（检测技术与自动化装置专业论文）镍氢蓄电池的数学建模及其电池管理系统实现.pdf

北方工业大学硕士学位毕业论文 摘要 随着社会的发展，汽车的普及率越来越高。但是在城市中，机动车带来的环境污染 和能源消耗越来越严重，成为我们亟待解决的重大问题，而h e v 正是一个理想的解决方 案。它的主要能源依然是化石燃料，是以蓄电池能量为辅助动力驱动机动车加速行驶， 并在刹车、发动机怠速运转状态回收能量。h e v 以起到了一定的节能作用。 本文着重介绍我们对混合动力电动车的蓄电池认识和研究成果。混合电动车由于 其结构的特殊性，在蓄电池的使用方式上不同于纯电动车，因此它对蓄电池的要求也 与纯电动车有差异。就蓄电池而言，其开路电压( 0 c v ) 在稳定状态下，可以通过开路电 压法准确找到蓄电池s o c 的一个可信范围。但是蓄电池一旦处于工作状态历史时刻 不同的充放电电流和充放电都会引起不同的当前时刻的蓄电池极化现象，而且蓄电池 极化现象的消逝过程非常缓慢且与时间不成正比。这就对s o c 的估测造成很大的不确 定性范围。因此找到一个好的蓄电池模型角够通过数学推导找到蓄电池的动态开路电 压的合理值，缩小s o c 的估测范围，提高蓄电池管理系统对s o c 的估测精度。因此本 文的重点在于对电池模型的详细阐述和具体实现方法。 本文介绍了还包含了本人设计的一种集中数据检测式的蓄电池管理系统的硬件 实现。该方案硬件具有成本低，工作可靠性高，抗扰能力强等优点。在本文中对该方案 分功能模块做简要说明，还对汽车c a n 总线及其在电池管理系统中的实现，介绍了 c a n 总线在现场中的数据传输和信号隔离。测试与装车试验表明本人设计的电池管 理系统硬件满足车载电子系统的可靠性要求，特别是其对现场电池的数据采样精度高 速度快，已经成功投入使用。 关键词混合动力电动车( h e v ) ，蓄电池剩余容量( s o c ) ，开路电压，蓄电池极化 北方工业大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i cm o r ea n dm o r eh o m eo w nt h e i rp r i v a t ev e c h i c l e s 。i n c r o w d e du r b a nc i t i e s ，r e d u c i n gv e h i c l e se x h a u s te m i s s i o n si sb e c o m i n gu r g e n tp r o b l e mt ob e s o l v e d 。s o 。h e v c a nb e a n i d e a l m e a s u r e 。o f g o u r s e h e v s m i a nd r i v ep o w e r s t i l i i sp e t r o l ，b u t r e c y c l ec e l lc a np r o v i d ea u x i l i a r yp o w e rf o rv e h i c l e ed r i v i n g 。a st h ev e h i c l e st a k et h eb r a k eo r w a i tf o rt h er e dl i g h t ，t h eg e n e r a t o r sc a nc h a r g et h eb a k e r i e s 。h e v ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) i sa n a l t e r n a t i v e 。i nt h ec r o w d e da r e a s ，i tc o u l db es e tt or u na saz e r oe m i s s i o nv e h i c l ea tp u r e e l e c t d cm o d e ；i no t h e ra r e a s i tr u n sa th y b r i dm o d ew i t hi o wf u e ic o n s u m p t i o na n de m i s s i o n 。 b yt h i sa l t e r n a t i v er u n n i n g ，t h ev e h i c l er e a l i z e sz e r oe m i s s i o ni ns p e c i a la r e a sw i t he n o u g h r u n n i n gr a n g e 。 t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e dt h er e l e v a n tk n o w l e d g eo fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) 。 b e c a u s eo ft h ee s p e c i a l l yo ft h e i rs t r u c t u r et h ew a yo fu s i n gb a f f e r yi nh e vi sd i f f e r e n tf r o m u s i n gi ne v , s oi t sr e q u i s i t i o nf o rb a h e r yh a sd i f f e r e n c e sw i t ht h ee l e c t r i cv e h i c l e s 。t o w a r d st h e r e c y c l e dc e l l ，o p e n - c h a r g i n g - v o l t a g e ( o c v ) h a sas t r i c t l yr e l a t i o nw i t ht h es t a t e o f - c h a r g e ( s o c ) 。w h e nt h er e c y c l e dc e l la f t e raw o r ks t a t e ，d i f f e r e n tc h a r g i n gc u r r e n s ea n dd i f f e r e n t c h a r g i n g t i m e a l l w i l l l e a d t o ad i f f e r e n t p h e n o m e n a o f e l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o n 。a f t e r a l o n g t i m eo fc h a r g i n g t h i sp h e n o m e n ad i e da w a yv e r ys l o w l y ，a n dt h ed e g r e eo ft h i sp e n o m e n a h a san o r - l i n e a r yr e l a t i o n s h i p 。t h e s en o n l i n e a rc h a r a c t e r sd i r e c t l yl e a dt ot h ee s t i m a t ee r r o ro f s o c 。w e w a n t t o c o n s t m c t a m o r e c o r r e c tb a n e r y m o d e l a n d i t s s t a t e m o d e l t h r o u g h t h a t w e c a nu s es o m ek i n d o f m a t h e m a t i ca l g o r i t h mt of i n do u tt h ev a l u eo fe l e c t r o c h e m i c a l p o l a r i z a t i o nv o l t a g e s ot h i sp a p e r sm a i np o i n ti sc l e a r l yd e s c r i b i n gt h eb a f f e r ym o d e la n di t s r e a l i z a t i o n 。 t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e d m yc o n c e n t r a t e d - w a yd a t u mm e a s u r i n gm e t h o d a n di t sh a r d w a r e 。t h i sp r o j e c th a sm a n yv i r t u e sa n da d v a n t a g e ，s u c ha sl o wc o s t s 、 h i g hr e l i a b i l i t ya n di s o l a t e dn o i s e 。e v e r yf u n c t i o nm o d u l ei nt h i sp r o j e c th a sb e e n i n t r o d u c e d 。t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e dt h ea u t o m o b i l ec a nb u s a n di t sr e a l i z a t i o n i nb a f f e r ym a n a g e m e n ts y s t e m 。a f t e rt h ee x a m i n a t i o na n df i e l du t i l i z a t i o n b m s s h a r d w a r ei sf e a s i b l e ，e s p e c i a l l yt h eb a f f e r y sd a t u mc o l l e c t i n gs y s t e mw i t hh i g h c o n v e r s i o ns p e e da n dg o o dr e s u l t 。 k e yw o r d ：h e v ，s o c ，o c v ，e l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o n n 北方工业大学学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 左王些盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 位论文作者签名：罕幺嚣芦字日期：2 。0 6 年 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 左王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j 直王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 、 学位敝作者签名碑雳笼， 签字日期：2 0 0 6 年岁月圩日 导师签名：翰力 签字日期：2 0 0 6 年萝月如日 学位论文作者毕业后去向：公司 工作单位：德信无线通讯科技有限公司 电话： 通讯地址：北京市朝阳区酒仙桥东路1 号 邮编：1 0 0 0 1 6 北方工业大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 1 1 本课题的目的及其意义 汽车作为能源消费大户，其带来的负面影响越来越严重：传统的以有限的石 油资源为基础的发展模式越来越不被人们认同，汽车尾气的排放成为现代城市的 主要污染源。因此，节能和环保成为汽车工业发展的新目标。在此背景下电动车 的发展被广泛看好，他被认为是汽车工业发展的明日之星。但是，由于蓄电池 的质能比远远小于汽油的质能比。以蓄电池质能比最好的锂离子为例，它的质能 比是1 2 0 w h k g ，而汽油的质能比是1 2 0 0 0 w h k g 。纯电动车由于其一次充电后的行 驶里程较短，且所需的辅助建设投入较大，其市场化进程一直较为缓慢。为降低 传统燃油汽车的排放和弥补纯电动汽车行驶里程不足的缺点，混合动力汽车 ( h e v ) 的研究开发便受到人们更多的关注，它被认为是纯电动车开发过程中为 有利于市场化而产生的一种新车型。美国经过多年的论证表明，只有采用混合 动力技术才能制造出百公里油耗低于4 升的汽车。而我们现在普通用的家用轿车 百公里耗油大多都在7 “9 升。 近年来私家汽车的消费在我国越来越大。并且，由于国家能源和城市公共资 源的有限性，传统汽车对其的负担也是越来越严重。由于市场和成本原因，世界各 国都是以公共交通汽车为重点着力发展电动车事业。如果能将现有的公共交通车 辆都换成低排放( 甚至零排放) 的混合动力车，那将大大改善我们的城市环境。 基于此，混合动力的大巴的市场化被广泛看好。在国家8 6 3 高科技计划中，电动 车被列为重大攻关专项课题。 混和动力汽车运行效果的好坏，蓄电池管理系统在整个混合车辆中发挥重要 作用。蓄电池不能仅仅看作是混合动力的能源之一，简单地回收多余能量。它还 像枢纽一样，在车载电能和动能之间调节彼此的输出状态。如何能让蓄电池和电 机在充放电中很好的配合工作，使电动车与普通汽车相比可以起到节能环保的作 用，蓄电池管理系统对电池剩余容量( s o c ) 的估测报告对整车的协调控制就由为 重要。蓄电池管理系统还要检测蓄电池的工作状态肪止发生过充过放等错误动 作对蓄电池的损坏。蓄电池管理系统运行的好坏对混合动力车辆来说是必不可少 的部分。 镍氢莆电池以其高比能量、高比功率和循环使用寿命长等特点( 锂离子蓄电 北方工业大学硕士学位毕业论文 池的稳定性安全性还不适合做混合动力的电源驱动) ，成为国家8 6 3 混合动力大 巴用蓄电池。镍氢蓄电池的模型及其剩余容量的估计与传统的铅酸蓄电池有着较 大的区别。对于后者，国内外的相关研究较多，但对于前者的研究也是在进两年 才开始受到人们的重视。本课题是以高比功率镍氢蓄电池为控制对象的。通过对 大量的试验数据的观察，将设计出一套适合镍氢蓄电池的管理系统是本课题的主 要目的。 1 2 蓄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，但也还有很多问题没有解决。例如：蓄 电池与蓄电池之间的差别电机与电机直接的差别。当问题突出时，甚至每台车的 多能源对蓄电池和电机的控制需要具体情况设计一个具体的控制策略；蓄电池如 何在变化的气候条件下工作；如何实现对蓄电池蓄电池快速充电：提到的这些问 题都针对到蓄电池的我们做到能量管理而言，其他问题就不在此赘述了。如何有 效合理地使用蓄电池是蓄电池管理的首要问题。与电机控制技术、蓄电池技术相 同，电池管理系统仍然在不断的积累经验当中寻求更佳的方案。 电池管理系统( b m s ) 作为电动汽车中一个越来越重要的关键部分。我国在这 方面的研究虽然刚刚起步，在这方面与科技发达国家相比有一定差距。但我们的 发展方向和方式不同于它们，而且在我们的自主研发研发当中积累我们自己的知 识产权技术，于国于民都有长远利益。蓄电池寿命是有限的，这是客观事实。但如 何使用蓄电池，最大化的实现蓄电池的使用价值。蓄电池外部因素决定了蓄电池 的寿命，如蓄电池的充电参数，包括充电方式、充电电流、充电结束电压；蓄电 池的放电参数，包括蓄电池的放电电流、放电深度、脉冲电流等；蓄电池的温度； 从实践中可以发现，单个蓄电池的寿命远比整组蓄电池的要长。这是因为蓄电池 单体间处在不均衡的状态中，充放电过程的不均衡，而不断的不平衡充放电过程 更加剧了蓄电池单体间的不均衡现象。解决这个问题一方面需要电池管理系统及 时发现电池组中不平衡的单体，及时更换匹配电池。另一方面就是要准确估测蓄 电池的剩余容量( s o c ) ，要求电池的工作状态在2 0 8 0 的s o c 。 电动汽车，尤其是纯电动汽车中的电池能量管理系统是该车的一种相当重要 的技术措施，可以称为电动汽车电池的“保护神”，它起到了对电池性能的保护、 防止个别电池的早期损坏、有利于电动汽车的运行，并具有各种警告功能等 2 1 0 由于它参加电池箱内电池模块的监控工作使电动汽车的运行、充电等功能与电池 的有关参数( 电流、电压、温度) 紧密相连和协调工作。它有计算、发出指令、 北方工业大学硕士学位毕业论文 执行指令和提出警告的功能。各种电池模块虽然有结构和性能上的差异，但它们 都具备一些相同或相似的功能。典型的电池能量管理系统应具备如下功能： 一、电动汽车在行车过程中，该系统能随时给出该电池箱内电池模块剩余的 电池能量值( s o c ) 。电池管理系统通过c a n 总线向整车控制系统发送s o c ， 并由整车控制系统调节控制电机和发动机的匹配输出功率。而且可以实现s o c 的数据显示出来，使驾驶人员知道蓄电池的续驶里程，以便安排充电事宜。 二、电池能量管理系统按电池箱内安装的传感器提供的信号对电池进行管 理。一般情况下，电池箱内有温度传感器及电压、电流的测量值。由于温度的变 化对其他参数都有影响，所以一般都以电池模块的温度来做为控制的指令信号， 将测得的温度值与事先设定的温度值进行比较，决定对电池冷却与否。 三、在电池工作状态下( 充、放电) 对电池模块的工作性能、安全性能进行 监测，及时向整车多能源管理系统发送错误信息，甚至切断蓄电池高压，保证电池 不发生严重事故。 1 3 蓄电池的数学建模技术难点 电动车蓄电池由一般2 0 0 3 0 0 个蓄电池( 镍氢蓄电池) 串联而成，具体情况 需要根据电机功率决定。总电压约3 0 0 伏左右。蓄电池组的工作状态监控需要了 解蓄电池每个单体( 1 0 个或l o 个以上的电池串联为一个单体) 的端电压、温度等 参数。蓄电池的充、放电过程是非常复杂的电化学反应过程，我们根本无法从微 观世界去了解蓄电池工作的具体情况。每次充电或放电的方式都具有不可重复性 特别是在蓄电池的寿命不确定的情况下。因此现在电池管理学术界，又推出这样 一个定义s t a t eo f h e a l t h ( s o h ) 。说实话，世界各国都没有一个很好的方法来界定 充电效率和放电效率。假设充1 0 0 的电量，放出9 5 的电量。这里边有多少是充 电效率损失的，有多少是内阻充放电发热损失的，有多少是自放电损失的，这些都 不好确定。所以定义出s o h 这样一个量，来表示当前蒂电池的最高充电容量。电 池容量c c 指的是电池充满电后可以放出的电量。它随电池环境稳定和使用时间 有关。电池容量c n 指的是在标准温度下的最大放电量。c ? “指的是电池生产厂 家标定的常温最大放电电量。电池的标准s o h 的表达公式是 s 。h f 毒 乙” 公式( 1 - 1 ) 北方工业大学硕士学位毕业论文 s o h c = ： l n 公式( 1 - 2 ) 电池的s o h 。只有在使用初期和电池迅速老化的末期才表现出不稳定性。电 池在使用初期不断的使用过程中电化学特性被激活，s o i l 逐渐趋于良好，然后进 入一个稳定期；在多次循环使用甚至多次过充过放地反复使用蓄电池后，蓄电池 进入老化期，s o i l 迅速下降，直到不能使用时。如何正确的认识和估计蓄电池的内 部状态，是电动车电池管理系统关键技术之一。需要具备一整套完善的理论方法 和实验研究方案，才能有效的认识蓄电池的状态改变的规律，进而进行电量估计 和蓄屯池诊断。镶氢蓄电池的电压是镍氢电池在理论上输出能量大小趵度量之 一。电压的大小由电池中所进行的电化学反应的性质和反应条件决定，与电池的 形状、尺寸无关。如果蓄电池其他条件相同，那么电动势越高的蓄电池，理论上 能够输出的能量就越大。蓄电池在没有负载情况下的端电压称作开路电压。对于 长期静置的蓄电池的开路电压，可以根据统计规律，比较准确的给出一个电池剩余 容量的准确估计。 电动车蓄电池组在充电和放电过程中将会产生热量。由于各个蓄电池所处的 空间非常有限，单体间的距离就非常紧凑。电池单体的位置不同，散热条件不一 样。处在中间的电池单体，散热条件差，电池内部的温度就会迅速升高。而外围的 电池，其热量很容易地就传导到外界，温度相对变化就慢。因而，电池单体间的工作 温度出现差异，直接导致电池内部的电化学反应出现明显的不致性。特别是蓄 电池的内阻，温度高的内阻大，电荷容量就低。首先我们要通过合理的设计通风道， 以及合理的规划风扇控制策略，从而可以主动调节蓄电池的外部温度，使处在内 部的电池单体可以有一个良好的散热环境，保持电池能工作在基本一致的环境温 度状况下，减缓蓄电池个体差异造成的电池寿命的提前老化：其次，就是要通过单 体电压检测，及时发现不合格或提前老化的电池。如果多次检测发现某单体电压 比多数单体电池电压明显偏低，我们会通过合理的s o c 校正，降低整个电池组的 s o c 估测值。事实上，这种情况下说明电池组，至少是部分单体电池。已经提前进入 报废期，需要及时更换新的单体电池，这样才能保证绝大多数电池不会因为废旧电 池的影响提前老化。而且更换电池后才能提供标准的电能驱动功率。电池管理系 统的目的是既要保护整体蓄电池的使用，又要最大限度的发挥蓄电池的有效使 用。因此，电池管理系统对s o c 的估测的误差有严格的范围限制。不能为了保护 电池而把s o c 过低或过高校正，影响了蓄电池的有效充放电范围和电动车对蓄电 池的有效合理使用。 北方工业大学硕士学位毕业论文 实事求是地讲，我们希望找到一种不变应万变的思路来准确估测蓄电池剩余 容量，但这种思路是不切实践的。影响电池s o c 的因素很多，而各个因素之间相互 关联致使我们很难确定一个合理科学的数学池模型来描述蓄电池的工作状态。 1 4 课题规划 本课题来源于国家8 6 3 重大专项( ( e q 6 1 1 0 h e v 公交车大功率镍氢动 力电池及其管理模块，是其中的一个子课题，作者要完成的主要任务是：分析 了解大比功率镍氢蓄电池的性能和并实现车载蓄电池管理系统的软硬件设计。课 题的完成主要分两个阶段。在第一阶段是对镍氢蓄电池的性能了解。这是建立在 大量阅读相关资料，特别是分析高比功率镍氢蓄电池的实验性测试数据，了解镍氢 电池的特性；在第二阶段中，主要任务是通过自行设计的电池管理系统验证实现 新算法的准确性和实用性。新的算法已经应用于混合动力大巴的电池管理系统当 中，运行效果基本满意。 北方工业大学硕士学位毕业论文 第二章混合动力电动车及其蓄电池 2 1混合动力电动车的发展现状 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，混合动力电动车 是指由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能 提供电能的车辆称为混合动力电动车汽车。当然这只是个笼统概念，具体如何 去做并未受到概念的限制。我们知道近年来，随着人们对环境的日益关注，各种 产品纷纷向其绿色系列转换，汽车行业也不n # i - 。具有完全零排放的纯电动车，直 接将电能转换成机器能，被认为是汽车行业的理想绿色产品。但是，一般蓄电池 的能量密度和汽油相比相差极大。在蓄电池技术没有飞跃性突破之前，纯电动车 的市场化还是很难实现。在这样一个情况下准绿色的新型产品一混合动力电 动车便得到了广阔的发展空间”。 从当前世界各国发展的电动汽车类型来看，主要分为纯电动汽车、混合动力 电动汽车和燃料蓄电池汽车三种。借鉴国外发展电动汽车经验和我国电动汽车开 发现状，我国选择混合动力电动汽车作为现阶段技术突破口，尽快取得产业化， 再进一步推动电动汽车在各个方面的创新和发展。这主要因为，混合动力车有利 于对传统汽车工业的改造。与纯电动汽车相比，既可用常规内燃机作动力，又可 结合采用蓄电池、电机驱动的混合动力电动汽车，不仅比传统汽车节约燃油，而 且在同等条件下，比纯电动汽车节约电能，一次充满油、电后，可使持续行驶里 程提高到5 0 0 1 0 0 0 公里左右。专家认为，在传统汽车向电动汽车的过渡时期， 这种由电动机和内燃机结合使用的过渡车型，可能有4 0 5 0 年的市场周期，这 是一个完整的历史阶段，具备非常实践的开发价值。 混合式电动汽车是将传统的内燃机与电力驱动的电动机结合起来的车辆。他 的优点是将纯电动汽车的行驶里程延长了，且与传统的燃油汽车相比在相同的行 驶里程下混合动力电动汽车的燃油消耗和排放都要小的多，但是其缺点是结构复 杂且不是完全的零排放。一般来说，混合动力电动汽车分为串联式、并联式和混 联式三种( 如图2 - 1 所示) 。 2 1 1 串联式混合动力电动汽车s e r i e sh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( s h e v ) s h e v 是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电 机和驱动电动机采用”串联”的方式组成s h e v 的驱动系统。s h e v 用发动机一发 电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使s h e v 的行驶里程得 北方工业大学硕士学位毕业论文 图2 1 混合电动汽车的分类 ( a ) 串联式；( b ) 并联式；( c ) 混联式 b ：蓄电池；e ：内燃机；f ：油箱；g ：发电机 m ：电动机；p ：功率转换嚣；t ：传动装置 到延长。实际上s h e v 的发动机一发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机 并不直接参与s h e v 的驱动。因为只有唯的电动机驱动模式，其特点是动力特 性更加趋近于e v 。s h e v 必须装置在一个大功率的发动机一发电机组，再用驱 动电动机来驱动车辆。三大动力系统组成的体积较大，质量也较重，还有大功率 的电机成本甚高。目前的混合动力汽车很少采用此方案。 2 1 f 2 并联式混合动力电动汽车p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ef p h e v ) p h e v 是由发动机、电动发电机或驱动电动机两大动力总成组成，发动机、 电动发电机或驱动电动机采用”并联”的方式组成p h e v 的驱动系统。从p h e v 的动力系统组成，可大致分为发动机一驱动系统( 变速器和驱动桥) 一驱动轮等， 电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：在发动机输出轴处进行组合； 在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合；在驱动轮处进行组合。 虽然p h e v 有不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。发动机控 制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。发动机直接带动p h e v 的驱动系统驱动p h e v 行驶，采用传动效率高的机械传动系统，没有s h e v 在 热能一电能一机械能的转换过程中的能量损耗。 在p h e v 上可以实现发动机驱动模式，驱动电动机驱动模式和发动机一驱动 电动机混合驱动模式等三种驱动模式。发动机和发电机各自的功率，可以是 p h e v 的最大驱动功率的0 5 l 倍，两大动力总成的功率可以叠加，因此可咀采 j e 立三些盔兰堡主堂垡生些堕壅 用较小功率的发动机和驱动电动机，使得整个动力总成的尺寸较小，质量较轻， 造价也较低，可以应用在中小型p h e v 上。由于是以发动机驱动模式为主要驱动 模式，其特点是动力特性更加趋近于内燃机汽车 2 1 3 混联式混合动力电动汽车s p l i th y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( p s h e v ) 混联式混合动力电动汽车( p s h e v ) 是综合s h e v 和p h e v 结构特点组成 的p s h e v ，由发动机、电动发电机和驱动电动机三大动力总成组成。由于电动 ，发电机必然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作用，也 才能保持发动机稳定运转并进行发电。因此电动机的动力要与车辆驱动系统相组 合，只有：在变速器( 包括驱动桥) 处进行组合；在驱动轮处进行组合。 p s h e v 兼有s h e v 和p h e v 的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动 模式，发动机、电动发电机和驱动电动机的功率可以是p s h e v 总功率的l 3 1 倍，车辆的整备质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性能方 面接近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达到”超低污染”的标准 要求。 混联式混合电动汽车由于其灵活的控制方式，在大型的混合公交车上常常采 用。本课题中的混合动力大巴即采用这种连接方式。从混联式电动车的工作方式， 我们可以看出电池在系统中处于能量的输出及输入交替状态，即混合动力汽车在 运行过程中电池处于充电和放电的交替，这一点与纯电动车不同。这也是造成电 池的剩余容量较难估计的原因之一。 2 2 电动车的发展状况 2 2 1 混合动力电动汽车国际发展状况 9 0 年代以来，国外一些知名汽车公司投入巨资开始进行电动汽车和混合电 动汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了各种高新技术，使不少样车的主 要动力性指标达到了燃油汽车的水平。 丰田的p r i u s 和本田的混合电动i n s i g h t 是世界上最早推出的混合电动商品车。p r i u s 和i n s i l g h t 代表两种截然不同的混合 方式，丰田t h s 系统和本田的i m a 系统。t h s 系统( t o y o t a h y b r i d s y s t e m ) 是具有两台电机，电动机与发动机功率相当，通过行星齿轮机构实现动力复合和 分配的完全混合系统( 参见图2 - 1 ) 。它的特点是能量流控制精细，机构比较复杂。 i m a 系统( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) 是典型的轻度混合系统( 参见图2 ) ，其中作为辅 助动力的盘式电动机装在发动机与变速器之间，与曲轴同轴安装，功率较小。它 的特点是系统简单，相比t h s 系统来说对传统驱动系统改变较少，生产成本也比 北方工业大学硕士学位毕业论文 t h s 低k 5 | 。两种系统、两种车型都获得市场的初步成功。混合电动汽车作为纯 电动汽车的市场过渡产品及具光明的市场化前景。但是，与传统的燃油动力 型汽车相比，混合动力电动车的价格实在是太昂贵了，大致相当与同类燃油 汽车的1 5 2 倍，这在很大程度上限制了其发展。 m a s y s t e m m o 狐r 图2 - 2p r i u s 的t h s 系统 图2 - 3c i v i c 的i 姒系统 2 2 2 混合动力电动汽车国际发展状况 自从2 0 0 1 年起我国科技部开始设立“三纵三横”电动汽车专项以来，我国建 立了国家研发技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台以及示范应用平台。 特别是在北京、武汉、天津、威海等几个城市开展电动汽车商业化试验示范运营 6 1o 我国在电动汽车领域的核心产品和新兴产业竞争力已有效提升。如表2 - 1 所 示，在整车和关键部件乃至上路示范运行方面都取得了可喜的成果。 表2 - 1 国内混合动力整车相关单位( 十为国家8 6 3 资助) $ 重庆长安混合动力轿车 芜湖奇瑞混合动力轿车 长春 一汽混合动力大巴混合动力轿车 武汉 二汽 混合动力大巴混合动力轿车 武汉理工大学 混合动力大巴 哈尔滨中强混联混台动力大巴 天津清源混合动力大巴混合动力中巴 北京博大混合动力大巴 北京交通大学混合动力垃圾清扫( 运) 车 同济大学混合动力轿车 上海上汽混合动力大巴 北方工业大学硕士学位毕业论文 比亚迪 混台动力轿车 湘潭湘电 混合动力大巴 长沙长丰混合动力越野车 深圳五州龙混台动力大巴 明华混合动力中巴 广卅i华南理工大学 混合动力大巴 郑州宇通混台动力大巴 合肥安凯( 与株洲)混合动力大巴 金龙 厦门混合动力大巴 在轿车方面，红旗混合动力轿车经过多年的研发，在各方的一致努力下，也 取得丰厚的成果。红旗混合动力轿车通过发挥汽油发动机与电动马达这两大动力 源的复合效庶，在大幅提升燃油效率和加速度等各项功能的同时，明显降低了尾 气排放，燃油经济性良好1 6 1 。 2 3 几种电动车常用的蓄电池性能比较 要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、 使用寿命长、成本低的蓄电池。下面介绍几种常见的蓄电池及其特点 铅酸蓄电池铅酸蓄电池己有1 0 0 多年的使用历史，广泛用作内燃机汽车的 起动动力源。它可靠性好、原材料易得、价格便宜，目前已经实现了大批量的生 产，其产品回收较为容易：但它有两大缺点；一是比能量低；另个是使用寿命 短，致使它的使用成本较高。同时由于铝是重金属，铅酸蓄电池存在污染问题。 镉镍蓄电池 目前，镉镍蓄电池的比能量可达5 5 w h k g ，比功率超过 1 9 0 w 蚝，可快速充电，循环使用寿命较长，但其价格是铅酸蓄电池的4 5 倍。 和铅酸蓄电池一样，镉镍蓄电池也存在金属( 镉) 污染问题，许多国家已经限制 生产和使用。而且，镉镍蓄电池还存在记忆效应，早期使用手持电话的人对此有 深刻印象。 镍氢蓄电池镍氢蓄电池和镉镍蓄电池一样，也属于碱性蓄电池，其特性和 镉镍蓄电池相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在莺金属污染问题。镍氢蓄 电池存在的主要问题是自放电较高，高温的性能差，成本较高且蓄电池的荷电水 平刁i 容易准确的判定。但是，它的安全性能、寿命、加速性能等方面都优于其他 北方工业大学硕士学位毕业论文 的蓄电池，被认为是目前最适合用于h e v 的动力蓄电池。 钠硫蓄电池钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车用蓄电池。比能量达 1 0 9 w h b ，循环使用寿命1 2 0 0 次，装车试验时最好的一辆车无故障地行驶 了2 3 0 0 k m 。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重，蓄电池寿命较短。性能稳定性 及使用安全性不太理想等问题。 锌空气蓄电池锌空气蓄电池的潜在比能量在2 0 0 w h k g 左右。美国d e m i 公司为电动汽车开发的锌空气蓄电池的比能量己达1 6 0 w h k g 左右，但它目 前尚存在寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电等缺点。 锂离子蓄电池锂离子蓄电池具有很高的能量密度( 目前已达到铅酸蓄电池 的3 4 倍，镍氢蓄电池的2 倍) ，良好的性能价格比，和较高的单体电压；蓄电 池在充放电时可获得较高的能量效率，放电时容易检测出蓄电池的荷电状态。被 认为是最有希望的电动车用蓄电池。但目前大容量的锂离子蓄电池技术还没有真 正突破，存在的主要缺点是：一致性、安全性差，成本高，技术不成熟，高温性 能差。目前，锂离子蓄电池所面临的主要问题是价格和其安全性能。锂聚合物蓄 电池解决了锂蓄电池的安全性问题，生产成本低于锂离子蓄电池。但它的比功率 较低，快速充电性能差，目前仍属于实验室产品。 2 4 电动汽车用蓄电池的其性能指标及模型综述 一直以来，人们将蓄电池技术视为电动车发展的薄弱环节。正是蓄电池技术 的局限性制约了电动车的发展和普及。电动汽车用蓄电池的主要性能指标有：容 量、能量密度、功率密度、自放电率、循环使用寿命、造价等。 蓄电池的容量一般是指它的库仑容量，定义为： c = ，i ( t ) d t 公式( 2 - 1 ) 常用的单位为a h 或m a h ，在实际应用中我们一般采用荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a n g e ) 来表征蓄电池的剩余容量。s o c 定义为剩余容量与标称容量的百分比。 当一个标称容量的为4 0 a h 的电池，即被放空蓄电池以4 0 a 的电流充l 小时，达到 饱和电压( 此时用小电流涓流浮充，依然可以充进电流，但不可能太多。我们还是定 义该电池是4 0 a h 蓄电池，以给我们的s o c 一个固定标准) 。若再以1 0 a 的电流放 电一个小时，则电池还剩7 5 的电量，即s o c = 7 5 。事实上蓄电池的容量与蓄电 池放电率、工作环境温度和蓄电池老化程度有关。对电池做的任何先验性的实验 对被测对象来说均是不可重复的。 北方工业大学硕士学位毕业论文 蓄电池的能量密度定义为单位质量或单位体积的蓄电池所具有的能量。通常 质量能量密度定义为蓄电池的比能量( w h k g ) ，体积能量密度定义为蓄电池 的能量密度( w h l ) 。其中比能量显得更为重要，它影响到电动车的整车质量及 续驶里程，是评价电动车的蓄电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。而体积 能量密度只影响到蓄电池的布置空间。蓄电池的功率密度是指单位质量的蓄电池 所具有的输出能量的速度，它可分为比功率( w k g ) 和功率密度( w l ) 。对电 动车而言，重点考虑比功率和比能量参数。前者是评价蓄电池能否满足电动汽车 加速和爬坡能力的重要指标。后者是评价蓄电池驱动汽车行驶里程的重要指标。 蓄电池的自放电率是指蓄电池在一段时间内的自放电容量与蓄电池总容量 的比。一般时间是以月为单位，如放电率2 0 月。它标志了蓄电池蓄电池在未 使用状态下的能量损失的快慢。自放电的多少和快慢与蓄电池的储存环境温度的 高度和本身电量的多少有关。 蓄电池的循环使用寿命通常定义为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。蓄电池的造价关系到电动车的整车成 本，是影响电动车市场化进程的重要因素。正是由于电动汽车的成本过高，使其 目前不能与传统的燃油汽车竞争。 美国先进蓄电池联合会提出电动汽车蓄电池主要性能指标如表2 - - 2 。 衷2 2 蓄电池中长期发展目标 指标 中期长期 质量比能量w l g k g 8 0 1 0 02 0 0 质量比功率w k g 1 5 0 2 0 0 4 0 0 使用寿命年 5 1 0 快速充电时间( m i n ) 4 0 ( 1 5 )6 0 ( 2 0 ) 自放电 1 5 ( 4 s h ) u b = u o + u 。 公式( 3 - 1 0 ) 基于该模型计算s o c 的方法是采用安时电流积分的方法估算，通过对影响电 池电量的温度、自放电、放电率及老化等各种参数进行修正，从而得到精确的电 池电量。这也是我们传统的s o c 计算方法。这种方法的1 ：足之处就是长期使用 存在累积误差。特别是投入使用的混合动力大巴，每天都要长时间运行。如果一 天累积偏差1 ( 根据统计特性原理，它在大样本条件下只会向一个方向偏差k 二十 天就会有2 0 的误差。如何能够及时纠正s o c 估测误差，关键就是要找到电池极 化电压规律，这样在动态状况下也可以准确判断出蓄电池的开路电压o c 、通过已 往的同型号电池的实验数据，找到合理的s o c 范围，并和电流积分法得出的原 s o c 做比较，进行加权校正。m h n i 电池和锂离子电池的开路电压与s o c 关 系的线性度不如铅酸电池好，但其对应关系还是可以做为估计s o c 值的一个可靠 根据。尤其在一定温度范围内电池放电，蓄电池电压低于一定标准，就按电池剩余 容量为零设定 3 5 水井模型探寻镍氢蓄电池极化电压 北方工业大学硕士学位毕业论文 任何系统的分析、设计、综合和控制及其对外来行为的预测，都是在己知系 统的数学模型的基础上进行的。因此，建立描述系统动态性能的数学模型，就成了 自动控制的基础理论和工程实践的重要组成部分。系统是由若干因素组成，按一 定规律组合而成的具有特定整体功能和综合行为的整体。系统可具有完全不同的 属性，如一个蓄电池系统、社会系统等。但是，在系统理论中，常常抽去具体系统 的表面特征而把它们抽象为一个一般意义下的数学系统而加以研究这种处理方 法有助于揭示系统的一般特性。 模型是对客观事物的主观描述，是对实体特征和它的变化规律的抽象：我们 为了发现对象的内在表现，通过观测和对对象事物的已知认识而建立起来的一个 模型来反映事物动态特征。 所谓系统的模型，就是把关于系统的本质部分信息缩成有用的描述形式。它 是用来描述系统的变化规律，是系统的一种客观写照。但是对于实际系统，到底那 些是本质，本质规律抓的准不准，这还要取决于我们对系统研究的深刻程度。所有 模型所反映的内容将因其使用的目的的不同而不同。所以，可以认为系统模型是 根据一定的目的、经过适当简化，对系统本质方面所做的一种近似描述。当然， 如果要求模型越精确，模型就会变得越复杂。相反，如果适当降低模型的精度要 求、只要考虑主要因素而忽略次要因素，模型就会简单许多。例如我们所做的蓄 电池模型，本质上来讲，电池的端电压与充放电电流、电池的s o c 、电池老化程度、 电池的温度等因素都有关联，如果都考虑进来，模型的数学表达会非常复杂。因此 我们为了抓准电池的开路电压，我们先只考虑前一时刻的电池端电压和电流充放 电状态来寻找当前时刻的电池的开路电压，再通过电池的开路电压寻找一个可靠 的对应电池s o c 范围达到保证s o c 估测的误差能在一个允许范围内。即模型的 形式和复杂程度应当与模型的目的和要求相适应。 通过长期的m i - i n i 蓄电池充放电实验，我们发现电池的极化现象与抽灌水 井的水位落差显示有很多类似的地方。当我们向水井灌水，水位会立即升高，甚至 溢出。而当停止灌水，水位会逐渐自动回落，但当前水位因该比灌水前要高。反之， 当我们迅速从水井里抽水时，水位迅速下降，甚至会出现无水可抽的情况( 很像蓄 电池的大电流充放电现象) 。但停止抽水一段时间，水又从地下渗出来，又可以继续 取水，直到井水被抽干为止。 北方工业犬学硕士学位毕业论文 图3 - 4 水井模型示意图 我们以图3 - 4 为例，进行建模说明。假设内部水井的底面面积是s ，它的水位 我们看作是电池负载电压。外围圆环部分的底面面积是s ：，它与水井水位的落差 我们可以看作是充放电时的极化电压。我们把充电电流做为注水流量i 。反向是放 水流量。定义i = i 。+ i ，。其中i o 是向水井注水流量。i ，是由水井向外桶渗透的流 量，它的矢量大小由水井和外桶之间的落差高度h 决定， i f = k ( h l h 2 ) 2 啦h i c ( t )