（机械电子工程专业论文）纯电动汽车电池管理系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着全球经济发展以及能源、环保等问题的日益突出，电动汽车以零排放 和噪声低等优点已成为节能环保绿色车辆最主要的发展方向之一，并且越来越 受到世界各国的重视，在二十世纪得到迅速发展。而电动汽车的动力源动 力锂离子电池，是目前电动汽车发展的瓶颈。作为发展电动车的关键技术之一 的电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称b m s ) 研究是解决该问题的 关键，倍受人们的关注，是电动车产业化的关键。 电池管理系统监测及管理电动汽车的动力电池运行的全过程，包括电池基 本信息( 包括电压、电流、温度和电量) 监测、剩余电量估计、单体电池间的充 放电均衡、电池故障诊断等方面。 本文以昌河爱迪尔汽车改装的电动汽车为试验平台，以锂离子电池为研究 对象，研制适用于电动汽车的电池管理系统。目的是实时监控锂离子电池、延 长电池使用寿命、提高电池的能量效率和运行可靠性。 首先分析了锂离子电池的工作特性和影响剩余容量的因素，比较了几种估 算电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ，简称s o c ) 的方法，并介绍了本系统中采用的 s o c 估算方法，即开路电压法与安时法相结合的方法。 其次针对锂离子电池的特性，设计出基于微控制器的电池保护系统。可监 测单体电池的电压，防止电池在使用中出现过充、过放等现象；监测电池组的 电流和温度信号，防止电池组出现过流、温度过高、短路等减少电池寿命现象 的发生。管理系统基于单片机实现对电池组电压、电流和温度的精确采集，采 用串口和控制器局域网络接口完成管理系统与其它系统之间的通信连接。 最后，在电动汽车上搭建实验平台，将锂离子电池组与设计的电池管理系 统连接进行相关调试、试验，测得相关数据并进行了数据分析。结果表明：本 文所设计并实现的电池管理系统硬件电路可靠、经济、抗干扰能力强，可以实 现：电池组的电压、电流、温度的模拟量采集；均衡充放电；剩余电量的计算 和电池状态的判断；实时显示电池组相关信息，故障时报警等功能。 关键词：锂离子电池；b m s ；s o c ；电动汽车；均衡 a b s l r a c t a b s t r a c t w 池t h eg l o b a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ee n e r g y ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n do t h e ri s s u e sb e c o m em o r ep r o m i n e n t , e l e c t r i cv e h i c l e sw i t hz e r oe m i s s i o n sa n d l o wn o i s ea d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n gg r e e nv e h i c l e sh a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o n s ，a n dm o r ea n dm o r ew o r l da t t e n t i o n , t h er a p i dd e v e l o p m e n ti n t h et w e n t y - f i r s tc e n t u r y b u tt h ep o w e rs o u r c ef o re l e c t r i cv e h i c l e s - p o w e rl i t h i u m - i o n b a t t e r yi st h eb o t t l e n e c ko ft h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s a st h ed e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cv e h i c l e sa so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) i st h ek e yt o s o l v et h ep r o b l e m ，m o r ea t t e n t i o ni st h ek e yt ot h e i n d u s t r i a l i z a t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e s b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mm o n i t o r sa n dm a n a g e m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e b a t t e r yp o w e rt or u nt h ee n t i r ep r o c e s s ，i n c l u d i n gt h eb a t t e r yo fb a s i ci n f o r m a t i o n ( i n c l u d i n gv o l t a g e ，c u r r e n t , t e m p e r a t u r ea n dp o w e r ) m o n i t o r i n g ，e s t i m a t e dt h e r e m a i n i n gc a p a c i t y ，c h a r g ea n dd i s c h a r g eb a l a n c eb e t w e e ns i n g l eb a t t e r i e s ，b a t t e r y f a u l td i a g n o s i sa n ds oo n i nt h i sp a p e r , c h a n gh ei d e a lc a rm o d i f i e df o rt h et e s tp l a t f o r mf o re l e c t r i c v e h i c l e s ，l i t h i u m i o nb a t t e r yf o rt h es t u d y ，d e v e l o p e dt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m f o re l e c t r i cv e h i c l e p u r p o s eo fr e a l t i m em o n i t o r i n go fl i t h i u m - i o nb a t t e r y ，e x t e n d e d t h eb a t t e r y sl i f e ，i n c r e a s ee n e r g ye f f i c i e n c ya n db a t t e r yr e l i a b i l i t y f i r s ta n a l y z e st h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl i t h i u m - i o nb a t t e r yr e m a i n i n g c a p a c i t yf a c t o r sa n di m p a c t ，c o m p a r e dt h ee s t i m a t e db a t t e r ys t a t eo fc h a r g e ( s o c ) o f s e v e r a lm e t h o d s ，a n di n t r o d u c e dt h es o ce s t i m a t i o nm e t h o du s e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sa m p e r eh o u rm e t h o da n do p e nc i r c u i tv o l t a g ec o m b i n e d s e c o n d l y ，f o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fl i t h i u m i o nb a t t e r y ，d e s i g n e dt h eb a t t e r y p r o t e c t i o ns y s t e mb a s e do nm i c r oc o n t r o l l e ru n i t c o u l db ea c h i e v e ds i n g l ec e l l v o l t a g em o n i t o r i n gt op r e v e n tt h ec e l l sa p p e a r e di nt h eu s eo fc h a r g e ，o v e rd i s c h a r g e a n ds oo n ；m o n i t o r i n gt h eb a t t e r yc u r r e n ta n dt e m p e r a t u r es i g n a l s ，t op r e v e n tb a t t e r y o v e rc u r r e n t ，o v e rt e m p e r a t u r e ，s h o r tc i r c u i tt or e d u c et h eb a t t e r yl i f ep h e n o m e n o n t h em a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nm i c r oc o n t r o l l e ru n i tt oa c h i e v ec o l l e c t e dt h e i i a b s t r a c t i i i iii iii ir ll l ll r liil y 19 4 2 8 2 3 b a t t e r yv o l t a g e ，c u r r e n ta n da c c u r a t et e m p e r a t u r e ，u s i n gt h es e r i a la n dc o n t r o l l e ra r e a n e t w o r ki n t e r f a c et oc o m p l e t ec o m m u n i c a t i o nl i n k sb e t w e e nt h em a n a g e m e n ts y s t e m a n do t h e rs y s t e m s f i n a l l y , b u i l d i n gt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo ne l e c t r i cv e h i c l e ，a n dc o n n e c t e d t h el i t h i u m - i o nb a t t e r i e sa n db a n e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma n da s s o c i a t e dd e b u g g i n g ， t e s t i n g ，m e a s u r e dd a t aa n dc o n d u c t e dd a t aa n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m s h a r d w a r ew a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yp a p e r r e l i a b i l i t y ，e c o n o m ya n da n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y c a nb ea c h i e v e d ：a c q u i s i t i o no ft h e b a t t e r yp a c kv o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r e a n a l o g ；b a l a n c e dc h a r g ea n dd i s c h a r g e ； c a l c u l a t er e m a i n i n gb a t t e r yt i m ea n dj u d g et h es t a t eo ft h eb a t t e r y ；r e a l - t i m ed i s p l a y b a t t e r yi n f o r m a t i o na n df a i l u r ea l a r mf u n c t i o n s k e yw o r d s ：l i t h i u m i o nb a t t e r y ，b m s ，s o c ，e l c c t d cv e h i c l e s ，b a l a n c e i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 汽车产业是国民经济的支柱，是人类现代化社会生活必不可少的一部分， 深刻影响着人们的日常生活。随着人们消费水平越来越高，对汽车的需求也越 来越多，以石油为燃料的传统汽车产业，为人们提供了方便、舒适的交通工 具，但同时也大大增加了社会运行对化石能源的需求，加深了社会发展对化石 类能源的依赖，同时，也使得日益减少的不可再生能源生产与日益增长的消费 需求之间矛盾越来越深。随着资源与环境双重压力的持续增大，发展新能源汽 车已经势在必行，成为当前汽车发展的主流方向。2 0 1 0 年3 月5 日，温家宝总 理在的政府工作报告中指出“要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医 药、信息网络和高端制造产业。积极推进新能源汽车取得实质性进展”。在 2 0 0 9 年哥本哈根世界气候大会上，中国承诺到2 0 2 0 年单位g d p 碳排放比0 5 年 下降4 0 4 5 。而新能源汽车的研究、推广应用是降低碳排放的重要途径之 一o 电动汽车是2 1 世纪的绿色环保的交通工具，电动汽车技术也是当前国际各 大汽车公司都在研究的一项热门节能高新技术。电动汽车采用现代电子控制技 术，在动力、环保、节能等方面都显示出其比传统汽车更有优越性和强大的市 场竞争能力。 电动汽车的关键技术包括车身技术、底盘技术、电池技术、电机技术和控 制器技术。车身和底盘技术是汽车的通用技术，而动力电池技术是电动汽车所 特有的技术，这项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素【l 】。 1 2 国内外电动汽车及其发展概况 新能源汽车包括混合动力汽车( h y b r i dp o w e ra u t o m o b i l e ，简称h e y ) 、纯 电动汽车( b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e ，简称b e v ) 、燃料电池电动汽车( f u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e ，简称f c e v ) 、氢能源动力汽车和其他新能源( 如高效储能器、 二甲醚) 汽车等各类产品【2 j 。而在新能源汽车中，作为“零排放、低热辐射”的纯 电动汽车较之其他几种类别的新能源汽车有着无法比拟的巨大发展潜力。 第一章绪论 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、 安全法规各项要求的车辆。电动汽车包括的类型有：混合动力汽车( t m v ) 、纯 电动汽车( b e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 汽车等。 目前，从美国政府对新一代汽车合作计划( p a r t n e r s h i pf o ran e wg e n e r a t i o n o fv e h i c l e s ，简称p n g v ) 的建立和执行情况来看，新能源汽车已经成为跨国汽 车公司和各国家战略发展的重要内容。美国的通用、f o r d 公司均投入大量的研 发资金并成立了相应的研发团队，从事电动汽车的研究和开发，对电动汽车的 相关技术、车型等新型电动汽车技术进行大面积开发。早在1 9 9 0 年1 月的洛杉 矶汽车展上，通用汽车公司就推出了概念车型i m p a c t 纯电动轿车；f o r d 公司于 2 0 0 4 年发售的e s c a p eh y b r i d 混合动力型越野车得到了广泛的好评；2 0 0 9 年通用 和s e g w a y 公司联合研发了一种双轮双座的电动汽车p u m a ，并计划于2 0 1 2 年 前上市；克莱斯勒公司在2 0 0 9 年世界地球日这一天推出了一款针对物流服务的 电动厢式多功能概念车；北美t e s l a 汽车公司于2 0 0 9 年推出了纯电动零排放汽 车t e s l ar o a d s t e r ，采用了极为先进的锂离子能量存储系统，可以使其在一次充 电后的巡航里程可达3 5 2 公里，而其所配备的能量再生制动系统则还可在车子 减速时为锂离子电池组充电，从而使得车子在行走途中就可获得能量的补给， 但是其售价也较为昂贵。 欧洲各国政府也对先进电动汽车的研发和推广给予了很大的支持。英国、 法国、德国和瑞士在电动汽车的普及上和推广上都位居世界前列，而且地方政 府通过对购买电动汽车者予以补助来鼓励电动汽车的推广和使用。1 9 9 6 年法国 雷诺汽车生产了c l i o 电动汽车；2 0 0 9 年在德国汉诺威工业博览会上电动汽车的 通用充电插头与大众见面。与此同时大众、通用、三菱等全球主要汽车厂商和 电力公司，对电动汽车通用充电插头的标准达成统一并着手研发。 日本政府在电动汽车先进技术的研发上一直予以关注，日本电动汽车的主 要研究方向是对混合动力电动汽车的研究，并且其技术及生产方面均处于世界 领先地位。本田、丰田、三菱和马自达等多家汽车企业都已开拓了混合动力汽 车市场。丰田公司于1 9 9 6 年推出了使用镍氢电池的r a v 4 l e v 电动汽车，值得 一提的是1 9 9 7 年推出的混合动力汽车p i r u s 畅销世界，并计划于2 0 1 0 2 0 11 年推 出豪华混合动力车型l e x u sh s 2 5 0 h 和l e x u sc t 2 0 0 h ；本田公司在1 9 9 9 发布销 售混合动力汽车i n s i g h t ，并在2 0 1 0 年的北美车展发布新型混合动力汽车 c r z 。 2 第一章绪论 我国对电动汽车的研发与全球同步进行，“十五”、“十一五”期间国家在电 动汽车研发项目投入了大量的资金，组织企业、高校、研究院等联合对电动汽 车先进技术进行研发。经过多年的探索和努力，我国的电动汽车项目在技术上 已逐渐成熟，部分技术能够达到国际先进水平或独具特色。但是在某些关键技 术如电池技术、整车控制协调、可靠性等还没有根本解决，这也是制约纯电动 汽车产业化的关键所在。 我国在电动汽车的产业化方面主要还是侧重于研发生产混合电动汽车。吉 利、一汽、长安、东风、奇瑞、比亚迪等国内较大的汽车企业都投入了大量的 人力物力进行混合动力汽车的研发。目前国内技术较为成熟的混合电动汽车 有：深圳比亚迪汽车公司生产的f 3 d m 和f 6 d m 两款混合动力汽车；奇瑞汽车 公司生产的a 5 混合动力汽车。以上几款汽车均已上市销售并且创出了较好的销 路。长春一汽公司正在研发解放牌混合动力城市客车，与其配套的动力总成控 制实验室已投入使用，并进行了关键部件试验【3 j 。2 0 0 7 年8 月3 1 日，我国第一 家具备研发、制造和试验检测能力的电动汽车公司南车时代电动汽车公司成 立。值得一提的是2 0 0 8 年北京奥运会期间，中国京华客车厂生产的纯电动公交 车进行了一定规模地实际运行。重要的是，它采用了充换电站模式，这一模式 展示了未来充换电站逐步取代加油站的趋势，未来电能的快速补给更显得尤为 突出，为我国在纯电动汽车的发展上又增添了重要的一笔。 我国在对车用电池的研发上也已取得了重大进展。中国雷天绿色电动源( 深 圳) 有限公司研究开发的大功率、低成本的锂离子动力电池续驶能力达到3 0 0 公 里，最高时速可达1 2 0 公里，可充电次数一千次以上；中科院大连化学物理研 究所从1 9 9 5 年开始对质子交换膜燃料电池开展了系统研究，开发了以氢气为燃 料的3 0 k w 质子交换膜燃料电池堆：天津“和平海湾电源集团有限公司”研制成 功了专门用于驱动汽车的1 0 0 安时的方型密封镍氢蓄电池，这种电池一次充电 可行驶2 3 0 2 5 0 公里，最高时速达1 2 0 公里1 4 。 但是，与欧美国家和日本的电动汽车技术相比，我国电动汽车的技术还不够 成熟，规模较小，各个功能还处于零散阶段，如电池管理系统、电机管理系统、 胎压检测系统、驱动力防滑系统、防盗报警系统、g p s 全球定位系统等，对汽车 在行驶过程中的各种状态缺欠统一的捕获、显示和控制的系统，关于这方面的研 究国内仍然处于空白阶段。因此我国应加快研发步伐，出台相应的鼓励措施和政 策，加快电动汽车的推广和使用，进而在促进电动汽车研制、生产和使用的同时 3 第一章绪论 也达到了保护环境和节约能源的目的，从而达到一举两得的效果。 电动汽车较之传统汽车有以下优势： 无排放污染。传统的燃油汽车工作时产生含有c o 、h c 及n o x 和硫化物 的尾气。这些尾气不仅气味难闻，而且威胁人体健康，长期积累甚至会造成酸雨 等危害极大的自然灾害。而电动汽车使用的能源是电能，不会排放污染大气的有 害气体，能有效的保护大气，减少污染，有益于人的身体健康和环境的优化。 节约能源。首先，电动汽车的动力来源是电能，而电可以从多种渠道获 得，除去火力发电以外的如核电、风电、水力发电、太阳能发电、潮汐能发电等 都是清洁能源，既节约了能源又有效的保护了地球环境。其次电动汽车可以充分 利用夜间等用电低谷的时候对电池进行充电，从而避开用电高峰时段，提高电网 运行的经济效益。另外，电动汽车不仅对能源的利用率较传统燃油汽车高，电动 汽车还能将制动时将电动机转化为发电机，将汽车的动能转化为电能储存起来， 实现能量的二次利用。因此，电动汽车的使用不仅环保，而且低碳。 结构简单，方便使用。电动汽车的运转和传动部件比燃油汽车少，保 养工作量小。其动力部件是电机，能量和信号传递基本靠电缆传递，而且电机 本身可实现调速，因此比燃油汽车更易于操作。 但是，电动汽车的发展受到诸多因素的制约，目前电动汽车技术尚不完 善。其中动力电池技术是现阶段我国新能源汽车实现产业化需突破的最大难 点，包括锂电池的寿命、安全性、一致性、成本等问题。一些关键零部件的生 产技术尚未掌握。目前我国尚无一家企业具备生产占新能源汽车电池成本约 3 0 的隔膜，全靠进口，而生产动力电池隔膜的技术和装备都列入了西方对我 国限制出口的清单，受制于人的局面尚未打破。还有动力总成系统也是电动汽 车发展的最重要制约因素，包括：电池及电池管理系统、驱动电机、电动机控 制器、整车控制系统。由于以上四部分关键基础问题尚未解决，成为了电动汽 车技术发展的瓶颈。为此，对新能源汽车动力总成系统开展基础科学研究，对 于我国经济建设和社会发展具有重大的现实意义和推动作用。 1 3 电动汽车电池管理系统综述 1 3 1 电池管理系统( b m s b a k e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 简介 电池是电动汽车的动力源，电池的性能直接关系到电动汽车的性能。电动 4 第一章绪论 汽车的研究和发展目前还处于初级阶段，就目前国内外的发展状况分析，车用 动力电池性能不够理想是制约电动汽车快速发展的主要原因。评价电动汽车动 力电池的标准有三个：比能量、比功率和使用寿命。 目前应用于电动汽车的动力电池主要有一下几种： 铅酸蓄电池。铅酸电池已有1 3 0 年的历史，其电极主要由铅及其氧化物 制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。其比能量为2 8 - 4 0 w h k g ，较多应用于 电动自行车，也有少数应用于电动汽车。其优点是成本低、性价比高、性能可 靠、生产工艺成熟；缺点是重量大、容量小、抗恶劣环境能力差、充电时间 长、使用寿命短等，且铅酸电池容易造成铅污染，目前已逐渐淘汰。 镍镉蓄电池。其正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由镉 制成的一种碱性蓄电池。镍镉蓄电池的比能量为5 5 w h k g ，也是一种技术较为 成熟的电池，是最早期的手机电池，现在也广泛应用于电动自行车和电动汽 车。其优点是放电能力强、轻便、抗震动、可快速充电以及寿命长。但其缺点 是价格高、具有记忆效应，且其负极材料重金属镉具有生物毒性，使用不慎便 会造成镉污染和镉中毒，介于这些原因，镍镉蓄电池在一些国家已被禁用。 镍氢蓄电池。和镍镉蓄电池一样，也是碱性蓄电池，不同处是将负极 材料换成了吸藏氢气的合金材料。镍氢蓄电池的比能量可达7 5 一, 8 0 w h k g 。镍 氢蓄电池除了具有镍镉蓄电池的所有优点以外，其比能量还高于镍镉蓄电池， 且在大电流放电时也能稳定工作、可靠性高、能适应恶劣环境、无记忆效应、 循环寿命长，且由于其负极材料使用的是氢，所以对环境没有污染。缺点是单 体电池的电压较低，只有1 3 2 v ，用于电动汽车串联后质量比较大，并且成本 高，价格高，性价比不够理想。 锂离子电池。锂离子电池是以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水 电解质溶液的电池。目前的锂离子电池的比能量为l o o w h k g 。其最大优点是比 能量高，锂离子电池理论值可达5 7 0 w h k g ，还有由于锂是最轻的金属，所以其 质量轻，其他优点还有：比功率高、自放电效应小、无记忆效应、循环寿命 长、可快速充电、无环境污染等。缺点是目前价格较为昂贵，但是随着电动汽 车市场和电池技术的发展，价格有很大的调整空间。目前锂离子电池受到各国 汽车公司的重视，是2 1 世纪最好的动力源，市场前景广阔。 燃料电池。燃料电池是一种化学电池，它是一种利用燃料( 氢气或碳氢 化合物) 和氧化剂( 氧气或空气) 发生化学反应时释放出的能量，并将这些能量直 5 第一章绪论 接转化为电能来放电的电池。与以上所叙述的蓄电池相比，其不需要充电或者 更换电池，一旦电池的燃料和氧化剂消耗掉以后，需要外部连续供给反应物 质。燃料电池的优点是能量转化率高、有害气体排放量低、燃料适用的范围较 广。缺点是制造成本过高。 电池管理系统功能的完善与否和其性能好坏是决定电动汽车的动力源 动力电池的性能发挥及寿命的关键。其原因是：1 、电池管理系统能防止电池 组过充、过放、短路等现象发生，延长电池组的使用寿命：2 、电池管理系统 可以保证所检测的单体电池和电池组在有保障的安全使用环境下运行，可以充 分发挥电池的性能，加强电动汽车使用的动力性能。 动力电池在不工作状态下内部仍然会进行缓慢的化学反应，而化学反应的 进行势必会伴随着能量的消耗，严重者甚至会造成电池的不可逆转损坏；电池 在生产时由于工艺、使用状况差异等原因，电池的性能必然会出现不一致性， 且这种不一致性会随着使用时间的加长而越来越大；电池的剩余电量是判断电 动汽车续驶里程的关键因素，但是其不同于燃油汽车的油量是可以直接看到 的，电池的剩余电量是无法直接能得到的。因此，基于以上几点分析，对电池 组的管理和检测工作有十分的必要性，电池管理系统也就应运而生。电池管理 系统可以提高电池运行的可靠性和稳定性，延长电池的使用寿命，提高电池能 量的使用效率，提供电池剩余容量方便驾驶员及时了解汽车的续驶里程等。 1 3 2 电池管理系统结构及功能分析 电池管理系统是由嵌入式系统控制，集现代检测技术和通讯技术于一体的 装置。其主要作用是检测电池组和单体电池工作时的状态信息，精确估算电池 组的剩余电量，对电池组中的单体电池进行充放电时的电量均衡，避免工作过 程中发生过充、过放、过温和短路等危险事故，从而达到延长电池的使用寿 命，提高电池的使用效率的作用。 由于动力电池能量和端电压的限制，电动汽车需要采用多块电池进行串、 并联组合，而动力电池特性的高度非线性，使得b m s 成为电动汽车的必备装 置。b m s 一般由传感器( 用于测量电压、电流和温度等状态信息) 、控制单元和 输入输出接口组成。b m s 最基本的功能是监控电池的工作状态，预测动力电池 的电池剩余容量并估算出剩余行驶里程，对电池进行有效管理以避免出现过放 电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象，最大限度地维持电池存 6 第一章绪论 储能力和循环寿命。 由于电动汽车电池组中众多动力电池之间存在制造工艺、材质、使用环 境、接线方式等差异，单个电池之间存在容量、端电压和内阻的不一致在所难 免，使用充电机来直接为电池组进行整体充电，必然导致单个电池之间不一致 性的加剧，出现个别电池的过电压充电。同样，单个电池间不一致性的存在也 会导致电池组放电过程中的个别电池的过放电。在车上的布置分散、动力电池 单体的使用环境不同，导致单体电池间不一致性的积累和恶化，严重影响电池 组的使用寿命，因此要对电池组的进行均衡充电以及有效的热管理。 b m s 的主要工作原理可简单归纳为数据采集和数据分析。b m s 实时采集电 池的各个状态、信息、数据，再由控制单元对数据进行处理和分析，然后根据 处理分析的结果对b m s 的相关功能模块发出控制命令，并向整车控制系统传递 相关状态信息。基于上述原理，美国托莱多大学提出一个典型的b m s 基本结构 框图( 图1 1 ) 【5 1 。这个典型的系统把b m s 简单的划分为两个主要部分一电控单 元和均衡模块。其中电控单元的作用由4 个功能组成：数据采集、数据处理、 数据传送及控制。电控单元也控制均衡模块和充放电等电池管理设备。 图1 1 美国托莱多大学的典型电池管理系统模块 图1 2 是韩国亚洲大学和先进工程研究院开发的b m s 系统的组成结构及其 相互逻辑关系。亚洲大学在托莱多大学典型电池管理系统的基础之上对b m s 的 功能进行了扩展，增添了对电池的热管理、s o c 估计及显示、安全装置、充电 控制系统、与电机控制器的通讯以及与p c 上位机的通讯功能等【6 1 。 7 第一章绪论 图1 2b m s 结构不葸图 b m s 应具备功能如下： 实时监控电池组状态：电动汽车的电池在工作时处于一个相对比较复 杂的环境中，电池在工作时其充放电会随着实际情况而发生很大的变化，而电 池充放电过程中过大的电流对电池和电机都是具有损坏性的。因此b m s 要对电 池在充、放电状态下的各种数据信息进行实时采集。采集的数据有电池组总电 压、单体电池的电压、电池组的总电流、每箱电池的温度等； 剩余电量( s o c ) 估计：电池的剩余电量相当于燃油车的剩余油量。为了 让司机及时了解汽车电池的剩余电量和续驶里程，b m s 应实时采集电池组的充 放电电流、电压等参数，并通过一定的算法对剩余电量进行估算； 充放电的控制与均衡处理：电池在充放电过程中由于单体电池的不一 致性，会发生过充、过放、不均衡等问题。若某个问题电池电压过高或过低， 为保证电池组的正常使用及性能的发挥，系统应当能对当前问题电池与主电路 进行短路或者旁路处理，停止当前问题电池的充放电。这样既保护了电池，又 不影响电池组的整体运行，而且由于制造工艺和使用状态不同等原因，单体电 池间会存在不一致性，在使用时如果不对单体电池间进行均衡处理，电池的不 一致和差异性会越来越大。因此b m s 应能判断并自动进行均衡处理； 热管理：温度也是会影响电池使用效率和寿命的重要因素，因此对于 温度的采集与控制也是b m s 的重要实现功能之一。b m s 应能对每箱电池的温 度实时采集，并且对温度过高的电池箱进行与主电路的断路处理，防止由于温 度过高造成的电池的使用寿命减少或者永久性损坏； 数据处理和通信：将电池的主要信息实时传输到整车控制系统，并实 时显示在人机控制界面，方便驾驶员对电池信息的了解，并根据整车c a n 通信 协议，与整车其他系统进行信息共享用，另外还应该能与上位机进行通讯，在 8 第一章绪论 故障时能及时的对其进行检查和修复。 1 3 3 电池管理系统国内外研究现状 国外对电池管理系统的研发方面起步较早，早在电动汽车研究之前，许多 应用电池的领域就已经开始了对电池管理系统的研究与应用，而电动汽车的出 现和对其研发升温，使得对电池管理系统的研究又进一步加深，并进行了大量 的实验及上车试用。国外目前比较由代表性的电池管理系统有：1 9 9 1 年德国 m e n t z e re l e c t r o n i ec n n b h 和w e m e rr e t z l a f f 为首设计的b a d i c h e q 系统及 b a d i c o a c h 系统；德国的b h a u c k 设计的b a t t m a n 系统；1 9 9 7 年美国通用 汽车公司生产的电动汽车e v l 上的电池管理系统；美国a e r o v i r o n m e n t 公司开发 的s m a r tg u a r d 电池管理系统；美国a cp r o p u l s i o n 公司开发的b a t o p t 的高性能 电池管理系统；2 0 0 4 年以来日本丰田和本田的混合车用系统及深海领域的电池 管理系统【8 】【9 】【l o 】；2 0 0 8 年应用于北京奥运的纯电动大巴锰酸锂电池管理系统。 我国在电池管理系统的研发起步晚于国外，于“十五”期间设立电动汽车重 大专项，后经过几年摸索与研究，在电池管理系统技术方面取得了很大的突 破。在我国的研究计划中，高校和国内汽车企业的联合研发对推动我国电池管 理系统的发展起了十分重要的作用。他们分别对电动汽车和混合动力汽车的电 池管理系统进行了相应的研究。目前分别有北京理工大学承担的e q 7 2 0 0 h e v 混合动力公交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 11 0 h e 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；湖南 南车集团研制的应用于铅酸电池、镍氢电池、锂电池等动力电池的电池管理系 统【6 】【l l 】【1 2 1 ；北京交通大学、北京理工大学等多所高校参与的2 0 0 8 年北京奥运会 应用锰酸锂动力电池和磷酸铁锂动力电池的电动大巴电池管理系统；哈尔滨冠 拓电源设备有限公司研发的g t b m s 0 0 5 a 管理系统【1 3 】；深圳市安泰佳科技有限 公司研发的a t j b m s 动力锂电池管理系统等【1 4 1 5 1 1 6 1 。 总的来说，自从全世界对电动汽车的研究开发以来，作为电动汽车三大关 键技术之一电池管理系统的技术也在逐步发展起来。特别是近两年，技术提升 很快，并且有很多优秀的产品问世并应用于各种型号的电动汽车上。但是，与 其他电动汽车的电子技术相比，电池管理系统的技术还不够成熟，功能效果还 不够理想，特别是在系统工作稳定性和可靠性、s o c 估算的精度以及电池均衡 技术上还要进一步的改进和完善。 9 第一章绪论 1 4 本文的研究内容 本课题来源于江西省科技厅的重大科技项目纯电动汽车关键技术的研 发。主要研究纯电动汽车的三大关键技术之一，即电动汽车锂离子电池管理系 统的研究。主要研究内容为： 1 针对锂离子电池的特性，对锂离子电池组剩余电量进行估算，完成 s o c 算法的设计。对s o c 建立电池剩余电量的仿真模型，并在变电流下对模型 进行充放电的仿真分析，得出剩余电量与时间的仿真曲线，并对曲线加以分 析。 2 设计出锂离子电池组电池保护系统。主要对电池组在充放电过程中可 能发生过充、过放、过流和过温等现象进行保护，并实现对电池组的均衡充放 电，达到延长电池的使用寿命的目的。 3 电池管理系统的上层管理。主要监测电池组的电压、电流和温度，完 成电池管理系统与上位机以及整车其它设备的通讯，并且实时显示电压、电 流、温度和电池组剩余电量等电池参数。 4 电池管理系统的仿真及实验。利用本课题所研究设计的电池管理系统 对电动汽车电池组进行充放电实验，进一步验证本系统的可靠性和实用性。 1 5 系统的技术指标 依据电动汽车平台的实际工作情况，对电池管理系统设计如表1 1 的技术 指标。 表1 i 系统的技术指标 电池组额定电压( v ) 1 4 4 v 电池组最大放电电流( a ) 5 0 0 a 电池组最大充电电流( a ) 7 2 a 单体过充电电压( 3 6 5 v 单体过放电电压( v ) 2 5 v 单体充电均衡阀值( 3 5 v 电压检测精度 0 1 电压显示分辨率( m v ) 1 0 电流检测精度 1 电流显示分辨率( a ) 0 1 温度检测精度( ) 0 5 温度显示分辨率( ) o 1 s o c 估算精度 5 s o c 显示分辨率 l 采样周期( s ) 1s o c 报警点 1 3 1 0 第一章绪论 1 6 本章小结 本章介绍了电动汽车及电池管理系统及其国内外研究现状，电池管理系统 的功能分析及要求。提出了本课题的研究任务，并对研究内容进行简要的介 绍。 第二章锂离子电池及其s o c 估算方法 第二章锂离子电池及其s o c 估算方法 2 1 锂离子电池 2 1 1 锂离子电池简介 锂离子电池( l i i o nb a t t e r y ) 是传统的锂电池发展而来，早期应用于照相机和 手表里用的纽扣电池就是锂电池。这种锂电池不需要充电，生产出以后就可以 使用，轻便耐用并且无污染。传统的锂电池的正极材料一般使用的是二氧化 锰，负极是锂。锂电池也可以充电，但充电时电池内会形成锂枝晶，锂枝晶会 造成电池内部短路。由于锂电池的循环性能较差，这种电池一般是禁止充电 的，所以一般认为锂电池是一次性电池。 后来，日本s o n y 公司开发了以含锂化合物为正极，以碳材料为负极的锂电 池，在充放电过程中，通过锂离子的嵌入和脱嵌进行充放电，也就是现在锂离 子电池。锂离子电池的化学特性、成本以及安全特性都不同于传统的锂电池。 锂离子电池的三个主要部分是负极、正极和电解质。负极主要是碳材料，正极 为金属氧化物，电解质则是含有锂盐的有机溶剂。目前最流行的负极材料是石 墨。正极一般由三种材料组成：层状氧化物( 如l i c 0 0 2 ) 、聚阴离子( 如l i f e p 0 4 ) 和尖晶石( 如l i m n 0 4 ) 。电解质是典型的有机碳酸盐的混合物，如含有锂离子的 碳酸二乙酯或碳酸乙烯酯混合物。 锂离子电池是一种可充电的电池。充电时，外部电源的电压高于电池，迫 使电池内部电流反向，l i + 经过非水电解质由正极流向负极，并嵌入负极碳材料 中的微小缝隙中，嵌入的锂离子越多，电池的充电容量就越高。同理，放电 时，l i + 从碳充脱离，随电流通过非水电解质由负极流向正极，锂离子越多，放 电容量就越高。 一般意义上电池容量指的是电池的放电容量。在锂离子电池在充放电时， 锂离子就在正极和负极之间进行循环往复运动。进行这种运动时，锂离子电池 就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就在摇椅的两端来回摆 动。所以锂离子电池又叫“摇椅式，电池【1 7 1 1 引。 自1 9 9 1 年s o n y 公司开发锂离子电池产业化上市后，锂离子电池以其无可 比拟的高能量密度、长使用寿命和耐循环等优势，受到全世界的重视并得到迅 1 2 第二章锂离子电池及其s o c 估算方法 速的发展。目前绿色环保的锂离子电池的应用领域一般为笔记本电脑和手机等 便携式电子设备中，并且在大容量的电动汽车动力电源方面，锂离子电池也已 成为当下最热门的选择。 2 1 2 锂离子电池发展历史 2 0 世纪7 0 年代e x x o n 的m s w h i t t i n g h a m 首次提出锂离子电池的概念， 并采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。 1 9 8 2 年伊利诺伊理工大学( t h ei l l i n o i s i n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 的r r a g a r w a l 和j r s e l m a n 发现锂离子具有可快速嵌入和脱出石墨的特点。由于金 属锂很容易发生剧烈的氧化还原反应，所以由其制成的锂电池的使用安全问题 备受争议，因此人们尝试利用锂离子可嵌入和脱出石墨的特点制作锂离子电 池。首个可用的锂离子石墨电极在贝尔实验室试制成功。 1 9 8 3 年m t h a c k e r a y 、j o o o d e n o u g h 等人发现锰尖晶石是优良的正极材 料，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高，且氧化性远低 于钴酸锂，即使出现短路、过充电，也能够避免了燃烧、爆炸的危险。 1 9 8 9 年，a m a n t h i r a m 和j g o o d e n o u g h 发现采用聚合阴离子的正极将产生 更高的电压。 1 9 9 1 年s o n y 公司首先生产并发布商用锂离子电池钴酸锂电池。随后， 锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池， 至今仍是便携电子器件的主要电源。 1 9 9 6 年p a d h i 和g o o d e n o u g h 发现具有橄榄石结构的磷酸盐，如磷酸锂铁 ( l i f e p 0 4 ) ，比传统的正极材料更具安全性，特别是其耐高温、耐过充电性能远 超过传统锂离子电池材料，成为很有潜力的锂离子电池正极材料。