（动力机械及工程专业论文）车用动力电池组效率特性研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 中文摘要 在全球性环境恶化与资源短缺的背景下，新能源汽车由于其能源清洁、可再 生等优势从研发走向了产业化，预计到2 0 1 5 年，全国新能源汽车累计产销量将 达到5 0 万辆。动力电池组作为新能源汽车的动力源和核心部件，其性能直接影 响到新能源汽车的续驶里程和工作效率，是制约新能源汽车产业化发展的主要 因素之一。 针对当前动力电池的研究现状，分析了当前动力电池研究过程中存在的问 题，指出实现动力电池组s o c 、能量状态的准确测量、监控与管理是加快电动 汽车商业化进程的关键。为此，有必要研究车用动力电池组在车辆行驶过程中 的特性，研究其在行驶过程中的能量状态变化及其效率特性，进而为电池特性 参数的准确估计和电动汽车能耗和排放测试标准制定提供技术支持。 本文在自行开发了一套车用动力电池组数据采集系统的基础上，以目前电 动汽车上应用较多的磷酸铁锂和镍氢动力电池组为研究对象，制定了动力电池 组效率特性试验方案，进行了电池效率特性试验，主要测试、研究了两类动力 电池组的充、放电能量变化及其效率在不同充、放电条件下的一般规律及其影 响因素，为测定动力电池组在车载使用条件下的能量状态提供了理论基础。 实验结果表明：( 1 ) 动力电池组能量转化效率主要受充放电电流影响较大， s o c 对电池组能量转化效率的影响较小；( 2 ) 在相同条件下，动力电池组恒流 与脉冲充放电能量转化效率基本相等；( 3 ) 模拟工况条件下，动力电池组充放 电能量转化效率与以相同平均电流恒流充放电能量转化效率基本相等。 依据实验结果，分析、建立了动力电池组净能量变化模型与能量转化效率 模型，并将此模型应用于建立混合动力电动汽车油耗和排放评价体系。基于动 力电池组能量转化效率模型，提出了一种更为精确的电池净能量变化计算方法 和一种更为简单、客观、公正的油耗和排放修正方法。实车实验证明所提出的 当量里程修正法是可行的，从而验证了本研究所提出的混合动力电动汽车油耗 和排放评价体系是正确的。 本课题建立了动力电池组的能量转化效率模型并进行了模型的应用研究， 为预估动力电池组和整车性能、建立相关评价体系提供了理论基础，有助于加 快电动汽车的商业化进程。 关键词：动力电池组，效率特性，能量转化效率模型，净能量变化，当量里程 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fr e s o u r c e ss h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n g l o b a l l y , n e we n e r g yv e h i c l e sh a v em a r c h e df r o md e v e l o p m e n tt oi n d u s t r i a l i z a t i o n s i n c et h ee n e r g yh a ss u c ha d v a n t a g e sa sc l e a n ，r e n e w a b l ea n ds oo n b y2 015i t i s e s t i m a t e dt h a tn e we n e r g yv e h i c l e s a c c u m u l a t i v ep r o d u c t i o na n ds a l e sv o l u m ew i l l r e a c h5 0 0 0 0 0 p e r f o r m a n c eo fp o w e rb a t t e r yp a c kw i l ld i r e c t l ya f f e c td r i v i n gr a n g e a n dw o r k i n ge f f i c i e n c yo fn e we n e r g yv e h i c l e sa sp o w e rs o u r c ea n dc o r eu n i to f v e h i c l e s a n di th a sb e c o m eo n eo ft h ek e yf a c t o r st h a tr e s t r i c tt h ei n d u s t r i a l i z a t i o n d e v e l o p m e n to fn e we n e r g yv e h i c l e s a i m i n ga tt h er e s e a r c hc o n d i t i o no fp o w e rb a t t e r y , t h i sp a p e ra n a l y z e se x s i t i n g p r o b l e m si nt h er e s e a r c hp r o c e s so fp o w e rb a t t e r y , a n dp o i n t so u tt h a ta c c e l e r a t i n gt h e p a c eo fc o m m e r c i a l i z a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e sd e p e n d so i l a c c u r a t em e a s u r e m e n t ， m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to fp o w e rb a t t e r y ss t a t eo fc h a r g ea n ds t a t eo fe n e r ： t h e r e f o r ei ti se s s e n t i a lt os t u d ye n e r g yc h a n g ea n de f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rb a t t e r yp a c kw h e nt h ev e h i c l e i sr u n n i n g p r o v i d i n gt e c h n i c a ls u p p o r tf o r a c c u r a t ee s t i m a t i o n so fb a t t e r y sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n de s t a b l i s h m e n to f t e s t i n gs t a n d a r d so fe l e c t r i cv e h i c l e s e n e r g yc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s b a s e do ns e l f - d e v e l o p e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fp o w e rb a t t e r 3 p a c k ，i nt h i s p a p e hl i f e p 0 4p o w e rb a t t e r yp a c ka n dm i n hp o w e rb a t t e r yp a c ka r es e l e c t e da s r e s e a r c ho b j e c t ，as c h e m eo fe f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i ct e s ti sf o r m u l a t e d t h et e s t m a i n l yf o c u s e so no b t a i n i n gg e n e r a ll a w sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so fc h a r g ea n d d i s c h a r g ee n e r g yc h a n g ea n de f f i c i e n c yf o rt h ea b o v em e n t i o n e dt w o k i n d so fp o w e r b a t t e r i e su n d e rd i f f e r e n tc h a r g ea n dd i s c h a r g ec o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t ：( 1 ) e n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fp o w e r b a t t e r yp a c ki sm o s t l ya f f e c t e db yc h a r g e d i s c h a r g ec u r r e n t ，s o ch a sa l i t t l ei n f l u e n c e o ni t ；( 2 ) c o n s t a n tc u r r e n ta n dp u l s ec h a r g e d i s c h a r g ee n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f p o w e rb a r e r yp a c ka r ea b o u tt h es a m ei nt h es a m ec o n d i t i o n s ：( 3 ) i nt h es i m u l a t e d r u n n i n gc o n d i t i o n s ，c h a r g e d i s c h a r g ee n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fp o w e rb a t t e r y p a c ke q u a l st ot h ec o n s t a n tc u r r e n te n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y w i t ht h es a m e a v e r a g ec u r r e n t i na d d i t i o n a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h i sp a p e r a n a l y z e sa n de s t a b l i s h s n e te n e r g yc h a n g em o d e la n de n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ym o d e l 硝p o w e r b a t t e 。y p a c k ， a n du s e st h e s em o d e l st o e s t a b l i s he v a l u a t i o ns y s t e mo fh e v se n e r g y c o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s b a s e d0 1 1e n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ym o d e i o fp o w e r b a t t e r vp a c k ，am o r ea c c u r a t ew a y t oc a l c u l a t en e te n e r g yc h a n g eo fp o w e r b a t t e r y p a c ka n dam o r es i m p l e o b j e c t i v e a n df a i rw a yt oc o r r e c tf u e lc o n s u m p 1 0 na n d e m i s s i o n so fh e v a r ep u tf o r w a r d a c t u a lv e h i c l et e s t ss h o wt h a tc o r r e c t l o nm e t h o d d r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sf e a s i b l e ia n da c c o r d i n g l yv e r i f yc o r r e c t n e s so ft h ea b o v e m e n t i o n e de v a l u a t i o ns y s t e m t h ep r o j e c tp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o re s t i m a t i n gt h ep e r f o r r n a n c eo fp o w e r b a t t e r vp a c k sa n dv e h i c l e sa n de s t a b l i s h i n gr e l a t i v ee v a l u a t i o ns y s t e m ，a 1 1 d w l l ih e l p t os p e e du pc o m m e r c i a l i z a t i o no f e v k e yw o r d s ：p o w e rb a t t e r yp a c k ，e f f i c i e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，e n e 哪7 c o n v e r s l o n e f f i c i e n c ym o d e l ，n e te n e r g yc h a n g e ，e q u i v a l e n tm i l e a g e 武汉理r 大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 面对金融危机、石油资源日趋紧张、油价高涨、节能减排压力，节能与新 能源汽车的发展日益受到关注，电动汽车发展已成为国家重大需求与战略重点 【1 翻。各国政府相继制定电动汽车发展战略与扶持政策，各汽车生产厂商争相推 出电动汽车产品，各科研院所联合汽车生产厂商集中进行相关核心技术研发。 在这种大力推进形势下，目前电动汽车发展已经进入由技术研究到市场商业推 广的过渡阶段。 自2 0 0 8 年以来，日本、美国和欧盟相继发布实施各自电动汽车领域发展战 略规划，明确了各国在电动汽车领域的产业发展方向，加大了对电动汽车的政 策扶持力度。r 本以提升产业竞争力为发展目标，预计到2 0 2 0 年电动汽车保有 量达1 3 5 0 万辆，电动汽车市场占有率达到5 0 ，拟投入2 4 5 亿同元进行下一代 汽车电池研发，投入2 1 0 亿同元进行电池创新基础科学研究。美国以能源安全 为发展首要任务，重点支持插电式电动汽车发展，拟投入4 8 亿美元支持p h e v 的研发和产业化，其中2 0 亿美元用来研发和生产先进动力电池。欧盟以满足c 0 2 排放限值要求为发展动力，其各成员国强调纯电驱动汽车的发展。德国政府计 划到2 0 2 0 年共投资4 0 亿欧元支持电动汽车的研发工作，2 0 2 0 年电动汽车保有 量达1 0 0 万辆；法国计划到2 0 2 0 年新能源汽车保有量达2 0 0 万辆，拟投资1 5 亿欧元支持充电站的建设，并给予纯电动汽车用户5 0 0 0 欧元的经济补贴；英国 政府拟投资2 0 0 0 万英镑支持充电站的建设，投资2 4 0 0 万英镑支持节能与新能 源汽车的研发。 通过科技部“8 6 3 计划的支持，我国已确立了“三纵三横 的电动汽车矩 阵式产业研发布局，在整车动力系统集成技术、关键零部件产业化、示范运营 等方面也己取得重大突破。经过近1 0 年的研发和示范运行，电动汽车已初步具 备产业化基础。截止2 0 1 2 年4 月，已经发布的3 3 批节能与新能源汽车示范 推广应用工程推荐车型目录中，新能源车型总数达到4 3 3 款，按照车载能源 类型，纯电动汽车2 8 0 款，混合动力汽车1 4 4 款，燃料电池汽车9 款。车用动 力电池年生产规模已经突破l o 亿瓦时，编制完成的电动汽车相关标准已达5 6 项之多，2 5 个试点城市新能源汽车保有量超过1 0 0 0 0 辆，总行驶里程已经超过 武汉理： 人学硕十学位论文 3 3 亿公里。据中国汽车工业协会统计，2 0 1 1 年新能源汽车产销量分别为8 3 6 8 辆和8 1 5 9 辆，其中纯电动汽车产量为5 6 5 5 辆、混合动力汽车产量为2 7 1 3 辆， 纯电动汽车销量为5 5 7 9 辆、混合动力汽车销量为2 5 8 0 辆。 2 0 1 2 年出台的电动汽车科技发展“十二五专项规划和节能与新能 源汽车产业发展规划( 2 0 1 2 2 0 2 0 ) ) ) 明确了“纯电驱动”将是我国电动汽车技术 发展的主要战略方向，重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车的产业化进 程，推广普及非插电式混合动力汽车。争取到2 0 1 5 年，纯电动汽车和插电式混 合动力汽车累计产销量达到5 0 万辆，到2 0 2 0 年超过5 0 0 万辆。 随着国内外系列电动汽车发展规划的出台，预计未来几年全球电动汽车 产销量将会大幅提升，对动力电池、电机等关键核心部件的性能要求也将会进 一步提高。 1 2 课题研究目的与意义 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。与传 统汽车相比，电动汽车动力系统发生了重大变化，它们都需要动力电池作为其 主要或者辅助动力源【3 】。动力电池作为电动汽车的动力源，其性能直接影响到电 动汽车的续航里程和工作效率，是电动汽车的核心部件，同时也是制约电动汽 车产业化发展的主要因素之一【4 1 。动力电池电化学反应机理决定动力电池各性能 指标只在特定范围之内具有意义，因此了解动力电池各性能指标变化特性及其 特定变化范围具有重要实际意义，进行电动汽车动力系统结构设计及其参数优 化必须考虑这些特性的影响，以期达到改善电动汽车的动力性、经济性、安全 性以及延长电池寿命的目的【5 j 。 依据目前动力电池技术水平，单节动力电池无法满足电动汽车使用需求， 必须使用多节动力电池串并联组合构成的动力电池组才能满足电动汽车使用需 求。同时，由于目前动力电池技术水平限制，同一批次的单节动力电池的性能 指标存在差异。使用单节动力电池性能指标直接简单倍数估计多节动力电池性 能指标将会导致对多节动力电池组成的电池组的动力输出能力的错误估计，进 而导致整个电动汽车动力系统的能量控制偏离最优水平1 4 , 6 - 1 7 1 。因此仅对单节电池 性能指标进行试验研究进而对车用动力电池组性能进行评价是不正确的。鉴于 此，在进行车用动力电池实验研究时，须以动力电池组作为研究对象开展实验 研究。 与驾驶传统汽车类似，驾驶电动汽车时，驾驶员需要直观准确的了解电动 2 武汉理t 大学硕十学位论文 汽车的能量状态，从而预测电动汽车续航罩程，保证出行的有效性。目前国内 外通常使用动力电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，s o c ) 表征动力电池组的能量 状态。依据电化学反应的机理，用s o c 来表征动力电池组的能量状态，一定程 度上能反映出动力电池组内部的电荷量变化。然而受温度、充放电电流、电极 材料等因素的影响，动力电池组的能量转化效率( 即充放电效率) 存在较大波 动，动力电池组s o c 变化仅能反映出动力电池组的电流变化情况，但是无法准 确表征动力电池组的能量变化，因此用s o c 来评价动力电池组的能量状态，进 而预测电动汽车的续航里程将会产生较大误差佟】。 由上述可知，实现动力电池组s o c 、能量状态的准确测量、监控与管理是 加快电动汽车商业化进程的关剥钆1 2 】。为此，有必要研究车用动力电池组在车辆 行驶过程中的特性，研究其在行驶过程中的能量状态变化及其效率特性，进而 为动力电池组特性参数的准确估计和电动汽车能耗和排放测试标准制定提供技 术支持。同时，也为电动汽车制造企业、研发机构进行技术创新、产品优化提 供正确、科学的理论依据。 1 3 国内外动力电池特性研究现状 作为电动汽车的动力源，动力电池组的性能直接影响到整车的动力性和经 济性，为此国内外的学者对动力电池组的性能进行了深入而广泛的研究，涉及 到电池组s o c 、s o h 、s o f 的准确估计，电池组模型的建立，电池组热管理， 电池一致性，电池成组技术，电池组性能评价方法研究等。而作为电动汽车商 业化的两大技术瓶颈，动力电池s o c 的准确估计和性能测试评价已成为国内外 的研究热点。 s o c 的估计精度直接影响电池的使用寿命和成本。但是由于电池在使用过 程中表现出较强的非线性，使得其s o c 难以精确估计，成为电动汽车领域的技 术难题之一，也是目前国内外研究机构和学者研究的热点之一。目前已知的s o c 估算方法有卡尔曼滤波法、开路电压法、内阻法、负载电压法、线性模型法、 a h 计量法、放电实验法、人工神经网络法、动态逼近网络法等。对于大电流或 者电流波动剧烈的场合，即电动汽车行驶工况中，卡尔曼滤波法和神经网络法 具有较好的适应性，但这两种方法由于能力要求高，实现具有较高难度，因而 在实际应用中受到限制。目前在电动汽车上广泛使用的s o c 估计方法为a h 计 量法，且常与其它方法组合使用，如a h 内阻法、a h p e u k e r t 方程法、a h - 开路 电压法，并进行温度、循环使用次数( 寿命) 、自恢复效应等因素的修正与补偿。 3 武汉理t 大学硕士学位论文 该方法基本满足变电流放电工况的要求，但是由于其模型中需要修正和补偿的 系数太多，需要进行大量的实验来确定各个影响因素与系数的关系。 国外p o p 等人提出e m f s o c 模型，即电池电动势与荷电状念的关系模型来 估算s o c ，相当于开路电压法，该方法用于电池静置足够长时间后进行估计， 不能实时估计。s h r i r a m 等人提出了基于简单的电化学模型的扩展卡尔曼滤波来 估计电池的s o c ，该方法大大减少了获取s o c 的计算时间。p l e t t 采用卡尔曼滤 波方法估计h e v 动力电池的s o c 和s o h 。 文献f 1 3 。1 4 1 提出了基于能量守恒的电池s o c 估算策略。它是从能量的角度 出发来定义电池的s o c ，即用剩余能量与初始能量的比值来表征电池的s o c 。 这种方法虽然与传统的s o c 估算方法有很大不同，能够适应变电流放电工况， 但是没有考虑电池容量受循环寿命、温度的影响，精度方面受到较大影响。文 献f 1 5 提出的基于能量守恒定律进行s o c 估算的基本思想是：可以不用考虑在 传统s o c 估算方法中对估算精度有较大影响的因素，例如充放电倍率、充放 电效率、自恢复效应、温度等等，只要准确计算电池已经释放的能量，根据电 池初始能量，就可以较准确地计算出s o c 的值。 对电池而言，单位质量或单位体积所能输出的电量越大，即比能量越大， 越能保证电动车达到合理的行驶里程，另一方面，动力电池在汽车行驶过程中 能量的变化将影响混合动力电动汽车的能耗和排放，因此研究电池的能量特性 具有更直接的意义。电池系统的能量效率对电动汽车的效率有很大影响，直接 反映车辆的能耗水平。就目前的研究来看，动力电池能量的准确测定也是一大 难点。现有的方法有：1 ) 根据s o c 值进行计算，但存在s o c 变化值和总能量 值难以准确获取的问题；2 ) 通过测试电池的充放电瞬时电流和电压值进行积分 计算，由于未考虑电池的充放电效率，不能反映真实的电池能量的变化量：3 ) 通过测试电池的充放电瞬时电流和电压值，考虑充放电效率进行积分计算，虽 然考虑了电池的充放电效率，但瞬时充放电效率很难获取；4 ) 通过测试电池 的充放电瞬时电流和电压值，考虑充放电平均效率进行积分计算，关键在于获 取电池的平均充放电效率。综合分析上述方法，准确获取电池净能量的关键在 于获得电池的充放电能量效率。 由上述国内外研究现状可知，对于动力电池s o c 估算和能量状态监控而言， 动力电池的充放电效率影响着估算的精度，因此研究动力电池的效率特性具有 重要的意义。 4 武汉理j j 大学硕士学1 1 奇：论文 1 4 研究内容与主要技术路线 1 4 1 研究内容 本课题将目前电动汽车上广泛应用的磷酸铁锂动力电池组和镍氢动力电池 组作为研究对象，进行电池组能量转化效率特性试验；通过测试两类动力电池 组充放电能量变化过程，从而研究动力电池组能量转化效率在不同充放电条件 下的变化规律及其影响因素，为测定动力电池组在车载使用条件下的能量状态 提供理论依据。整个研究过程依据实验结果，分析、建立了动力电池组净能量 变化模型与动力电池组能量转化效率模型，并对能量模型与能量转化效率模型 进行了验证与应用分析研究。 1 4 2 拟采用的主要技术路线 基于f i f 述研究内容，本课题拟采用以理论分析、基础实验与验证实验为主 的技术路线，如图1 1 所示。 文献检索、提出问题、调研 试验设各开发 确定测试方法 申池纲特件实骀 i 律立l l j 池绸净能量蛮化樽刑与能量转化效率樽刑 模刑聆证 樟刑应用 图1 1 主要技术路线图 1 5 拟解决的关键技术问题 由上述研究目的及研究内容可知，为达到研究目标，取得理想的实验测试 结果，需解决的关键技术问题有如下3 点：1 动力电池组能量转化效率特性测试 方案的确定。2 动力电池组净能量变化模型的建立。3 动力电池组能量转化效率 s 武汉理t 大学硕十学位论文 模型的建立及稳态效率与瞬态效率的关系。 1 5 1 动力电池组能量转化效率特性测试方案 电池的效率有不同的定义方法，如容量效率、能量效率、电压性效率、充 放电效率等1 16 1 。对于各种效率而言，有着不同的测试方法。本课题的研究主要 关注动力电池组能量转化效率，因此本文定义了动力电池组能量转化效率的计 算方法，并且通过查阅相关测试标准以及文献，设计了相应的测试方案。 1 5 2 动力电池组净能量变化模型 s o c 是表征动力电池组荷电状态的参数，电池组的各种性能均与s o c 密切 相关。电池组的净能量( 9 ) 代表电池组实际储存的电能。当s o c 变化时，电 池组的净能量随之发生变化，二者的函数关系可表示为式( 1 1 ) ： a o = u 曲c r cn s o c u o c 矿代表动力电池组丌路电压。因为u o c ，随着s o c 变化【1 7 舶】。所以式( 1 1 ) 应修正为式( 1 - 2 ) ： e 戳) c m q = ( 二矿c a s o c ( 1 2 ) 由式( 1 - 2 ) 可知，建立动力电池组净能量变化模型的关键在于获得动力电 池组开路电压u o c y 随s o c 变化的函数关系。 1 5 3 动力电池组能量转化效率模型及稳态效率与瞬态效率的关系 动力电池组充放电能量转化效率与电池组充放电电流大小、荷电状态 ( s o c ) 以及温度等因素有关【1 9 - 2 1 】。故动力电池组能量转化效率模型用以计算不 同条件下的能量转化效率。受到实验条件的限制，本课题在进行动力电池组能 量效率研究的过程中，忽略了温度对充放电能量转化效率的影响。建立能量转 化效率模型，需要进行大量实验，依托实验数据研究能量转化效率随充放电电 流、荷电状态( s o c ) 等参数进行变化的规律。在电动汽车实际行驶过程中，动 力电池组的充放电电流时刻变化，因此需要通过实验对比研究动力电池组在稳 态( 恒流) 以及瞬态( 变流) 条件下的能量转化效率，进而为简单而准确的测 取电动汽车动力电池组的能量状态提供理论支持。 6 武汉理一厂大学硕士学位论文 第2 章车用动力电池组效率特性测试平台开发 2 1 测试平台构成 研究车用动力电池组的能量转化效率特性，需要进行大量充放电实验，在 实验中实时采集动力电池组的瞬时电压、瞬时电流等参数。依据本课题的实验 要求，选择了美国a r b i n 电动汽车电池测试系统作为动力电池组充放电设备。 该测试系统可以提供充放电模式控制，如恒流充放电模式、恒压充电模式、脉 冲充放电模式等；同时可以在实验过程中监控充放电电流以及充放电电压；另 外还可以按照预设实验条件对充放电实验过程提供安全保护1 2 引。 考虑到需要对动力电池组的单节电压以及节点温度进行实时精确测量，并 且采样周期要求小于0 0 5 s ，为了保证实验测试数据的有效性，参考相关文献 2 3 - 2 4 】，设计开发了一套动力电池组数据采集系统。该套数据采集系统具有较高 的数据采集频率，可以精确采集电池组电流以及总电压，同时可以采集单节电 池电压以及节点温度，另外还具有温度控制以及安全保障功能。 综上所述，车用动力电池组能量转化效率特性实验测试系统原理如图2 1 所 示： 图2 1 实验测试系统原理 实验测试设备实际连接方式如下图2 2 所示： 7 武汉理工人学硕七学位论文 图2 2 实验测试设备实际连接方式 2 2 车用动力电池组数据采集系统主要功能 车用动力电池组数据采集系统测试平台如下图2 3 所示： 、裂一藩0 专 飞、! 望。堂堕翌i j 趸丽o 二二。耋銮銮，7 力 n 喜霉鐾鏊摹、l1 塞i 图2 3 数据采集系统测试平台 如图2 3 所示，所开发完成的动力电池组数据采集系统主要具有以下功能： 1 ) 分别采集单节电池的电压以及温度；2 ) 采集动力电池组的总电压、工作电 流以及s o c 等参数；3 ) 实时跟踪动力电池组的总电压变化轨迹以及工作电流变 化轨迹；4 ) 实时保存各项参数实验测试所得数据；5 ) 提供三级安全保护措施： a ) 当动力电池组总电压以及工作电流过高或者过低时，提供报警保护切断；b ) 当动力电池组单节电池电压差异过大时，提供报警保护切断；c ) 当动力电池组 单节电池温度异常时，提供报警保护切断。 国 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 车用动力电池组数据采集系统硬件设计 本数据采集系统的硬件部分主要包括主控制器模块( m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片 机) 、信号采集模块( 电压传感器、电流传感器以及温度采集模块) 以及数据通 讯模块，硬件架构组成如下图2 4 所示。 图2 4 数据采集系统硬件架构 主控制器模块主要负责对采集的模拟信号进行a d 转换( 模数转换) ，并且 将模数转换过程处理所得的数字信号传输到监控计算机进行数据处理。r s 4 8 5 通讯协议相比r s 2 3 2 通讯协议，具有更快的数据传输速率，更长的数据传输距 离，更强的抵抗外界干扰能力，因此适合用于多控制器模块阵列通讯，从而实 现监控计算机并行管理多控制器模块阵列1 2 弛6 1 。该套数据采集系统所采用的主 控制器模块( m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单片机) 集成c a n 通讯模块1 2 川，可以满足车载动 力电池组车载测试实验要求，解决了车辆和监控计算机进行数据交换的问题。 信号采集模块包括电池组的单节电压采集模块、总电压采集模块、充放电 电流采集模块以及温度采集模块。电压、电流信号采集模块由模拟量传感器与 对应放大电路组成。单节电压信号放大电路、总电压信号放大电路以及充放电 电流信号放大电路均与主控制器模块连接；车载动力电池组通过总电压模拟量 传感器与总电压信号放大电路连接；单节电池通过单节电压模拟量传感器与单 节电压信号放大电路连接；车载动力电池组通过电流模拟量传感器与电流信号 放大电路连接。电池组的正极接放电直流接触器，负极接充电直流接触器。温 度采集模块依据实验测试要求在特定电池单体上进行布置。 由于霍尔元件具有测量范围宽且精度高，电气隔离性能好，抗外界电磁和 温度等干扰的能力强，电流上升率大，响应速度快，过载能力强等优点【2 引，且 9 武汉理 大学硕士学位论文 与光电式传感器相比，传送信号精度约是其2 8 倍，因此本数据采集系统所采用 的单体电压传感器、总电压传感器、电流传感器均为霍尔型元件。 温度采集模块选用北京中泰科技公司所生产的远端热电阻采集板卡 i 洲a 4 1 1 。 由于监控计算机串口支持r s 2 3 2 标准，主控制器模块( m c 9 s 1 2 d g l 2 8 单 片机) 支持t t l 标准，因此上位机需通过标准串行接口经r s - 2 3 2 r s - 4 8 5 转换 器将r s 2 3 2 标准电平转换成r s 4 8 5 标准电平与下位机进行通信；在下位机端 s n 6 5 l b c18 4 p 将r s 4 8 5 标准电平转变成为t t l 电平，然后接入微控制器异步 串行通信接口( u a r t ) ，实现数据通信。 监 主 r x dr ob ；妻b 出 控 控 制t x d d ia 行计 取 接 口算 咱哥 s n 6 5 l b c l 8 4 p 机口 图2 5 数据采集系统通信接口框图 主要硬件电路如下图所示： ( 1 ) 单体电压采集电路： ( 2 ) 电源电路： 图2 - 6 单体电压采集电路 蛔脚v+=m i 一昌一 一 一 一1 0 i= 7 q 、 l 埘钟5 萝 图2 7 电源电路 ( 3 ) 主控制器模块( 单片机) 串行接口与s n 6 5 l b c l 8 4 p 接口电路： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 8 通信接口电路 2 4 车用动力电池组数据采集系统软件设计 该套数据采集系统软件设计主要包括上位机以及下位机软件设计。 在串口通信方面，v i s u a lb a s i c 的控件m s c o m m 具有强大的通信功能1 2 圳， 因此本系统的上位机软件程序采用v b6 0 编写完成，主要功能包括：1 ) 显示单 节电池电压以及温度；2 ) 显示车载动力电池组总电压、工作电流以及s o c 等参 数；( 3 ) 实时跟踪显示车载动力电池组总电压以及工作电流变化轨迹；( 4 ) 实 时保存车载动力电池组各项参数实验测试所得数据。上述功能可以确保该套数 据采集系统能够实时精确监测车载动力电池组各项参数瞬时数值，同时储存这 些实验测试数据以供后续分析研究。 由于该套数据采集系统采用f r e e s c a l e 公司产品m c 9 s 1 2 d g l 2 8 作为主控制 器模块，因此下位机软件程序在s 1 2 集成开发环境c o d e w a r r i o rh c s l 2 下完成编 写。下位机软件程序包括下位机主程序以及下位机中断服务程序。主程序完成 定时器模块相关寄存器初始化、串口通讯模块相关寄存器初始化以及中断向量 初始化。中断服务程序完成通讯数据接收发送流程。 上位机软件程序功能界面如图2 - 9 、图2 1 0 、图2 1 1 以及图2 1 2 所示： 图2 - 9 动力电池组类型选择界面图2 1 0 锂离子电池组数据采集操作界面 武汉理工人学硕+ 学位论文 r i 。生= 譬叠二孵】商t ，e 鬈髫j 砸强：罾 譬_ 鳓| t r o l l i 哇l ? ；，磬也考、喜；：乏j 二 _ ： 电压报警上限 二 m v o电压切斯上限 二 m v _ ：= _ 电压掘移下限 二 m v 电压切断下限 二 m v 电压五差搬警 二 m v 温度报警上限 二 ：蓊麟一： i t 誊 ；e 孵j r 冒二髫南蕞i 歪矗：萱墙= 毒，e - # 疆i l 瑚村n i 本如二o i 乏；二 ；。最尢充电电；忍 二二 a ：o 最大放电电况 二二 a ：。：钐定客蹙 二 a h 0 。容量校正 _ 。0 继环；奠数 ：s o i l ： _ ：。s o l 锄始化 o 弱糍囊! i 图2 11 电池组参数设置界面 2 1 2 2 2 3 2 4 熟 3 0 ： 孔 3 2 i 璋矗再i i i 革矗电i i 商毒任龟，。毒话_ 龟j 西毒淄】茹征百1 1 ；f ；童岳龟1 矗毒琢龟 图2 1 2 实验测试数据存储界面 ： 一士电0 0 o 0 一体x 单 一斟 _ 由号0 0 0 0 体w 草 # 。尬 一由一0 o 0 0 潍2 黼。晷嚣 卫疆， z z t 潴 黼茄器 t 一草 已已卫 一噼 晒。嚣哪 s 单0 z z 斟 酶。鬈阱 b 革 互 ，体 黼采薹誊 且单 工互互 罅 0 0 c 0 o 0 0 o o o 0 o 0 0 0 o o 0 0 0 o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o o 0 0 0 0 o 0 0 o 0 0 o o 0 o 0 o 0 0 0 omm驯叫伽伽伽伽嘲姒咖哪锄姐吼娜研州哪啪啪泓哪黜 互2 z乞互z毛z z z 已z z乞z幺己z置毛幺z 2 幺已乞z占毗善嘶嘲嘲嘲啪|；啪m吼m眈鼬渤嘞晰粥善皇享卿泐釜享溉 0 2 z 己z z 0 z 已z z卫王量2乏己曼王互n“卫毛互已互互m眦毫|啦啦眈瞄姒啪涩mmmm邮m色&z毛色已己曼已0毛乞王生已t乏z卫卫毛已奠互乏乏研哪吼季研研哪研叫毫至螂螂啪m嫩吼铋泓耕耕藿i孽i堇i哪誊i御 z 卫己z 毛& 毛z z 毛幺2 2 z t 卫已z z 0互l已五已色毛|耋挑呲呲哪mm恤眈螂眦呲啪|兰嘶雠土毛互乏置2毛幺王王卫已已已已曼互，一王已卫毛已互&王王幺已置 。mmmmmmm s：眦s：mmmmm|霪|mmmm：m啉m眦毛兰孵曼m & t z毛复&乏乏卫已0z乏t毛aat乞已卫乞已卫毛a卫乏a已 0互置置量曼暑量王置丑0互誊0土已互丑幺z 0互2已0互z z 王 王幺置己王王卫已z&王王己已卫乞卫毛卫三2 z t 已z z z 王王& z z 0己互土王己z丑已卫互z a卫已已n“0卫卫0曩兰王已互王卫 0 0 0 0 0 0 d 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o o o o 0 0 o 0 0 o 0 0 0 o 0 0 0 0 0 0 0 o 0 o 0 o 0 0 。o 0 0 o 0 0 0 0 0 0 o 0 0 0 d 0 0 0 0 0口0口d d)j) 2墨456789地n，地”“一坫一地 熟” 2 5 本章小结 本章主要介绍车用动力电池组能量转化效率特性实验测试设备组成，着重 描述车用动力电池组数据采集系统主要功能，并且详细介绍了数据采集系统硬 件设计以及软件设计过程，为后期的实验工作创造了良好的条件。 武汉理：r 大学硕士学位论文 第3 章车用动力电池组效率特性测试实验方案 对于二次电池能量转化效率计算，目f j 仅有美国能源部的p n g v ( p a r t n e r s h i p f o ran e wg e n e r a t i o no fv e h i c l e s ，新一代汽车合作) 电池试验手册提供了一种计 算放电过程能量转化效率的方法，其具体计算公式为1 3 0 。3 1 】： 能量转化效率= 器x 1 。 ( 3 - 1 ) 由于电池在充电过程中存在极化效应，造成按试验手册计算得到的充电瓦 时数并不是电池自身能量变化，因此该手册提出的计算电池能量转化效率的方 法存在一定误差。且该手册仅提出了放电过程能量转化效率的计算，而并未提 出充电过程能量转化效率如何计算。 鉴于此，本课题研究人员通过查阅大量的文献，提出了一种新的定义和计 算电池能量转化效率的方法1 3 2 】，并申请了相关专利i3 3 】。其具体描述如下： 车用动力电池组的能量转化效率是指电池组自身能量变化( 特指净能量变 化) 与外界输入电池组能量或者电池组对外输出能量之比。车用动力电池组能 量转化效率与充放电电流、荷电状态以及温度等使用因素密切相关。己知特定 类型动力电池组能量转化效率，根据电池组净能量变化可以计算外界输入电池 组的能量或者电池组输出的能量。电池组能量转化效率包括充电能量转化效率、 放电能量转化效率和充放电能量转化效率，其定义分别如下： 动力电池组充电能量转化效率：动力电池组进行充电，当充电完成时，充 电电源输入动力电池组能量用q 。表示，动力电池组自身能量变化用q n 表示， 则动力电池组充电能量转化效率可表示为式( 3 2 ) ： 仇h 球= q q i 。 ( 3 2 ) 动力电池组放电能量转化效率：动力电池组进行放电，当放电完成时，动 力电池组对外输出能量用o o 眦表示，动力电池组自身能量变化用q n 表示，则动 力电池组放电能量转化效率可表示为式( 3 3 ) ： 仉触= q 眦q 1 4 ( 3 3 ) 武汉理工人学硕士学位论文 动力电池组充放电能量转化效率：在特定环境条件下，动力电池组按照设 定倍率进行恒流充电达到特定荷电状态，其间充电电源输入动力电池组的能量 用q 。表示，然后在相同环境条件下，动力电池组按照相同设定倍率进行恒流放 电返回初始荷电状态，动力电池组对外输出能量用q 眦表示，则在这一特定条件 下，动力电池组充放电能量转化效率可表示为式( 3 4 ) ： 仇甜田= q o 眦瓯 ( 3 4 ) 依据上述理论计算公式，按照如下步骤可以建立车用动力电池组能量转化 效率模型： a )依据实验测试方案，进行o c v - s o c 特性曲线实验，确定动力电池组开路 电压o c v 与荷电状态s o