星固态，内阻小，可进行大电流充放电。 我国“八五计划期间，国家科委和国家计委也将电动车用铅蓄电沲的研究 和开发作为重点项目予以支持。许多科研单位及电源公司，如保定金风帆蓄电池 公司、轻工业化学电源研究所都积极参与了该项目的研究。目前，存在的最大问 题就是电沲的均匀性差，落爱电池性麓较差，双面导致电动车行驶里程低，并量 电池需要频繁更换。为了使其更适于电动车的应用，还需要在提高电池总体性能 和改进单体电池均匀性等方面作深入的研究和开发。 董4 2 h e v 用锂离子电池 锂离子蓄电池是9 0 年代发展起来的高容量可充电电池，是1 9 9 0 年由日本的 s o n y 公司首先开发成功的，能够比其他蓄电池存储更多的能量，比能最大，循 环寿命长，自放电率小，无记忆效应和无环境污染。它采用碳素材料或者锺的其 它嵌入化合物取代金属锂作负极，正极是含锂的过渡金属氧化物( 如锂钻、锂锰 或者锂镍氧化物) ，充放电时锂离子在正负极之间漂移传递电能。根据电解质的 不网，分为锂离子电池l i b ( l i t h i u m i o nb a t t e r y ) 和锂聚合物电涟p l b ( p o l y m e r l i t h i u m i o nb a t t e r y ) 1 1 2 - 1 5 。 l i b 是一种高能量高功率电池，是u s a b c 实现2 0 0 0 年中期目标的电动汽车 用动力电池之一。高能量l i b 的比能量远超过1 0 0 w h k g ，赢功率l i b 的眈功率超 过1 0 0 0 w k g ，循环寿命超过1 0 0 0 次。由于毛l b 很低酶热容景特性，电池性能与 温度直接相关，所以电池冷却系统很重要。l i b 也已经成功的实用在电动汽车上， 1 9 9 7 年7 月n i s s a na l t r ae v 配备了s o n yl a 4l i b ，1 9 9 8 年1 月推向加州市场。1 9 9 7 年1 0 胃，法国启动了v e d e l i c 电动汽车新技术项霹，配备了l i b 的p e u g e o t1 0 6 e v 疑欧洲第一辆使用锂电池为动力源的电动汽车。匿前在动力电泡l i b 研制方面 9 第章课题研究背景及意义 领先的厂商有墨本的s o n y ，德圜的v a r t a 和法阐酌s a l t 。我国信息产业部电子第十 八研究所处于l i b 研究开发国内领先水平i l 懿。 p l b 是具有比l i b 更高能量的电池，是u s a b c 实现2 0 1 0 年远期目标的电 动汽车用动力电池。p l b 比能量超过2 0 0 w h k g ，比功率超过4 0 0 w k g ，循环寿 命超过5 0 0 次，可以使电动汽车续驶里程达到4 8 0 k m ( 3 0 0 m i l e s ) 。但是高能量 大功率p l b 电池需要较高的工作温度( 6 0 4 c ) ，因此加热循环系统不可缺少。 1 9 9 8 年，2 k w h 和8 - 3 2 k w h 的p l b 模块开始了试制和测试。u s a b c 从1 9 9 4 年 分阶段投资8 5 0 0 万美元研发p l b ，3 m 、h o 和a r g o n n e 国家实验室组成p l b 研 究梯队以实现u s a b c 的p l b 计划。表1 列密了四类主要汽车用动力电池的性 能对比。 表i - i 四类主要汽车用动力电池的性能对比 t a b 。1 - 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f f o u rm a i np o w e rb a t t e r i e sf o re v sa n dh e v s l l bp l bc d 。n im h j n i 项目 e ve ve vh e ve vh e v 厂商 昭r t a 3 m & h q s a f ls a ro v o n i co v o n i c s 磷5 1 m 型号s t 6 g 鹾o l 1 3 h e v 6 0 r 电服u 4 2 o 3 261 21 3 21 3 2 容量 6 0 c 51 1 9l o o5 68 56 0 q a h ( c 3 ) 质壁m k g 1 2 521 2 。2 比能量 1 1 5 c 52 0 55 53 57 06 8 ( w h k g ) 比功率 3 4 0 ， 8 0 d o d ，3 4 2 0 1 2 2 ，5 0 0 ，2 0 0 ， 6 ( w k g ) s 9 d o d1 0 0 s o c8 0 d o d 0 s 比能量 ( w h ，l ) 2 7 0 c 5 3 3 3 1 7 01 6 0 9 6 0 0 ， 2 0 2 0 0 0 0 ， 循环寿禽 7 0 d o d8 0 d d8 0 d 粉h e v 1 4 3 h e v 用m 地，n i 电池 l 。4 。3 1 动力型镍氯电池的应用前景 镍氢电池肇始于1 9 5 8 年储氢合金材料的发现，1 9 9 0 年初期首先由日本量产 上市。金属氢化物癌妻电池是采用贮氢合金材料作为电池负极的一种新型绿色化 学电源f l7 】。m h n i 电沲的充放电可以看作是氢在正负极之阅瀚转移，电解液无增 减现象，电池可以实现密封设计。它具有高比能量、高比功率、安全性好、适合 1 0 第一章课题研究背景及意义 串联成高压电池组、循环寿命长、无污染、价格低等优点，与其他电池体系相比， 更适合用于h e v ，被誉为电动车用动力型电池的首选【1 8 - 2 玎。 早期的氢氧化镍电极是袋式( 或极板盒式) 电极，活性物质n i ( o h ) 2 与导 电物质石墨混合填充到袋中。1 9 2 8 年，p f l e i d e r 等人发明了烧结基板式电极，以 后经不断改进，王艺逐渐成熟弗实焉化。烧结式镍电极技术的发饔和应用在镍电 极发展史上具有重要的所用和意义，但这种结构的镍电极生产工艺复杂，成本较 高。近年来，又有发泡式和纤维式镍基板问世。以质轻、孔率高的泡沫作基体的 泡沫镍涂膏式镍电极比容量较高，适宜做m h n i 电池的正极。可以说，泡沫镍 电极的出现和应用是镍电极发展史上的一个新鲶里程碑。 目前，世界各国都在积极进行h e v 用m h n i 电池的开发与研究。美国的 o v o n i c 公司砸美阑先进电池联合体u s a b c 的资助下开展了电动车用m h n i 电池 的开发，已经开发出以z 卜曩v 砖系贮氢会金为受极活性物质的动力型m h n i 电 池。该电池的比能量可以达到9 4 w h k g 和2 9 4 w h l ，目前o v o n i c 公司已经和通用 汽车公司合作进行产业化开发。日本的松下公司也研制出了系列电动车用m h n i 电池，并且与丰翻公司合作实现了世爨首次商业化批量生产。这种h e v 一次充电 可以行驶1 4 0 0 k i n ，最高车速为1 6 0 k m h 。该车已经投放嚣本市场，并在1 9 9 8 年 售出1 8 0 0 0 辆，其年销售量约为2 0 0 0 辆【2 射。法国的s a l t 公司自1 9 9 2 年起也进行 了h e v 用方形m h n i 电池的研制，并且在1 9 9 9 年投入生产。德国的v a r t a 公司自 8 0 年代末就研制电动车黑m h n i 毫池，健们研制的珏e v 熙瞧涟比能量可以达到 8 0 w h k g 和2 2 0 w h k g ，比功率可以达到2 0 0 w k g 和5 5 0 w l 。另外，日本的东北 电力公司【2 3 】，韩国的现代汽车公司，中国的天津和平海湾电源公司都致力于h e v 用动力型m h 烈i 电池的开发。 综上所述，动力型m h n i 电池已经成为h e v 用电泡的蓄选电洼。黧诧，大 力发展和改进动力型m h n i 电池并促进其批量生产对实现h e v 的商品化具有重 要的战略意义。 董4 4 其他几种h e v 用电池 1 4 4 1 镍镉电池 翟前，镍镉电洼的应用广泛程度饺次予铅酸蓄电池，其比能量可达到 5 5 w h k g ，比功率超过1 9 0 w k g ，可快速充电，循环使用寿命较长，是锚酸蓄电 池的两倍多，可达到2 0 0 0 多次，但是其价格是铅酸蓄电池的4 5 倍。宦的初期 购置成本虽高，儇由于其在比能量和馒爝寿命方面的优势，因此其长期盼实际使 焉成本并不高。偿是，和镑酸电池一样，镍镉电池也存在金属( 镉) 污染问题， 第章课题研究背景及意义 许多匿家已经限制生产和使用。同时，镍镉电池还存在一定的记忆效应。这些缺 点都限制了其使用和发展