（光学工程专业论文）电动汽车电池管理系统的研究.pdf

山东理工人学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着全球环保意识的增强和能源问题的突出，电动汽车已成为节能环保绿色车 辆最主要的发展方向之一，在二十世纪得到迅速发展。电动汽车的动力源动力 电池，是目前电动汽车发展的瓶颈。电池技术和电池管理系统( b m s ) 的研究是解决 该问题的关键，倍受人们的关注。 本课题以云雀轿车改装的双轮驱动纯电动汽车( e v ) 为试验平台，以阀控式铅酸 蓄电池为研究对象，研制适用于电动汽车的电池管理系统。目的是延长电池使用寿 命、提高电池的能量效率和运行可靠性。 本论文利用安时法( a h ) 和卡尔曼滤波( k a l m a n ) 来估算电池荷电状态，并利用 m a t l a b s i m u l i l l l ( 仿真验证估算方法的精确性。在设计电池管理系统时，采用分 散采集集中处理的电池管理系统设计方案，即首先对各个单电池的基本信息进行采 集，然后由电池管理系统的控制芯片( i 皿n e o nx c l 6 4 c s ) 进行集中处理计算，从而得 出电池荷电状态和电池工作状态等信息。在硬件设计中详细介绍了e c u 控制单元、 信号采集电路、主电路短路保护电路、c a n 通信接口电路等的设计。利用x c l 6 6 集成开发环境t a s k i n g 与s i m u l i n kr e a l t i m ew o r k s h o p ( r t w ) 连接进行代码的硬件仿 真与软件调试，采用v 字型的开发流程，使各个开发阶段之间实现了无缝连接，提 高了开发效率，保证研发系统的可靠性。 最后，将铅酸蓄电池与本文所设计的电池管理系统联合进行调试、试验。试验 结果表明，本文所设计的电池管理系统( b m s ) 可以实现蓄电池的电压、放电电流、 温度等模拟量的采集，能够对电池剩余电量和电池荷电状态进行估算，液晶显示板 能实时显示电池剩余电量并能够进行故障报警。 关键词：电动汽车；电池管理系统；电池荷电状态；卡尔曼滤波 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 第一章绪论 汽车的出现已经一百多年，经历了从欧洲的手工生产到美国的自动化生产、到日本 的精益生产三个阶段。它促进了经济的发展，改善了人们的生活，但是汽车发展到今 天，也带来严重的问题，即能源、环保和安全。这是可持续交通的三大挑战，也是2 1 世纪汽车革命的方向【1 1 。就在世界各国努力研发安全、洁净、环保的汽车时，人们把目 光再次投向了电动汽车身上。 自1 8 7 3 年戴维逊成功地研制了第一辆电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 后，电 动车在十九世纪就有了一定的发展，但由于蓄电池性能差，汽车续驶里程短，整车性能 不能满足用户的要求，而逐渐退出了历史舞台【2 j 。自上个世纪9 0 年代以来，随着世界 汽车保有量的急剧增长和汽车工业的飞速发展，传统的内燃机汽车对人类环境的污染越 来越严重，约有4 2 的污染来自于燃油汽车的排放，环境保护的呼声日益高涨，再加 上石油储量日益短缺的压力，迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。电动汽车再度成 为世界各国的研究热点，成为各国汽车行业关注的焦点。现代的电动汽车技术是2 0 世 纪最伟大的2 0 项工程技术成就的前两项技术的融合，即“电气化”和“汽车”融合的 产物【3 】。现代电动汽车具有能源效率高、能源多样化、低噪声、零排放污染等突出优 点，将成为二十一世纪的重要交通工具之一，开发前景十分广阔。因此，发展电动汽车 目前被认为是解决未来能源与环境问题的最有希望的措施之一，在世界范围内得到各国 政府、汽车生产企业和科研机构的高度重视【4 】【5 】【6 】阴【8 】o 美、日、欧等发达国家和地区主要集中于电动轿车的研制【9 】。电池也由以前单一选 用的铅酸电池，发展到现在所用的镍氢电池、新型铅酸蓄电池、镍镉电池、锂离子电池 等各种新式高性能电池；驱动电机既有直流电机，也有交流电机；快速充电方法及制动 能量回收方法的研究也有很大的进展。 我国政府非常重视对电动汽车的发展。在“九五”、“十五”期间，国家投入了大 量人力、物力对电动汽车进行研发，电动汽车被列入“8 6 3 ”重点项目、十五重大攻关 项目。各省及汽车生产企业也在积极地进行电动汽车的研发，本论文课题就是结合山东 省电动汽车研发项目展开研究与实验的。 电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车，但制约他们未 能普及的关键因素是车载动力电池的技术相对落后【l0 1 。世界各国都在为电动汽车潜心 研制高性能车载电池，但仍与期望目标存在较大差距；利用电池电子技术，开发高智能 1 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 电池能源管理系统，可有效地缩短目前电池能量相对低与期望目标相对高的差距；可以 有效地解决电动汽车续驶里程和乘坐舒适性之间的矛盾；可在复杂多变的外界环境条件 下，更高效地利用电池能量，并能延长电池寿命等。本课题是以阀控式铅酸蓄电池为动 力源、以纯电动汽车v ) 工程项目为背景，对微型纯电动车所用的阀控式密封铅酸蓄电 池组进行监控管理。 1 2 电动汽车电池管理系统综述 1 2 1 电池管理系统的重要性【l l 】 混合动力电动汽车( h e v ) 电池管理系统的要求是监测电池的剩余电量，预测电池的 功率强度，以便监控电池的使用工况，在汽车启动和加速时提供足够的输出功率，当刹 车时电池组能够回收更多的能量以便提供足够的输入功率，并且不对电池组造成伤害。 而电池的功率强度则直接影响h e v 的加速性能。对于纯电动汽车( 】巳v ) ，电池管理系统 不仅要求能够正确监测使用过程中消耗的电池能量，而且要求能够预测电池所剩余的电 量即剩余电量，电池的剩余电量直接决定e v 的最大续驶里程，纯电动汽车的电池管理 系统根据汽车当前行驶工况，预测汽车续驶里程，这样可减轻驾驶员的心理负担，以避 免半路抛锚。 电动汽车的动力电池多采用串联方式连接，在充放电的过程中，以串联方式供电的 电池的运行工况要比单电池供电的情况复杂的多。这主要是由于电池组内各单电池充放 的不一致性造成的。电池的不一致性会严重影响电动汽车的性能，因此对每个单电池运 行工况的监测是十分重要的。 当电池出现过充或过放等异常情况时，电池专家诊断系统给出报警信号并对充电机 或用电设备给出控制信号，同时建立电池的历史档案，根据这些历史档案给出每个电池 的健康状态及维护信息，起到电池保健医生的作用。 综上所述，电池管理是电动汽车的关键技术之一，能够对剩余电量和功率强度进行 预测，并集智能充电和安全诊断等功能于一体的系统。 1 2 2 纯电动汽车对电池管理系统的要求【1 2 】【1 3 】 纯电动汽车电池管理系统具有智能性的特点，具备预测电池剩余电量、预测行驶里 程、故障诊断、短路保护、显示报警及实时监测电池运行状态参数等功能，而且系统可 以根据运算及判断结果对运行工况进行智能调节，具体介绍如下。 1 电池剩余电量估算：电池荷电状态( s 僦eo fc h a 玛e ，简称s o c ) 的估算，在电池管理 2 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 护；过放电报警系统；电量里程计算；地线绝缘失效检测及保护。 2s m a r t g u a r d 系统 s m a r t g u a r d 系统主要特点是在电池上装有一分布式的管理装置来测量电池的电压 和温度。该系统的主要功能是：过充电监测与控制，电池历史纪录，提供最差供电电池 单元的信息。 3b a d i c 0 a c h 系统 该系统的主要特点是在每个电池单元上有一非线性电路来测量电压，并将电池组各 个单元电压通过条信号线传输给b a d i c o a c h 系统；最差的电池单元的剩余电量被 显示；对最近2 4 个充放电周期的详细数据进行存储，根据该数据对电池工作状况好坏 作出判断，并快速查找电池基本信息和错误使用情况。 4b a 硎a n 系统 b a t 刚a n 电池管理系统的最大特点是将所有的不同型号动力电池组的管理做成 一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同型号电 池组的管理。 5b a t o p t 系统 该系统是一个分布式系统，有中心控制单元和各电池的监控模块构成。利用 t w o 晰r e 总线，监控模块向中心控制单元传输各个电池工作信息，中心控制单元收集信 息后进行优化控制。 此外，日本、法国的汽车企业也研制了各自的电池能量管理系统，在这里就不再作 介绍。 电动汽车的快速发展为与其相关的电子技术发展提供了巨大的契机。电池电子技术 就是针对电池的复杂的电化学系统，依托于电力电子技术、单片机技术、智能控制与最 优控制和电化学科学等相关学科而兴起的新应用技术领域分支。电池电子技术的目标就 是将电池应用推向一个更高的阶段，达到少维护、无人管理、高安全、智能化和无公 害，最大限度的优化电池的使用和延长电池的寿命。 1 3 2 国内的发展状况【1 7 】【1 8 】【1 9 j 我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后，在电池管 理系统m s ) 技术方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在国家8 6 3 计划 2 0 0 5 年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的e q 7 2 0 0 h e v 混合动力 轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的e q 6 l1 0 艇v 混合动力城市公 交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车 用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力 城市客车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能 4 山东理_ 丁大学硕上学位论文第二章阀控式密封铅酸蓄电池及e 在i 【i 动汽车一j ：的应用 第二章阀控式密封铅酸电池及其在电动汽车上的应用 铅酸蓄电池自1 8 5 9 年由法国人普兰特( g a s t o np l a n t e ) 发明使用至今已有1 4 3 年的历 史。1 9 5 7 年英国首先发明了再化合免维护汽车蓄电池，德国阳光公司发明了触变性凝 胶工业用铅电池，1 9 8 3 年美国g n b 公司发明并生产了i 型阴极吸收式密封铅酸蓄电 池，1 9 8 5 年日本j a s a 公司开始生产m s e 系列大型阴极吸收式密封铅酸蓄电池。随 之各国都制订出了相应产品质量考核的技术标准。 上世纪8 0 年代起，国内生产类似产品的企业大量发展，1 9 8 8 年深圳华达电源系统 有限公司首次引进了美国g n b 公司的技术，消化吸收后开始生产阀控式铅酸蓄电池， 通过并联组合最大容量可达1 2 9 6 0 a h 。2 0 世纪9 0 年代我国生产类似产品的厂家遍及全 国。 铅酸蓄电池经过百余年的发展与完善，成为世界上广泛使用的一种化学电源，具有 电压特性平稳、使用寿命长、价格低廉、原材料丰富等优点，而且原材料还可再生使 用。二十世纪后期，阀控式密封铅酸蓄电池a l v er e g u l a t e dl e a da c i db a t t e 巧，简写为 v i u a ) 技术产品化为铅酸电池进一步发展增添了活力。阀控式蓄电池具有体积小、白 放电小、免维护、可自由放置等优点，目前已广泛地用于电动汽车领域。本章首先介绍 电动车用蓄电池的相关概念，然后介绍阀控式铅酸蓄电池的特点和在电动汽车上的应 用。 2 1 电动汽车用阀控式密封铅酸蓄电池的基本概念 电池组、单电池和单体电池：单体电池是电池内只有一对反应极板，电动势为2 v 的蓄电池，是组成单个电池的基本单元；几个单体电池封装在一起组成单电池，简称电 池( b a 骶劝；由若干单电池串联或并联组成电池组( b a 妣r i e s ) 。 蓄电池容量：蓄电池在一定的放电条件下所能给出的电量容量称为蓄电池的容量， 用符号c 表示。电池容量等于放电电流与放电时间的乘积，常用安培j 、时( a h ) 为单 位。电池的容量分为额定容量( 标称容量) 、实际容量。根据电动道路车辆用铅酸蓄电 池g b 厂r1 8 3 3 2 1 2 0 0 1 文中规定，铅酸蓄电池额定容量是在2 5 环境温度下，以3 小 时率电流放电时，应放出最低限度的电量( 单位：。在实际应用中一般采用电池荷电 状态( s t a c eo f c l l a i l g e ，简称s o c ) 来描述电池剩余容量。s o c 定义为电池剩余容量与总 容量的百分比。 蓄电池放电率：放电速率简称放电率，常用倍率和时率表示。时率是以放电时间表 7 山东理工人学硕士学位论文第二章阀控式密封铅酸蓄电池及其在电动汽车】：的应用 示的放电速率，即以某电流放电至规定终止电压所经历的时间；倍率是指电池放电电流 的数值为额定容量的倍数，例电池容量为4 0 a h ，若放电电流表示为1 c a 时，则此时 放电电流实际为4 0 a 。 放电终止电压：铅蓄电池以一定的放电率在2 5 环境温度下放电至能再反复充电 使用的最低电压称为放电终了电压。大多数固定型电池规定终止电压为1 8 v 。终止电 压值随放电速率而定。通常，为使电池安全运行，小电流放电时，终止电压取值稍高， 大电流放电时，终止电压取值稍低。 蓄电池的循环使用寿命：蓄电池失效前所允许的深放电次数。深放电一般是指蓄电 池完全放电到截止电压。该指标是评价蓄电池质量优劣的重要指标。 蓄电池的自放电：蓄电池在没有负荷的条件下，由于电池内存在杂质，如正电性的 金属离子和溶液中以及从正极板栅溶解的杂质，这些杂质与活性物质组成微电池，产生 负极金属溶解和氢气的析出等情况。有害杂质的存在，使正极和负极活性物质逐渐被消 耗，从而造成电池自身容量损失，这种现象叫做蓄电池自放电现象。蓄电池自放电使得 电池能量损失的速度成为自放电率，通常以月为计时单位。 蓄电池的能量密度：蓄电池组单位质量或体积所能输出的能量。通常质量能量密度 定义为蓄电池的比能量，即单位质量 g ) 所包含的的能量( w h ) ，用w 1 1 蚝表示；体积 能量密度定义为蓄电池能量密度，即每升( l ) 体积所包含的能量( w h ) ，用w h l 表示。 蓄电池的能量密度是评价电动汽车车用蓄电池性能好坏的重要指标，它影响到电动车整 车的质量以及续驶里程。 能量效率：蓄电池作为电动汽车的能量储能装置，充电时把电能转化为化学能储存 起来，在放电时再次转化为电能释放出来。在这个过程中，存在一定的能量损耗，通常 用能量效率( 刁) 来表示蓄电池的这种损耗。 刁2 鲁 p ，刁 x 山东理工大学硕士学位论文第三章应用k al a h 算法估算电池荷电状态及仿真 第三章应用虬虬a h 算法估算电池荷电状态及仿真 电池剩余容量的多少一般用电池荷电状态( s o c ) 来描述。电池荷电状态是无量纲的 量，既可以反映电池剩余的电量，也可以反映电池消耗的电量。电池荷电状态估算是电 池管理系统的核心部分，也是电池管理技术的难点之一。电动汽车蓄电池在使用过程中 表现为高度非线性，这使得准确估算电池荷电状态具有很大难度【2 9 1 。本文采用 k a l m a n 滤波法与安时计量法的组合算法( 以下简称k a l a h 算法) 来精确估算电池的 荷电状态，并通过m a t l a b s i m u l i n l 【仿真，验证该方法的可行性及准确性。 3 1 影响阀控式密封铅酸蓄电池s o c 的因素 影响电池容量的因素主要有负载电流、工作温度、充放电循环次数、自放电和电 池老化等。 负载电流直接影响电池的放电终止电压。在电池规定放电终止电压内，负载电流 越大，电池所能放出能量越小，电池荷电状态下降速度越快。 电池容量受电池工作温度影响较大。环境温度在1 0 。c 4 5 。c 范围内，阀控式密封 铅酸蓄电池眦a ) 放电容量随温度升高而增加，如阀控式密封铅酸蓄电池在4 0 。c 下的 放电电量，比在2 5 。c 下放电的电量高l o 1 5 。这是因为温度升高，极板活性物质 的化学应逐步改善，因此放电时较高的电池温度会使电池放出更多的电量。但充电时， 温度过高会使得析出氧气过多，反而会降低充电效果。图3 1 表示电池温度与电池放电 容量间的关系。 ，一。， 0 i o2 03 0 4 0 噩度f o c 图3 1 电池温度与电池放电容量间关系 由于电池电解液或极板内存在杂质，使正极和负极的活性物质被损耗，造成电池容 量损失，这种现象称为电池自放电现象。蓄电池存放环境温度不同，存放时间长短不 1 2 山东理工人学硕士学位论文第三章应用k a l a h 算法估算电池付电状态及仿真 同，发生自放电时容量损失也有差异，具体关系如图3 2 所示。 飞 ? - 。、 儿i c 、_ 一 、 、 、 一一。、 、 、 、o 坚 、 。 。 、 o 芝 、l 、 6 加c 、 369 1 2 1 5 储存时间( 月) 图3 2 也a 电池自放电对电池容量的影响 3 2 电池荷电状态估算方法概述【3 0 】【3 l 】【3 2 】【3 3 】 根据参考文献【2 9 】及其它相关资料显示，目前国内外常用的荷电状态估计的方法主 要有放电实验法、安时( 圳计量法、开路电压法、负载电压法、电化学阻抗频谱法、内 阻法、线性模型法、神经网络法和卡尔曼滤波法。以下就这几种方法进行逐一简单的介 绍。 i 放电实验法 放电实验法是最可靠的电池荷电状态( s o c ) 估计方法，采用恒定电流进行连续放 电，放电电流与时间的乘积即为剩余电量。放电实验法在实验室中经常使用，适用于所 有电池，但它也存在两处显著缺陷：第一花费时间长；第二要必须中断蓄电池正在进行 的工作。 放电实验法不适合行驶中的电动汽车，但可以用于电动汽车电池的检修。 2 安时( a h ) 计量法 安时( a h ) 计量法是目前最常用的电池荷电状态( s o c ) 估计方法。假设放电( 或充电) 起始状态为。阳g ，那么当前状态( 时刻) 的电池荷电状态( s o c ) 表示如下。 s d g ：舳c o 一。弹 ( 3 1 ) fl f 式中，e 额定容量； ，电池电流； 卵充放电效率，不是常数。 安时计量法应用中也存在一些问题，具体细节将在第3 3 节中详细阐述。 3 开路电压法 电池的开路电压在数值上接近电池电动势。铅酸电池电动势是电解液浓度的函数， 电解液密度随电池放电成比例降低，用开路电压可估计蓄电池荷电状态( s o c ) 。文献 3 0 】 描述了铅酸电池开路电压、剩余容量和电解液密度的关系。镍氢电池和锂离子电池的开 13 卯 药 0 山东理工人学硕士学位论文第三章应用k a l a h 算法估算电池荷i 乜状态及仿真 增大，可用来估计电池的s o c ；镍氢电池和锂离子电池直流内阻变化规律与铅酸电池 不同，应用较少。直流内阻的大小受计算时间段影响，若时间段短于1 0 m s 时，只有欧 姆内阻能够检测到；若时间段较长，内阻将变得复杂。准确测量电池单体内阻比较困 难，这是直流内阻法的缺点。内阻法适用于放电后期电池s o c 的估计，可与安时计量 法组合使用。 7 线性模型法 线性模型法是基于电流、电压、s o c 变化量和上一个时间点的s o c 值间的关系建 立的线性方程，方程具体表达式如式( 3 5 卜式( 3 6 ) 所示。 伽c = + 毛形+ 屯+ 也s d e l ( 3 5 ) 舳c f = 舳c i l + 丛d c i ( 3 - 6 ) 式中：舳e 当前时刻的s o c 值； 如e s o c 的变化量； k 、当前时刻的电压与电流。 、毛、屯、屯利用参考数据，可通过最小二乘法，得到其值，无物理意 义。 上述模型适用于小电流放电且电池荷电状态变化缓慢的情况，对测量误差和错误的 初始条件有很高的鲁棒性。线性模型理论可应用于各种类型和在不同老化阶段的电池， 目前只查到在铅酸电池上的应用，在其他电池上的适用性及变电流情况的估计效果需进 一步研究。 8 神经网络法 电池是高度非线性的系统，对其充放电过程很难建立准确的数学模型。神经网络具 有非线性的基本特性，并具有并行结构和学习能力，对于外部激励，能给出相应的输 出，所以能够模拟电池的动态特性来估算电池荷电状态。估计电池荷电状态常采用三层 典型神经网络即：输入层、中间层和输出层。输入、输出层神经元个数根据实际问题的 需要来确定，一般为线性函数，常用电压、电流、累积放出电量、温度、内阻及环境温 度等作为输入变量；中间层神经元个数取决于问题的复杂程度及分析精度。神经网络法 适用于各种电池，缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方 法的影响很大。 9 卡尔曼滤波法 利用卡尔曼滤波方法估算电池荷电状态的研究是在近几年才开始的，卡尔曼滤波的 一个显著特点是，用状态空间的概念来描述其数学公式。卡尔曼滤波另一个新颖特点 是，他的解是递归计算的，而且可不加修改地应用于平稳和非平稳环境【3 4 】。 1 5 3 3k a l a h 法估算电池荷电状态【3 5 】【3 6 】【3 7 】 前面对电池荷电状态( s o c ) 的各估算方法作了简要的介绍，相比较而言，安时法理 论简单适用、算法稳定，是目前电动汽车上使用较多的电池荷电状态估算方法。如果单 一用安时法来估算电池荷电状态，也存在一些问题。首先，安时法自身不能估计电池荷 电状态初始值s d c 0 ；其次，温度变化时，s o c 估计误差较大( 主要由电池可用容量引 起) 。若考虑温度变化时容量转换系数，有足够的估计起始状态的数据，那么安时法是 一种简单、可靠的电池荷电状态估计方法。经分析并参阅文献【3 4 】、文献【3 5 后，本文 采用k a l a h 算法，同时考虑了温度及老化对电池可用容量的影响。应用k a l 4 a n 滤 波来估算电池荷电状态初始值舳c n ，消除a h 法估算误差。在k a l a h 算法基础上，对 电池可用容量进行温度、老化补偿，从而使电池s o c 估算值更加准确。本节首先应用 安时法，建立电池数学模型。 3 3 1 安时法估算电池荷电状态数学模型的建立【3 8 】【3 9 】m 【4 1 】【4 2 】 一般地，建立电动汽车能量存储系统( 蓄电池) 数学模型的基础是首先建立它的等效 电路图，如文献 3 8 】所应用的电路图( 如图3 3 所示) 。本文采用a h 法计算电动汽车运 行时电池的荷电状态，而a h 法实际上是一种基于“黑箱 原理的计算方法，把电池看 作一个整体即“黑箱，“黑箱”与其外部进行能量交换。通过对进出“黑箱 的电 压、电流与时间的函数关系以及温度的影响，进行估算“黑箱内部的能量的变化 【4 3 1 。由于只需要计量进出电池的电能，不必考虑电池这个“黑箱”内部状态的变化和 其因素的影响。所以a h 法较其它方法简单易行，在电动汽车上是常用的计算方法。 u a 图3 3 蓄电池等效电路图 蓄电池的可用容量受放电电流、持续放电时间和温度影响很大，即可用容量e 是 放电电流、放电时间f 和温度r 的函数，当函数= 厂( f ) 为单调、非减函数时，计算可 用容量e 的表达式如下。 f 2 g ( ，印? ) = c ( f ，) 一n 讲 ( 3 7 ) f l 1 6 山东强；干善蟊磊掣蓍不张髯蔷銎蠹是篱丑毒i = 晦喜羹国鋈掘| 薹囊蠢囊篓萎差麓屏 鍪薹夔孓奏霪蓄蠹驯翼甏霎蘑霪绩旧薹雨流写温度数澄坠薹辇嘲；薹副季型霎墓鋈 蓖厘鲥”碱嚣墁蚜霹雾垫塌墼基墨幽鳓封，篓熏葡囊s ；蓁l i ；羽戟蜊黧竖需删型：裁弧憝 霆薹罄螋霾需竺袋愕龋。 l酾 荔刘；冀薹! 一熏肇i 雾：v i 蓁錾 i 蓁；l 垂l 基i萄 型g 蓁蠼趔j ： 嚣崭篓嚣慧；沥鲤誊塞雨羰霎暴磐篓堑霆；缝秀薹蓉jg 新錾 黧；辫籀；群篓雨萎钽堡羲霎瓣鹭塑篱翼毳蓄磊剿羹簧釜；篱些丽羹；薹蓬l ，霪翥； 囊兰琶觜篓! 薹掣尘蓠黥鞭塑装剽醐鬻翼! 蘸赫冀雷j 醐器簖到鏊罢鹫警夔纂薹羹； 主；羹| | 麦螂习捌耀海笔滋瑚毯洚谳哔捅掰錾羹l 雾i i ! i ；囊l ￥i ；i 5 ； 常蓁薹茎擘墅霖婴i 薹雾蓁时砸输蠢柏霸蔼垣丽么霎薹；蜇勇囊露湮纛酆七乍辫醚惑。玲 熏雾蘑霜竖霸翼蓁蠢镝冀叁稣一；羹| 蓍| l l 慧郸纠剂俄翟麴鍪蓁攀菱蠡鏊二季& 囊嘉 登。韩鞠硭撼；霞甩荟蔡霎嘉；撬芳蓁麓铃自篙鹩篓i 鐾薹霪耄翼蓁霆i | 冀鋈霪 爹茎墅薹蓁蠢馏履器娶曼丽副鞋垂酣i 。 l 曩| 连i i i i 蠢i i 萄泓新硪粪型霎 羹抖 囊鳖荔囊竺 x 在式( 3 1 1 ) 两边同时乘以蓄电池在负载电流为乞时的端电压均值e ，得 警= p 坳 c p ei 。1 、j 式中：c ( f 。乒电流艺厶时蓄电池输出的电功率； c 。e 以额定电流加载时电池能够输出的额定电功率。 我们一般把这个比值叫做蓄电池功率的可利用系数叩。 碱力埘， 由式( 3 - 1 3 ) 可看出，当屯 刀，称为预测； 若1 f 刀，在任意时刻电池放电时 d m a l l 预测电池荷电状态初值。 电池模型描述了电池荷电状态、电流、内阻等因素与电池负载间的数学关系，常用 的简单电池模型有s h e p h e r d 模型、u n n e w e l l r 曲e 1 1 s a l 模型和n e s t 模型【4 9 】。s h e p h e r d 模 型、u i m e m h e r 模型和n e s t 模型分别如式( 3 - 2 2 卜式( 3 - 2 4 ) 所示。 此：毛一r f 一碳 ( 3 2 2 ) 七 儿= 磊一尺& 一k ( 3 - 2 3 ) 儿= 磊一r t + k 2 l n k ) + 玛l n ( 1 一) ( 3 2 4 ) 式中：儿电池端电压； 尺电池内阻； k 激化内阻； 墨、墨、k 常数。 本文经参阅文献 3 5 】和文献【4 4 】， 建立系统测量方程如下。 儿：毛一戤一彰一墨+ 如l n k ) + 丘l n ( 1 一杖) ( 3 2 5 ) 式中：几用模型算得的负载电压。 以分量仅有一个，是s o c ； t 负载电流； r 电池内阻。 式( 3 2 5 ) 中其它向量为无物理意义的模型参数。经离散化系统状态方程并与式( 3 1 9 ) 联立后可得到式( 3 2 6 ) 。 耳+ l ：稚一7 7 ( 3 2 6 ) 由式( 3 - 21 ) 和式( 3 - 2 5 ) 求得 2 0 二盛翟兰三竺茔銎：兰竺兰兰一 第三章应用k a l a h 算法估算电池荷电状态及仿真 q = 警= 一局+ 一刊 。彻 由式( 3 - 2 0 ) 式( 3 2 6 ) 求得4 = 1 ，毋和见是由输入量决定的多元矩阵。 本文针对电动汽车电池管理系统如c 0 的预测，采用k a l i i l a i l 滤波算法，具体算法 可由下面算式归纳计算。 x q 吣2s o c q = v a r k ) x k 瞳42x k i j k l n i k 厶tfc e 一。= 4 一l 丑小一。钍。+ q 儿一，= 蜀一r “一一局锄一。+ 墨1 n 一。+ 巧1 n ( 1 一哟) k 浊4 1 “p 1 、 i _ 厶，= 一，口b 锄一，口+ r ) - 1 啊t = + 厶一。帆一。一儿一。) r 嚏= q k 。c 3 d 七= l ，2 ， 式中：户滤波误差协方差矩阵； 三虢波增益矩阵； ，单位矩阵； 以七时刻电池的测量电压： t 七时刻负载电流； 出采样时间。 3 3 3 s o c 估算具体实施步骤 在电池管理系统中，先初始化e c u 。在时刻，。，用开路电压法估算出，。时刻& k 的近似估计值。一般电池端电压与电池荷电状态为线性关系，以单体铅酸蓄电池为例， 其线性函数关系如图3 6 所示。 2 1 黔缈 d 动 9 四姗 加 鲫 鲫蜘 0 0 0 0 p p p p 山东理工大学硕士学位论文第三章应用k a l a h 算法估算电池荷电状态及仿真 3 4 算法仿真及分析 计算机仿真技术是利用计算机对所研究对象的数学模型进行计算和分析，是代替以 往实物系统实验、进行研究的新方法，是现代工程设计和产品开发的新型手段，具有很 大的优越性。本文采用m a a b s m ，i n k 软件对电池管理系统中电池荷电状态 ( s o c ) 估算算法进行建模、仿真和分析。 利用3 - 3 节建立的电池荷电状态的数学模型，得到m a l r i 。a b s 讯i ，i n k 仿真模 型，如图3 8 所示。在实际应用中，整车运行环境非常复杂，电动汽车的动力系统一 一蓄电池的工况也变得复杂多变。因此在仿真时，为降低仿真难度，仅考虑电池电流、 电压及温度的影响，把一些随机干扰信号作理想化处理。 图3 8s o c 算法m a l i 。a b s i i i l u l i n k 仿真框图 初步设定仿真时，电池的环境温度取电池1 5 。c 4 0 。c ，电池的额定容量为 1 2 0 a 血，电池额定电压为1 2 v 。仿真时以幅值为2 0 a 的变电流( 如图3 9 所示) 进行放电 仿真，设定放电时电池电压为1 2 2 v 。仿真初始阶段，由i ；浏h a l l 滤波估算算法根据电 池电压估算电池荷电状态放电时的初值s o c o 。经取样估值计算后，再经安时算法估算 蓄电池放电过程s o c 与工作时间的关系。s o c 仿真曲线如图3 1 0 所示。 2 3 山东理工大学硕士学位论文第三章应用k al a h 算法估算电池荷电状态及仿真 d i s c h a 叼ec u r 怆n t 啊m e 图3 9 放电电流波形图 图3 1 0s o c 仿真曲线 经过对电池荷电状态( s o c ) 计算方法的仿真，证明了应用k a l a h 方法计算电池荷 电状态( s o c ) 是可行的，能够较为准确的计算出电池荷电状态( s o c ) 的值。k a l a h 计 算法弥补了单纯用安培时间法的计算缺陷。 2 4 山东理工大学硕上学位论文 第三章应用k a l a h 算法估算电池荷电状态及仿真 3 5 本章小结 本章简要地介绍了电池荷电状态的影响因素及目前国内外计算电池荷电状态常用的 几种基本方法。针对本文提出的一种复合电池荷电状态( s o c ) 估算方法- l a i ，a h 估 算法，进行了详细的仿真研究。 2 5 山东理工大学硕士学位论文第四章电池管理系统硬件电路的设计 4 1 综述 第四章电池管理系统硬件电路的设计 电池组是电动汽车能源动力总成，对电池组内发生的事件只能通过分析其内部信 息来获取，从这个角度而言希望硬件电路获取的信息越详细越好，但这样会使系统成本 增加、系统复杂化。从另一角度，人们总希望电池管理系统硬件简单且易操作，这样既 可提高系统可靠性，也可降低成本。因此在电路设计时应根据具体情况加以权衡。本文 硬件电路的设计，主要是以已获取的电池组电压、电流和温度信息数据为基础进行的。 电池电压信息采集，将两块单电池作为一组，进行电池电压信息采集。 温度信息采集，电池组温度信息采集采用多点分布式测量，在每块电池上选取适 当测量点，进行信息采集。 电池电流信息采集，在供电主回路中，应尽量靠近动力电池，选取恰当的测量点 采集充、放电流。 对整个电池管理系统而言，硬件电路设计是其重要环节，其宗旨是实现对电动汽 车动力电池有效合理的管理，包括采集数据的准确性、系统的可靠性、系统通信的稳定 性以及抗干扰性等，硬件结构如图4 1 所示。在设计时，考虑到将来进行系统功能及 c a n 总线节点扩展，使系统功能进一步完备，因此在硬件设计上应尽量使管理系统结 构合理、具备可扩展功能。系统硬件电路由电池数据采集电路和e c u 控制器两大部分 构成。数据采集p c b 板与e c u 控制器p c b 板间采用数据线连接。 i 电流采样放大 模 温度控制 数 转 紧急断电 换 l ， i 多路开剌 x c l 6 4 c s l c d 显示屏 l 电雎米样放大 双c a n 模 系统间信息传输 l 温度采样块 图4 1 电池管理系统硬件结构 信号采集模块的作用是监测、采集蓄电池组中各电池单元状态参数，该模块的首要 任务是保证采集数据的准确性；e c u 单元通过信号采集模块采集到的信号估算电池剩 2 6 山东理工人学硕士学位论文 第四章电池管理系统硬件电路的设计 余电量、判断电池工作是否正常、环境温度是否需要补偿、各单电池放电( 或充电) 是否 均衡等：c a n 总线负责e c u 与电动汽车其他控制系统模块进行通信，电池管理系统与 其它控制系统通信结构框图如图4 2 所示。 l 主控制系到 c a n 总线 )匕 l 电机控li 车身控ll 电池管ll 仪表显l i 制系统ll 制系统il 理系统il 示系统i 4 2e c u 控制单元 图4 2 电池管理系统与整车通信网结构图 e c u 单元是电池管理系统的核心，是基于微控制器x c l 6 4 来实现其功能的。e c u 单元的具体功用是分析数据、进行s o c 运算、发送执行命令以及与其他系统通信。 e c u 单元结构框图如图4 - 3 所示。模拟量输入隔离是通过多路开关c d 4 5 0 1 及光栅 t p 5 2 1 来完成的。 单电池电压 输 入 隔 离 模拟量 x c l 6 4 c s 输 出 隔 离 温度控制输出 紧急断电信号输出 c a n 总线 通信接口 图4 3e c u 控制单元结构框图 4 2 1x c l 6 4 c s 微控制器简介 e c u 单元采用德国h l f i n e o n 公司生产的x c l 6 4 c s 微控制器【5 0 j 【5 1 】【5 2 】【5 3 1 ，该芯片采 2 7 压一流一溅一鹪电一电一池一路组一组一电一短桃一桃一觯一姚 山东理工大学硕士学位论文第四章电池管理系统硬件电路的设计 用h 血1 e o n 最新的c 1 6 6 sv 2 内核( 如图4 4 所示) ，该内核包括c p u 、程序管理单元 ( p m 、数据管理单元m 、中断和p e c 控制器、外部总线控制器b c ) 和部分控制 单元( s c u ) ；另外，片上系统还具有以下特征： 1 多达2 k 的双端口洲，供寄存器设置和系统堆栈使用，多达4 k 的由 d m u 控制的数据凡气m ； 2 内部指令存储器m m ，由p m u 控制，包括一个程序存储器接口p m i ，1 2 8 k b 的f l a s h ，2 k 的程序r a m 和8 k 的启动r o m ： 3 智能片上外设： 4 自动的特殊外设( a d c ，双c - ； 5 调试和仿真控制块： 6 带有2 个专用于s f r 和e s f r 空间，以及4 kx s f r 空间的单向数据总线的 1 6 位外设总线( p d + b u s ) ； 71 6 位片上系统总线( l x b u s ) ，带有2 个双向数据总线( 与众所周知的x b u s 类 似) ，用于双c a n 连接； 8 附加的内核子系统总线：6 4 位流水线双周期程序存储器总线，1 6 位单周期双端 口存储器总线和1 6 位单周期数据存储器总线。 图4 4x c l 6 4 c s 结构框图 微控制器系统电路原理图如4 5 所示，主要包括时钟电路、复位电路、接口电路与 硬件配置电路、数字及模拟电压供电电路以及0 c d s 调试电路。 时钟电路由晶体振荡器y l 、谐振电容c l 、c 2 等元件组成，为了便于内部时钟锁相 2 8 山东理工人学硕士学位论文 第四章电池管理系统硬件电路的设计 环电路( p l l ) 分频与倍频，晶体振荡器选择1 1 0 5 2 9 m h z 。 复位电路采用简单的阻容复位，低有效，由r 2 、c 4 、d 2 组成。r 2 、c 4 组成的延时 电路，时间常数f 如式( 4 1 ) 所示。 f = r 2 c 4 = 2 0 k q 奉1 0 心= 2 0 0 m s ( 4 - 1 ) 这个延时电路能使微控制器有足够的时间起振，进入正常的运行。快速二极管d 2 的作用是吸收电容在充放电的过程中产生的电压波动，防止微控制器误复位，保证系统 工作的可靠性。 接口电路是指与微控制器输入输出相连接的外部硬件电路，本文的接口电路的功能 主要是：a d 转换器对电池组电压模拟信号、负载电流模拟信号、单电池电压模拟信号 及单电池温度信号进行转换。 根据h l f i n e o n 微控制器用户手册，要求p lh 4 引脚高电平，电阻i u 接+ 5 v 电压，对该 引脚进行上拉。 i 幽n e o n 的x c l 6 4 c s 微控制器要求其内核供电电压为+ 2 5 v ，而其外设供电电压为 + 5 v ，模拟与数字电压在供电时需要使用电感、电容等元件进行隔离，具体的电路设计 将在4 2 3 节详述。 图4 5e c u 系统原理图 2 9 山东理工大学硕士学位论文第四章电池管理系统硬件电路的设计 4 2 2 片上调试支持( o c d s ) 的电路设计【矧 x c l 6 4 c s 包括了一个创新的调试系统。这个调试系统通过调试接口引脚为直接控 制提供了非常便捷的片上调试系统支持( o c d s ) ，如图4 6 所示。同时，通过基于“新 一代模拟仿真策略n e t ”的载波芯片的片上仿真器和追踪接口，x c l 6 4 c s 的调试系 统可以支持高端的仿真设备。 7 图4 6o c d s 调试系统 在x c l 6 4 产品系列中，片上调试支持系统在没有使用载波芯片的情况下可以提供 全范围的调试和仿真特性。它允许设置断点，并且追踪存储器地址。o c d s 的典型应 用就是调试在x c l 6 4 客户系统环境中运行的用户软件。o c d s 通过调试接口，受外部 调试设备的控制，包括独立的j 1 a g 接口和停止接口。调试系统通过一组可被盱a g 接 口访问的o c d s 寄存器来管理调试任务。除此之外，o c d s 系统还可以由c p u 控制， 如监视程序等。o c d s 连同内核通过一个插入接口和停止端口来执行o c d s 产生的指 令。 4 2 3 电源供给部分的电路设计 e c u 单元及采集单元采用车载辅助蓄电池供电，辅助蓄电池电压为1 2 v 直流，而 电池管理系统的元件供电电压大都为+ 5 v ，并且x c l 6 4 c s 微控制器内核要求供电电压 为2 5 v ，故应作d c d c 变换。 通常所用的线性稳压器件输入和输出的电压必须在一定的比率范围内，压差过大 时会造成稳压器件过热或者不稳定，而且只能接受高于稳压值的电压供给，其电压差值 全部转化为热量，损耗较大。 开关电源通常采用p w m 调制方式，能承受较大的输入电压( 如图4 7 所示为开关 稳压器件l m 2 5 7 5 5 0 ，输出电压为+ 5 v ) ，效率较高，小压差输入基本不用散热片。但 3 0 山东理工大学硕上学位论文第四章电池管理系统硬件电路的设计 是开关器件本身的开关噪声比较大，即纹波比线性电压器件大，故本电路采用l 2 作互 感器，它能够有效地滤掉由开关器件造成的纹波和由供电电源带来的电压波动，并有效 地消除共模噪声，提高电源质量。 在图4 _ 7 供电电源原理图中，7 8 m 0 5 是稳压芯片，确保供电电压输出为5 v 、 0 5 a 。m c l l1 7 2 5 是d c d c 转换芯片，把5 v 电压转换为2 5 v ，为x c l 6 4 c s 微控制 器内核提供供电电压。 图4 7 电源系统电路 4 2 4 微控制器x c l 6 4 的a d c 模块的应用【5 5 】 系统的信号采集单元需要对所采集的模拟信号( 电流、电压、温度) 进行模数转换 ( a d c ) 后，才能进入e c u ，进行数据分析。一般需用专用a d 芯片来实现a d c 变换。 但对于x c l 6 4 位控制器，芯片内含有a d c 模块，这样不仅简化了电路，而且使系统 的可靠性大大提高。 lx c l 6 4 的模数转换的特点 x c l 6 4 提供了精度为1 0 位( 或8 位) a d 转换器，具有1 4 路复用的模拟输入通道 口5 口的复用功能) ，包括集成采样和保持功能。它采用了逐次逼近技术。x c l 6 4 的 a d c 模块集合了功能强大的控制逻辑和尖端的模拟技术以实现嵌入式控制应用日益增 长的需求。 a d c 模块可以进行自动校正以适应温度的变化和不同的处理。为了使a d c 模块 与外部电路相适应，采样时间和转换时间是可编程的。采样和转换时间由与标准 x c l 6 4 a d c 兼容的寄存器a d c o n 中的专用位域来设置，或者由更高级的控制寄存器 a d c o n l 来设置，如图4 - 8 和图4 9 所示。 3 1 山东理工人学硕士学位论文第叫章电池管理系统硬件电路的设计 a d cc l r q a d c - e i r q 图4 1 1x c l 6 锄d c 模数转换框图 3a d c 通道选择及提高精度的措施 在具体硬件实现及软件编程中，我们采用兼容模式中的a d c 单通道连续转换模式 来实现电池检测数据的转换。具体转换模式及通道设置请参看图4 - 8 图4 1 0 。 x c l 6 4 的a d c 可生成1 0 位( r e s = 0 ) 或8 位( 】辽s = 1 ) 的转换结果。在调试中，由于数据 采集的噪声干扰比较大，为了提高的转换准确性，在硬件方面，采取在采样引脚加阻容 滤波电路，在软件方面，可对信号进行多次采样滤波处理。 4 3 检测电路设计 4 3 1 电池电压采样的实现d 6 】 电池电压采样是对电动汽车电池组监测的一项重要任务，是电池管理系统正确管理 的重要依据。电池组由1 0 块1 2 vv a 单电池串联组成。显然，只测量一