（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车电池管理系统的研究与设计.pdf

武汉瑾王夫学矮士学位论文 渗交接蒌 f ；蠢漪电动汽率的迅速发展，对电池g 源的要求越来越意。因而电池运行状 态静管理变得越来越重要。本文深入地研究燃瓣电池电动汽车的动力电池管理 系统，提出合理的系统设计思想与实现方法。 蓄悫分辑镰辍毫涟瓣工终特蛙、影响裁余容量瓣强素， l 较了豆耱 骞冀毫 池荷电状态f s o c ) 的方法。从而进一步提出在系统中采用的s o c 估算方法，即 开路电压与电量累积相结合的方法。 然磊提窭一种分布式穰渣管鹫系统静硬件平台，将电渣管理系统设计分为 两个部分；一部分是基于p i c 单片机的设计，用于检测电池组的电压和温度信 息；另一部分是纂予d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的设诗，完成电池包黪电流秽憨电压 的检铡、s o c 谴估算、故障报警以及通讯等。两部分通过c a n 总线进行通讯， 构成了一个分布式硬件平台。整个硬件系统设计合理，安装简单，便于检修。 最嚣穰据奄渣管理系统匏硬俸设计，褥系统戆较箨设诗恣分为两个部分： 一部分是电池组电压和温度检测的软件设计，重点在于温度检测的程序设计； 另一帮分是基予实时操棒霰统# c o s - i i 的软傅设计。详细蟪阙述了# c o s 珏 成功移植到t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的过程和方法，井根据电池包管理系统要求实现韵 各个功能，完成各个用户任务设计。实时操作系统# c o s i i 的应用不仅提高系 统韵实对性，胃蘼性与安全牲，稀飘增强了系统熬抗予扰能力，提毒结舞s o c 的精度。 本课题的研究在理论墨e 实践e p 都取褥了缀大的避展，对予进一步研究毫滤 管理系统具有冀簧的意义。 关键词：电池管理，c o s 1 1 ，s o c 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 重鎏垄薹盔望壅主黧堡鲨奎 w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cv e h i c l e , t h er e q u i r e m e n tt ot h eb a t t e r y t e c h n o l o g yi sh i g h e ra n dh i g h e ls ot h em a n a g e m e n to ft h eb a a e r yw o r k i n g s t a t ei s a l s om o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ep a p e rh a sd e e p l ys t u d i e dt h et r a c t i o nb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mo ff u e lc e l le l e c t r i c a lv c h i d e ，a n dt h el o g i c a ld e s i g nt h o u g h t s a n dr e a l i z e dm e t h o d sh a v eb e e np u tf o r w a r d f i r s tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h en i m hb a t t e r i e sa n dt h ef a c t o r si n f l u e n c e do nt h e s t a t e - o f - c h a r g e ( s o c ) h a v eb e e na n a l y z e d ，a n dd i f f e r e n tk i n d so fs o cm e a s u r i n g m e t h o d sh a v eb e e nc o m p a r e d t h e na1 0 9 i c a ls o cm e a s u r i n gm e t h o dh a sb e e n r a i s e d ，w h i c h i s t h e c o m b i n a t i o n o f o p e n c k c u l t v o l t a g e a n d a h i n t e g r a t i o n t h e nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fad i s t r i b u t i n gb a t t e r ym a n n g e m e n th a sb e e n b r o u g h lf o r w a r d t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mh a sb e e nd i v i d e di n t ot w op a r t s ： o n ep a r ti sd e s i g n e dt om e a g n r et h ev o l t a g ea n dt e m p e r a t u r eo ft h ee v e r yb a t t e r y b a s e do np i es i n g l e c h i p ；t h eo t h e rp a r ti sd e s i g n e db a s e do ud s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7t o m e a s u r et h ec u r r e n ta n dt o t a lv o l t a g eo ft h eb a t t e r yp a c k a g e 、e s t i m a t et h es o c 、 a l a r ma n dc o m m u n i c a t ee t c t h et w op a r t sa r ec o m m u n i c a t e dv i ac a nb u st of o r ma d i s t r i b u t i n gs y s t e m t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e mi sf i x e ds i m p l yt oe x a m i n ea n d r e p a i r f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r ed e s i g n o ft h e b a t t e r ym a n a g e m e n t ，t h e s o f e w a r ed e s i g ni sa l s od i v i d e di n mt w op a r t s ：o n ep a r ti st h es o f t w a r ed e s i g no ft h e v o l t a g ea n dt e m p e r a t u r eo fe v e r yb a t t e r y e m p h s i s e do nt h es o f e w a r ed e s i g no ft h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；t h eo t h e rp a r ti ss o f t w a r ed e s i g nb a s e do nr e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e mg c j o s - i i t h ep r o c e s st h a t 芦c o s - 珏i ss u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e d t ot m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i se x p a t i a t e di nd e t a i l ，a tt h es a m et i m et h ed e s i g no fe a c hr i s e r t a s ki sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n st h a tb a t t e r yp a c k a g em a n a g e m e n ts y s t e m h a sa c c o m p l i s h e d t h ea p p l i c a t i o no ft h eo p e r a t i n gs y s t e m , u c o s i in o t o n l y i m p r o v e sr e a lt i m e 、r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m ，b u ta l s oe n h a n c e s a n t i - j a m m i n g o f t h es y s t e ma n d i m p r o v e s 妞a c c u r a c y 蠢e s t i m a t i n g s o c t h es t u d yo ft h et a s kh a sm a d eg r e a tp r o g r e s si nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n dh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e e p t ys t u d yb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 。 k e yw o r d s ：b a t t e r ym a n a g e m e n t ，, u c o s l i ，s o c ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 n 武汉理工夫学硕士学位论文 电动汽率概述 第 章绪论 踺蓉社会的飞速发震，汽车在熬个社会遴步和经游发展中捞演羞非索重要 的角色。汽车工娥的迅速发展推动了机械、熊源、橡胶、钢铁等支柱产业的发 展。然而，随着垒球汽车总有量的增加，汽率尾气的排放已经成为大气溜染的 主要霖鞠，淘时彀赛石油瓷源豹蟊趋紧张，露洼馈捂始终屠离不下，这焦都遣 使人类需腰研制出无污染和节能汽车。由于电动能源具有突出的优势，使得电 动汽车懿开发窝礤究或魏嚣国秀发绿夔汽车浆主流。电动汽车具有无辛 放污染、 噪声低、易于操纵、维修阻及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比 拟的优势，它是解决人类甄大能源和环境压力的有效途径。因此，电动汽车是 2 l 世纪汽车的发袋方向。 1 。1 。1 溉动汽霉国内外发展 2 0 世纪7 0 年代，汽车保有量里几何级数增长，环境污染燮得严重。随着 铯学污染等拜壤湾染豹发生，嚣方发达国家数瘸聂热浚委强境绦轳，一些著名 的汽车公司转向研究和开发电动汽车。从2 0 世纪7 0 年代起，世界发达国家均 投入巨爨进行电动汽车的黼业他开发和应用。 美潮是世弄上大气污染最严重的国家之一，也是防止和强制大气污染最严 厉的国家之一。1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和 撵车试瓣法令，戳立法的形式、羧痔资韵秘财政补辩等手段麓速菱震蠢动汽 车。美围能源部与三大汽举公司于1 9 9 3 年签订了混合幼力电动汽车开发合同， 其中通用汽车公司投入1 4 8 亿美元，福特汽车公司投入t 3 8 - f l 美元，克菜瓣勒汽 车公司投8 4 8 0 万美元，进彳予为期5 年豹研制开发工作，并于1 9 9 8 年在北美潮际汽 车展上展如了样犁。在此基础上，现已推出三款混合动力概念车g m p r e c e p t 、f o r d p r o d i g y 、d a i m l e rc h r y s l e rd o d g ee s x 3 。嚣翁为止，美凝还割定了“p n g v 计嗣”、 “f r e e d o mc a r 计划”以及“a v p 计划”，旨在推动电动汽车的发展川2 。 腿爨藏世界藏国内的熬个形势寒番，日本是电动汽车按本发展速度簸倏静 少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发鼹方面，嗣本居世界领先 塑鎏壅兰銮堂堡主黧篷鎏塞 建链。1 9 9 7 年1 2 露，丰蹬浅车公司蓠先在鹫本隶场上攘氆了整癸上第一款批量 生产的混合动力轿车p r i u s 。该轿车于2 0 0 0 年7 月开始出口北美，同年9 月开始出 口欧渊，现在已经在全世辨2 0 多个豳家上市销售。目蒋推出的产品已经是多次 改进詹鹊第二代产品，其生产工艺更为成熟。根据丰翻汽车公司的测试，p r i u s 轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油4 4 4 ；在市郊节油2 9 7 ，综合 节渣翡5 。有关统计数据鬟示，丰疆汽车公司毫占存全球混合韵力汽车书场 的份额。2 0 0 4 年9 月1 5 日，一汽集团与日本丰网汽车公司在北京举行了混合动力 汽车合佟项露签字搜式，爨鸯双方程2 0 0 5 年蠹，共同生产丰m p r i u s 混合动力轿 车。继p r i u s 混合动力轿擎之后，率田汽车公司还推出了e s t i m a 混合动力汽车 和搭载软混合动力系统的c r o w n 轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低 煞栽、低徉蔽释敬递行驶链能方藩激经走在了毽界豹蓊剜。戴井，本疆汽车公 司开发的l n s i 【g h t 漏合动力电动汽车也已投放市场，供_ 不应求。2 0 0 2 年4 月，本田 汽车公弼在美国枣场上投放了c i v i e 混合动力汽车。爨产汽车公建近墨宣毒，垮 于2 0 0 6 年向美国市场销售a l t i m a 牌混合动力汽车，这是其于2 0 0 2 年与丰田汽车公 司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。 在敬洲的其饿国家，嘏动汽车的研究也敬得了狠大静进蓑。2 0 世纪9 0 年代戳 来，法国汽车制造商已经研制出多种电动汽车，例如雷诺汽车公司研制丁一种 名字列骰“z o o n ”豹可变辘鞭羧型电韵汽车，罄经轰动一瓣。懿纪为年找寒麓， 德国戴姆勒一奔驰汽车公司生产了一批l e 3 0 6 电动汽车，采用铅酸电池，嫩高时 速为5 0 k m h ，最大爬坡度兔1 6 ，暇地起步加速l j 5 0 k m h 的时闽为1 4 s ，续驶里 程可选1 2 0 k i n 。 中潮首辆电动汽车予1 9 6 6 年在上海问懒，1 9 7 7 年相应试制出s h d l 7 0 、 s h 0 6 撙黧电动汽车，毽稳圆受蓄邀池技术瓣鞭刺，未麓箍广投入实际使麓。我 圆从2 0 世纪9 0 年代后将电动汽车的研发又重新提到议事日程上。东风汽车公司 早在“丸五”期间辘已经研制毖我国繁一台期程是主知识产权静燃料电漶泡动汽 车- 一e q 6 7 0 0 f c e v 燃料电池客车。2 0 0 2 年5 月，上海燃料电池系统公司与同济大 学新能源汽车工程中心试制成功“春晖1 号”燃料电池电幼汽车。2 0 0 3 年8 月，上汽 集圈、黼济大学又联合歼发了“超熬1 号”其有秘主知谈产权的燃黼电池混合动力 轿车。目前国内清华大学，同济大学以及武汉理工大学等，都距在积极研发电 秘汽车。 2 武汉理】：大学硕士学位论文 。 。2 淹魂汽车分类菠英特煮 电动汽车是撵全部或毒部分出魄壤驱动躲汽车，强蕙主要分为三穆；缝电 动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车1 4 i 。纯电动汽车是指以率载电 源、蓄电池等为动力，用电机驱动率轮行驶；燃料电池电动汽窜是一种w 以将 燃耩中酌亿学麓巍揍转仡为电靛的艟量转纯装置，它瀚特点是髓量转化效率高， 约是内燃机的2 - 3 倍，生成物是水，不污染环境，缺点是造价太高，目前仅燃 料电撼熬徐楱毫逸笛万元左右；滢合动力奄动汽车是装毒亵静裁嚣秘淤上鳃耱 能器、能源或转换器作驱动能源，熟中至少有一种能提供电能的汽车，一般说 就是既肖内燃机又有电动机驱动的率辆。 电动汽车与常规的内燃机车 e 较有班下特点嘲。( 1 ) 效率离：比较原油转化 成汽油朔原油转化成电的能量效率。现在的内燃机效率约为3 8 ，因汽牢在市 蠹行驶孛毒攘繁熬停车、低速行驶、特信号灯等，羹簸终鼓辜不过1 2 。甭电 动汽车凭机器空转损失，电池的8 0 以上的能最可由电动机转为电动车的动力， 即使考虑原油的发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终可褥到1 9 左 右的能鬣效率。翳韩，电渤汽车在制动时有阐收能量的特点。这个比较在计算 时仅以汽车行驶能量为对象，实际。上电能有多种来源方式，还需考虑制遗所用 能量等。( 2 ) 环境污染低：瞧动车在行驶中无浚气徉巍，即使班火力发毫来信计， 相对于常规汽车其废气排出量也会被太幅度减少。可使用多种能源：因电动 车使用= 次电力挠澡，其誉爨石油资源的限制，霹裁蠲棱能、东力、太鞠疑等。 ( 4 ) 噪音低：汽车的嗓音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。常规汽车和 电动汽车比较，恩然因汽率行驶而日 起的噪谢、振动_ j 匠显著差别，但由鼹动机 g 起魏部分电动汽车占有绝对蓊优势。 。2 毫动汽奄电潼管瑾系统概述 。2 。 惫洼警壤系绫熬醑突臻竣 电池管理系统( b m s ) 【6 j f 7 1 是电动汽车中越来越重要的关键部分，但是我国在 这方垂的研究l # 嚣起步，鞠使在美黼等汽车工照发达瀚家，其研翩工作穗不完 武汉瑾羔大学硬士学位论文 善。扶鸯关资辩来看，荚嚣一壹蘩在世赛汽车技术镀域戆最翦酬，在潺台动力 电动汽车的电池管理系统的研究方丽也走在世界各圜的前列。通用汽车公司的 b m s 采用了一个微电脑，对电池缎进行管理。监测和控制蓄呶池组的充艘电工 作状态，提高电池豹充放电性能，预测蓄电池组韵荷电状态和剩余能量。 在欧洲，法国是电动汽车发展较快的国家。法国电动车电池能量管理系统 翦主簧穗能为：电渣寿禽鹃记录、充电整测、行驶j 熏程中毫港豹管理、辖助电 池的维护、剩余电量显示。它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定 如何捻避使用和夏换电淑，最大赋发地提离电邀鲍熊璧使用效率。在德国，莲 门子公司开发豹电池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线 进行充电，提高充电效率，节约呶能。电池管理系统对电池组的工作状况进行 益控，检测电漶组酶电嚣溃耗和剩余能量簿，将有荚谊惠反馈到役表扳酌役表 和信号装置上。通过i x 2 - d c 变换器保证电器系统的能源供应和器件正常运行。 在秘奉，本国公霹开发豹车建瞧涟能羹管理系统包捶：餐理控豢l 模块、车 载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、d c d c 变换器等。如果电 动汽车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保证用电安全。 我国对电动车的发袋十分重视，在“十赢”规划中被列为篱家高科技攻关项 目，同时被列为阑家“8 6 3 ”科技攻关项目。其中清华大学和北京理工大学以及北 方交遭大学都对瞧动汽车静电涟管理系统避行了霹究。其中j 方交逶大学开发 的电池管理系统包括：单只电池的监测、越车蓄电池充放电电流检测、均衡充 电、攥确预估s o c 值、故障报警、通讯以及显示等。经过试验，取褥嚣常满意 的效果。因而，对电动汽车电池管理系统研究的要点是如何掌握蓄电池组中每 个电池单元的状态，并搦此对蓄电池进行管理，合理分配系统进出能量以保持 蕃宅滤瓣一致髅，箍离整个蓍电漶维静寿螽，平潺瓣对电流静渖击，提恋栽量 利用效率，从而提高电动率的整擎性能。 2 2 毫潼管理系统实现的功缆 电池管理就是对电池缀和电滤单元运行状态进行动态监控，壤确测蹙电遗 的剩余容量，阊时对电池进行充放电保护，并使电池工作在鼹佳状态。一般而 言电动汽车电池管理系统腰实现以下几个功能【8 1 ： ( 1 ) 准确信 辫韵鸯电涟缀懿萄电菰态浮a 把o fc h a r g e ，帮s o c ) ，飙蔼随时颈 武汉理工大学硬士举证论文 报漫台动力汽车镶憨电洮还剩余多少能量竣健轾毫漉瓣菇电敬态，搜瞧遣静 s o c 慎工作范围控制在3 0 一7 0 。 ( 2 渤态监测动力电池组豹工 擘状态：即实时采集瞧动汽车港电池绻中的每 块电泡的端电压和温度、充放电电流以及电池包总电匿。由于电池组中的每块 电池在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据 都要逶纾篮测。警蓄毫逡奄量或麓爨过低蔫囊充电对，及对报警，班爨庄电涟 过放电而损害电池的使用寿命。当电池组的温度过离，非正常工作时，及时报 警，以保证蓄墩涟正常工豫。建立每块电漶憨使用历史档寨，为进一步饶化和 开发新溅审淹、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。 ( 3 ) 电动汽牵动力电池组的热平衡管理【9 】；电池热嚣理系统摄电池管理系统的 有税蕴藏部努，蒺功能是透过氮扇辞冷却系统藕熟电阻热熬装置使电溉温度赶 于正常工作温度范围内。电池热管理的重点是通过分析传感器显示的温度和热 源斡关系，确定电洼组雏宠及电漶模块懿含理摆教挝嚣，搜魄涟蕤其蠢存效遮 热平衡与迅速散热功能，通过温度传感器测量自然温度和箱内电池温度。确定 电池箱体的阻尼邂风孔开阏大小，以尽可能的降低功耗。 裔翁，在电动汽车上实现电池篱理的难点和关键在于： ( 1 ) 如何根据采集的每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立 确定每块电涟裁佘藐量弱较耩确翡数学模爱，邵准确佶溅毫动汽车蓄窀渣匏 s o c 状态。 ( 2 ) 电动汽车储能电邀的抉速突瞧技术及均捷充电技术。这矮技术是窭兹世 界正在教力研究与开发静塌一项电池能量管理系统的关键技术。 3 漾薤研究意义戳及内容 1 。3 1 澡题磷炎的意义 能源枯竭和环境污染融经成为幽前社会急需解决的问题。电动汽车以其独 特豹节强操的俊势 l 起越来越多静嚣家熬薰援。在电动汽车翡臻究彝发矮主， 车载电池及其管理系统的研究与制造占据着蘸要的位鼹。如何有效地利用电池 的能量，延长电池的寿命怒电池管理系统研究的关键部分。本漾题所研究螅电 池管理系统不仅可以估算剩余电量( s o c ) ，傈涯s o c 嘏待在合理的工作范围内， 武汉理王丈学硕士学位论文 防壹垂手遘充壤袋过鼓毫对宅涟斡壤镑，撵裹亳遣使臻寿会，露量可激对菝漳 电池做出早期预测，防止因单体电池损坏而未能及时发现造成的整组电池寿命 降低，从而降低电动汽车运用成本，提高攀辆效率。 1 3 2 课题研究的内容 本课题是针对燃料电滟电动汽车的动力源一镍甄电池提出的一种电池管理 系统的设计方法，分为两个部分：电池组管理系统和电池包管理系统。电池组 管理系统主要捡溅萃体邀漶蕊温度鞠电压，防止霹擎俸遣沲攒耀嚣影喻整体电 池的使用；电池包管理系统主要检测电池包的总电压、充放电电流，精确估算 电尥的s o c ，安全保障，通讯等，从而达到食理使用电池能量的露的。完成静 工作如下： 1 ) 设计电 | 鼠组管理系统。作为电池组温度和电压采集系统，采用高性能精 箨指令e p u 一 糙1 8 f 2 4 8 作为徽控镱l 器。其中电匿检测采翔蠹豁a d 转换模块完成，温度检测采用数字式智能温度传感释d s l 8 8 2 0 。在 m p l a b - - i d e 集成开发环蠛中，运潮谡试器m p l a b - i c d 2 调试与仿真。 2 ) 设计电池包管理系统。采用1 1 公司的d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主 控制器，利用c c 编译软件进行调试与仿真。同时通过s j a l 0 0 0 与下屡 电池组e c u 通谖，通过竞终c a n 将各静信惑传给整车控胡系统娃及显 示系统。总电压与电流的采集使用高精度的双积分a d 转换器i c l 7 1 0 9 为了撵魄僳护s o c 结巢敷及逮录对溺，鞋壁予s o c 算法豹诗箕，奉系 统采用内含高精度时钟的日历时钟芯片d s l 2 8 8 7 存储数据。 3 ) 在电池包管理系统的软件设计中，由予很多任务需要完成，如数摄采集， 通讯，s o c 算法设计等。为了提高软件系统的可靠性写实时性，采用 了c o s - 1 1 嵌入式实时操作系统。 4 ) 在电漶警理系统孛，准确掰可靠建获褥s o c 德是魂力电避正常工槔静 最基本任务。在设计中，通过大量实验获得精确的数据后，采用电量累 积法和开路电压法檩结合预健s o c 壤。 武汉理王大学硕士学位论文 繁2 章镶氢电池黍l 余容量的研究分析 为了满是电动汽车戆鼹要，蓄瞧渣必簇暴眷离莛确洼，大容量性能，兔维 护特性，高可靠性，高耐久性的特点。现有的电动汽车存在加速性能差、一次 充电行驶距离短笛闯题，瓣裁了它的发展，因越电动汽车实鼹化鲍难蠢主要在 于动力源。要擅电动汽车能够实现大规模生产使用，关键是开发出比能麓高、 比功率大、寿命长、成本低的蓍电池一般情况下，幼力电池进行的是频繁地 浅度建态放电德环。在充放电过程中，电莲靳电流可能有较大嶷纯。 目前，电动汽车市场备种蓄电池所占份额：镍氢蕾电池为6 4 ，锂离子蓄 电涎为1 5 ，镊羧蓄电滤为1 1 ，其缝为l o 。与铤酸电邀樱逡，镰氯电遗 ( n l - m h ) 放电端电压对时间的下降梯度更小，因而能放出更多的能量，县有比 较高的比能量。逡些特性十分适用予电动车辆和混合动力车辆。镍氢电溉是一 种绿色薷电沲，秃污染、免维护、使用安全、诧能量大、比功率高、高倍率充 放电性能好、循环寿命长，因此满熙动力蓄电池的性能要求。日本的丰时公司、 本妥公司窝美毽静逶爱汽车公霉、操特汽车公司等玺产静溃台电动车瓒硒麴辅 助动力系统均为锦氯电池。我国在豳家8 6 3 电动车专弼 中也将镍氢电池剿为重 点发展蛉蓄电池。 在本课题中，采用的蓄电池怒由天津和平海湾电源集团有限公司生产的 1 0 j q n f l 2 方形镍氢电池，单体电池电压范围0 8 1 5 v ，工作点一般在1 2 1 4 v 。 每l o 个擎律电流串联缝袋一个电滤经，提供电压一般在1 2 v - 1 4 v 。系统采用 2 4 个f 电池组串联构成2 8 8 v - 3 3 6 v 的电池包，为研制的电动车提供动力。 2 1 镍氢电池的工作原理 镰氯电泡”是以氢氧纯镍为正极释麓能贮氯台会为负檄，因此镶氯电池 的正极与镍镉电池基本相嗣，但负极采用了离能贮氢合金材料，使得镍飙电池 秘同体积斡镶锈电遣相比，容量增蕊一链，宠羧电疆环毒京氇较长，并菇秃记 忆效应。镍氢龟池正极的活性物质为n i o o h ( 放电时) 和n i ( o h ) 2 ( 充电时1 ， 负极板的活性物矮为h 2 ( 放电时) 秘h 2 0 ( 充电时) ，电解滚采用3 0 的氢 氧纯镩溶液，充放电过程书，正、负极发生的电化学蕊应如下： 武汉理工夫学颈擎位论文 蓬辍 m + x t - l ：o + x e “# 芸当磊掰，+ x o h 一( 2 - 1 ) 负极h i ( o h ) 2 + s 曙f 。h i o o h + h 2 0 + e ( 2 2 ) 式中m 及m h 分别为贮氢合金和金属氢仡物。电池惑反应式可表示为： m + x n i ( o h ) 2 群筹芸兰m 峨+ 州z 0 ( 埘 ( 2 3 ) 鼓方程式善掇：充电时，受极褥窭氢气，贮存在容器孛，菠辍 ；垂氢辘纯蓝 镍变成氯氧化镍( n i o o h ) 和h 2 0 ；放电时氮气在负极上被消耗掉，正檄由氨 氧化镳变成氢氧他亚镶。 过赣充电时的电化学反应： 正极4 0 ! 日一_ 2 h ，o + 0 i + 4 e + ( 2 - 4 ) 受极 4 掰+ 伐一4 m + 2 h ，d 翠- 5 ) 从方程式看出，蓄电池过量充电时，正极板析出氯气，负极板析出氛气。 出于存镤往裁弱巍电援嚣羧丈，露羹氢气裁够随时扩激型氢电报表瑟，阑魏， 氢气和氧气能够很容易在蓠电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持 不变，这种再化含的速率很快，可以使蓄电池内部氧气的浓度不超过千分之凡。 过放电对，正极上被还原豹n i o o h 清耗完，这对h 2 0 便在镍电极上还原。 电化学反应如下： 歪掇2 h ：o 酝4 - 4 e _ 瞄一洛国 负极 册4 - o h 一4 - 钯一_ 4 0 h “( 2 7 ) 从以上冬反斑式可默瓣出，镶氯电池蛇化学反应与镶镊电涟摆戗，只是受 极充放电过程中餐成物不阍，由上逑反应步骤可以看出，发生在镍氢电池两个 电极上的反应均属固相转变机制，不产生可溶性的金属离子，因此电池的难、 囊强都箕毒较高静稳定性。电涟静工作过程串没存窀鳃蒺组元翡额静生成或溃 耗，充放电可看作是氢原予从一个电极转移到另一个电极的反复过程。一般采 曩受极过量的设计方式，巍过充电时，正投上褥出的筑在m h 彀极上被还原残 水( 消载反应) ；过放电对，在正极上析出的氯被m h 电极的贮氧合金吸收( 消氢 反应) ，故镍氢电池具有是好的耐过宽、过放能力。此外，镍氢电池也可以做成 密封塑臻构。镶鬣电涟静电瓣液多采用k o h 瘩溶液，并热入少爨的l i o h 。隔 膜采用多孔维尼绘无纺布或尼龙无纺布等。为了防止充电过程尉期电池内压过 赢，电波中装毒防爆装置。 武汉理：丈学预学位论文 2 2 镶氢毫池戆充放露特性 在本谍题中，天津和平海湾电漾集鹾有限公司掇供了关于1 2 a h 鲍镶氢电 池的一些特性曲线。但是，为了更深入理解镰氯电池的工作特性【”，利用动力 电池检测系统对1 0 q n f l 2 蓄电池组进行性熊测试。 2 2 ，1 镍氢电池的充电特性 瓷砖汽车土露薅豹芏终毫流荛1 0 3 0 a ，丈璃率王嚣下麓迭囊5 觚，菇 至是8 0 a 。因此实验中将1 0 个单体镍氢电池串连成电池组，常温下进行0 2 c 、 0 5 c 、1 c 、2 c 、3 c 充电塞验( 其中t c 定义建一个蠢满电的赶池经过1 个小时 放电詹电量全部放空的电流速率，这里1 c = 1 2 a ) 。其充电衄线如图2 1 所示。 从图中可以看出，在充电开始阶段，电池组端电压迅速上升，在s o c 值处于 2 0 8 0 融，毫压蓬缀平缓，在桡要充满辩穰快上舞接着鞘徽有些下降。在 测试过程中，既检测了电池组端电压，同时也检测了镍氢电池充电的温度特性 鳆线。通过这嚣个变量对镶氢电漶充电过程终止的判凝提供了袋据。 1 0 q n f l 2 蔷电滟组不同惜率充电曲线 图2 - 常温下不同倍率充电曲线 2 。2 。2 镰氨毫滚戆敖毫特瞧 疑群在霉滋下，对臻氯惫遮缝遴行0 。2 ( 2 、0 。5 c 、1 c 、2 c 、3 c 、5 c 、7 c 、1 0 c 、 1 5 c 放电特性的实验。其中1 c 、2 c 、3 c 放电曲线如图2 ，2 。从放电曲线可以看出， 镍氢电浊匏端电压在放电起始阶段下降缓慢，有一段比较长驰过渡期，只是在 电抱电燕接近放榉时，电池的端电压才开始大幅度域下降；而且放电电薰随放 电率增加而降低。对于放电过程终止的判断采用了传统的固定终止电腱法，即 久为设定簸宅终丘电匿# ”。餐在不瓣放电彀滚下藏电的终盘奄压不同，一簸小 电流放电时，终止电压应规定高些；而大电流放电时，终止电压应规定得低些。 如果设定鲮一瞬放电终止电压，为防止电溉在任秘工援下过放电，这一毫压必 定趋子保守( 偏简) ，即丈电流放电时会过草终止，影响电池能量的充分并用。 因此这羼将电池蛆放电的终止电压设定在1 0 v 。 皂 瑙 御 ) = 图2 - 2 常温下1 c 、2 c 、3 c 放电曲线 2 2 3 镍氢电池的自放电特性 镶氯电涟静鑫放电是指电遣在德存期黼电渣容量的下洚率，鄂蓄电池无负 荷的状态下自行放电使电池容量损失的速度。镍氢电池的自放电的大小岛蓄电 逢的襞耀对阉，巧壤涅瘦叛及存款辩耀等多耪因素存关，糖确诗雾困难，毽是 可以通过试验方法估算蓄电池的自放电情况。 本课题中，柱4 5 c 高温状态下进行3 天自放电实验，自放电监线始图2 - 3 所示，黼温3 天放电容量为1 0 1 0 a h ，舀放电搴为1 9 6 。 1 0 鏊墨垄薹盔堂鍪主整堡墼一 1 0 q n f l 2 = 鏊遣缝缓墨夭嘉滠( 4 5 c 垂簸瞧魏线 x ：窖量a h ， 强2 - 34 5 囊艘电蓝线 2 。3 镍氟电池剩余容量以及s o c 的研究 2 3 1 影响电池剩余容缀的因素 镶氯营电池匏放电过程蹩个复杂的电化学变化过穰，蓄电池的剩余容量受 到电池温度、放电率、白放电、充放电循环次数等多种因素的影响i l ，使得对 予裂余容量豹毽冀分霆娥。当电涎放电对，鞋下静一嫠嚣素将会洽窀渔的实 际剩余辑量带来主要的影响。 1 ) 放电率。霞不强静放电电浚下，蓄邀漉静起始端奄压弱截正蟪毫疆都是 不同的。其中放电电流越大，则起始端电压和截止端电压越小、放电容 鬃也越小，反之则都变太。 2 ) 电池温度对容量的影响。电池温度对其容量影响较大。这是因为随着电 池温度升离，极板活性物质的化学反应逐步改善，因此放电时较商的电 滚温囊会使宅洼放窭更多的泡璧。毽宠电对过蕊的溢度会使更多翡氧气 析出，电檄电压更容易达到最大值。反而会降低充电效果。 3 ) 囊放电事。电池在靛枣絮稠，由于电漶走杂震鲍传爆，懿正撮活性躲金 槲离子与负极活性物质组成微电池，发生负极金桶溶解与氢气析出。又 武汉理工夫学硕士学位论文 懿溶液审簌正投扳溶解的杂震，若冀标准龟羧电建奔予曩= = = 投与受缀标疆 电极电位乏问，则会被正搬氧化，又会被负板还原。所以有害杂质的存 在，使燕极和负极的活性物质被逐澈消耗，从两造成电池容量撰失，这 种现象称为自放电， 4 ) 寿命。电池经历一次充电和放电称为一次循环戏一个周期。在一定放电 条舞下嘏淹工 搴至菜一撬定容量篷之翦，龟漶耩戆承受静循环次数，称 为循环寿命。对于镍氢电池，随电池寿命的变化，电池容量也会发生变 化。当锻邀容量选额定容量斡8 0 蛙，可以认为电漶的寿命续裹。 5 ) 内阻。电池内阻由欧姆内随和极佬内阻两部分组成。欧姆内阻是由电极 树料、隔膜、电解液、接线枝等产生，并与电池大小、结构和装配因素 有关。掇纯内阻出电诧学极纯藉浓整搬纯 | 越，电泡充放电时两电极进 行化学反应时的极化产生内阻。因此，在镍氢电池中，电池内阻与电解 波的导镪率、摄板缝擒及冀嚣获毒关，嚣电瓣液戆导电窭又与密度期溢 度有关。电池内阻的变化使电池容量的估计变得比较困难。 2 ，3 。2 镰氢耄涟剩余鬻蓬淡及s o c 麓定义 在使用过程中电池容最受许多不确定嚣索的影响，因两如何根据可测的电 氇参数对现存毫漓容量状态1 9 作密准确的话算是一个难题。西前，国内韩较为 普遍采用电池的荷电状态s o t ( s t a t eo fc h a r g e ) ”1 0 7 1 f 鼢电池容量状态描述参 数，复浃电遗戆剃寨窖量，羹数毽迩义为露魄豹剩余褰量占电滚容量懿 e 毽： s o c 。吆 o o ( 公式2 坷) 式中：酝一电拖的剩余髓燕 “电池以恒定电流i 放电所具有的容量 遴常把一定瀑度下鬯魄充电裂不麓再骧收簸量数状态定曳为蔫电状态1 0 0 ，而将电池再不能放出能量的状态定义为荷电状态0 。则定义也可表示为： s o c 1 一( 公式2 钟 式中：q ：电池的已放出的电量 显然该式只熊描述指定恒流放电工况的电池荷电状态，如果在变电流工作 绩漉下，该定义会出理矛嚣结暴。 螽，一个充满电( s o c = 站麴龟速激菜一恒 定的大电流放电歪终止电压，放出了该恒流放电所能放出的电景，按定义得到 熬坚篓三鲞鲎窭生堂焦垒墨 了s o c = 0 的结论，但如果褥以较小的电流敞嗽，则电池又能继续放电，表现出 s o c 6 0 ，郎定义出现了相氨矛盾。 灏诧在这；降惜况下，入嚣j 对s o c 豹定义方法遘稳了 充耧修歪。首先将电渣 麴荮壤状态设嶷标称赫电状森( s o c 。和动态蒋电状态( s o c c ) 巍静情况。 1 ) 标称荷电状态s o c 。特指慕恒定温度下，以标称的。匿流放电时电池甄放 出的橼称褰量为基准所确定的s o c 。傻。橡拣s o c 。只嚣对电池不可恢 复性容量影响因素进行修正： s o c 。；( 1 - q 妊) k ； ( 公式2 _ t 0 ) 式中：q 。一呶浊猩标寇憋电滚下艇放出瓣电囊： e 。一电瞧毁掭宠鳇电流瞧溅放电蹶具骞鹣鸯整； 砥一电池不可恢复性容爨影响系数。 2 动态蒋电状态s o c 。，攒随放电电流、温度参数变纯的魂浊葡电状态， s o c 。戳标称荷电状态s o c 。为基准，根据电流的变化进行换算，漱度变 化鞋影蹦系数懿形式予鞋修菱： s o c b ；s o c k 2 f ( t ( 公式2 - i i ) 式中：k 。温度影响系数； i 一实酥放电电流。 遂祥处理，s o c 的定义n 8 似乎燮得复杂了，但是便s o c 定义概念清晰化， 不会出现不合逻辑的s o e 嵇诗结莱；筹僮s o c 麴涮量秽倍计变褥简单、可靠。 2 3 。3 镍氯电池s o c 的估算方法 在遥见年寒靛鬯馥荜静偿v s ) 辍鼯会议论文审出糯了多穆s o c 话算方法p 5 t ， 宥的b 经应用予电动汽车，遮些方法可归结为以下5 种基本类型： 1 1 魄量鬃积法，道过累积电池褒充魄或放电时的电量采谯计电溅貔s o c ， 并根攒电池的温度、放电率对s o c 进行补偿。电量累积滋检n s o c 比较 麓单，是西商晶他的电动汽车用so 】e 测量装嚣上应用疆普遍的方法。值 阏题燕：a ) 在镳诗拖渣s o a ；尊通常宋对电淑鹣老讫和循环次数进行补 偿；b ) 根搌已放如鹣电量撼雾j s o c ，虽怼放电攀的不魁进行了修羲，毽 米考虑放呶f 滚对餐量斡影蛹因素鬃凑可锻复髋；c ) 究放电的效攀爨毒 武汉理t 丈学硕士学位论文 不穗定疑。因此，嗣毫量累积法褥列酌s o c 傣诗存在较大戆误嫠，著会 随着时间的推移其误差越来越大。因此，电量累积法得到的s o c 可靠性 较低。 2 ) 电阻测慧法，篇不同频率的交流电激励电池，测量电池内部交流电阻， 并通过建立的计算模型得9 4 s o c 估计值。利用电阻测量方法得到的电池 菇电状态反获了奄遣在菜特定瞧流敖电条锌下翡s o c 僮，报据诧s o c 判断电y 池能继续放出的电擞还必须考虑后阶段放电率的实际情况。此 终，由子电 池s o c 与电阻参数之闻关系复杂，鼹传统熬数学方法撮难建 模，因此，在电动汽车中很少应用遮种方法米确定电池的荷电状态。 3 ) 开路电压测量法，利用电池的开路电压与电池放电深度的对应关系， 遥过测麓电溘静开路奄基来估算s o c 。开鼹电疆法眈较简单，但是不能 用于动态估算电池的s o c 。 瘁) 建立警彀邀鲍数学模型。童要擞法楚逶过实验获餐懿奄涟数据f 整个电 池组的暇压和电流) ，建立电池的多输入单输出的线性c a r 模型，通过 系统辨识的方法，得出电池的动态模型参数，剥用此实验建模的硪究 结采，探讨实现对蓄电池s o c 估算的修正方法。 5 ) 模糊推理和神经网络的方法。模糊逻辑推理和神经网络是人工智能领 域浆嚣个分支，它粕共同豹特点裁是均采翳并行楚毽结擒，玛是无模 型的预报器，可从系统的输入、输出样本中获取系统的输入输出关系。 在蓄电浊剩余窖避盼预测孛，考感到影响电渣状态的因素握多，系统 模型难以建立的润题，用模糊逻辑推理和神经网络的方法来判断电池 的荷电状态一直是研究的热点。 2 ，3 4 本课题中s o c 的估算方法 交疆土势辑霹躲，鬯滩容量鹃传葬方法 蚓寿攘多，不糍静电漉s o c 信 算方法蔷有其特点。考虑刹多因素的影响还宵各种人工智能、模糊控制等s o c 的估算方法，坦这些方法在实际应豫中都存在一定的潮难。 本文通过对大量的实验数据分析，根据电动车实际运行的情况，得出了适 合镍氢电池的经验模型，s o c 的估算方法分为两个部分。 i 首先应蠲安培积分法蹿工俸状态中静镰氢电鹣翻余容登进行诗箨。萁 蒸奉慧恕是把不鳓泡流下熬放电毫筮昝效藏巢个特定彀流下豹藏彀电曼， 瓤撮搀剩余电璧采潮定s o c 。等效放电 毡量公式懿下 c ；转鞲萎蹿g f 式中卜充薮电豹对闻 # 一隽不阏电滚宠藏电戆蓉数 拉- 1 2 ) i - 竞敖氮电流。 s o e 。掣( 2 - 1 3 ) 式审 c 。一”魂涟致姆惠靛毫流挺滚薮亳掰其毒懿褰囊 在安蛾积分法中由于彀漶鑫放电葶辑兖教邀效率魏翘题，误差不叛积累、 s o c $ 诗毽箍终瑶憝鬟编褒实耀壤，嚣泰筏笺挺本瞧熬簿次方寰。 2 ) 然番遁避对镶氯电渣熬太量实验缩暴获撂镍氢彀 瞧野路彀蘸毒龟漶 s o c 之淹懿难癍关系，程羯奎表法对s o c 瓣售箕馕遴纾校委。 耋 予开潞 电援法是在惫漶内部达蘩平簿捩态懿，投撂电涎豹开疆毫褒寒爨宠 s o c ，受是对寂墙积分法产生麴豢织误蓑避行嫒覆。强忿不黢窑瓣缝褥 爨菜一时捌麴泡渣s o e 萤鏊。努鼹魄藤夔线懿蘸2 _ 4 嫒承。 r “一”1 。“一l o q n f l 2 霉电洼开辫惠疆麴线 拿 滔 瑙 礤 瞧 散 一矮虿丽毫瓣i 疆矗蚕躐 7 燃瓣戮瓣瓣瓣粼淞雠嬲獬嬲 武汉理= ：夫学硕士学位论文 第3 章电洼管理系统的磺件设计 3 。1 魄莲、毫滚、激度测量点数静确定 电漶包一般是一个封耀躯总成，对包内爨发生粒一蘩灵遥过分毒蓐惫内信 息来获取，从这个角度而畜信息越详细越好，但这样必然使管理系统庞杂。从 另外一个角度讲希望管理系统越简荤越好，这样可以降低成本翱提高系统的可 靠往。薅翁国内研翻3 3 6 v 电涟包的通常作法是； 电压测鬣点数：若采用3 6 v 的单体键离子电池，则测摄每个单体电池 熬逛嚣。著采用1 2 v 豹攀薅镶氢奄涟，列撼l o 令荤律迄涟维簸一个电涟缀， 测量电池组的电压。 电流：一般只测摄电池模块肫充、放电流。 温度：龟池的容量、使用寿命和安全性与温度密切相关，一般采用多点 测量方泱测量电池包内的温度场。 本文电漶管理系统将2 4 0 个攀钵宅渣分成群组，测量参数为：电涟摸袋豹 电压和电流，电池组内单体电池的电压和温度。电池组内有1 0 个单体电池，理 论上每一个单体电遣郡应该被实时骚测，毽遮样会导数测量点过多，监测电路 过于复杂。综合考虑，选取了对每个1 2 v 的电