（检测技术与自动化装置专业论文）电动汽车电池管理系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排 放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，电动汽车已成为2 l 世纪汽车产 业的发展方向电动汽车的迅速发展，对电池能源的要求越来越高，因而电池 运行状态的管理变得越来越重要。本文深入地研究电动汽车的电池管理系统， 并提出合理的系统设计思想与实现方法。 首先介绍了电动汽车的发展历史和电池管理系统的技术现状，以及剩余电量 预测的几种模型，以删一n i 电池作为研究对象，在分析m h - n i 电池的工作原理、 电池的电压、电流和温度特性和传统预测方法的基础上，提出采用经验与积分 计算结合的电池剩余容量预测方法。 在对蓄电池快速充电原理和目前各种充电方法的研究基础上，提出了两阶 段充电模式，即在充电前期采用多段恒流充电和脉冲充电相结合的快速充电方 法，而在充电后期采用定电压补足充电法；对蓄电池快速充电的控制技术进行 了探讨，在设计中，采用了具有电池电压负增量控制、电池最高电压控制和电 池温度控制功能的综合控制法。 综合以上研究，本文介绍了所研制的一种分布式、功能模块化的车载电池 管理系统，它主要由主控模块、可控充电系统模块、电压采集子模块、温度采 集子模块，电流测量子模块及显示模块构成，通过l i n 总线实现相互通讯。并 根据该总体设计，具体分析讨论了各个模块电路具体设计及实现方法；系统采 用a t m e g a 8 l 作为微控制器，在i c c 环境下进行编程，完成主程序控制、4 8 5 模块通讯、电池状态监控及充电管理软件部分设计，并列出了部分模块的软件 功能实现的流程图。 本文所述的电池管理系统设计，硬件电路可靠，抗干扰能力强，软件设计 调试方便，已经在一款新加坡电动电动车中得到实际应用，其智能化充电的思 路值得以后继续深入研究和推广 关键词：电动汽车，电池管理系统，剩余容量，快速充电 武汉理r 大学顾i 学位论文 a b s t r a c t w i 也t h es o c i a ld e v e l o p m e n t ， i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n te n e r g y i s s u c sa n d a 1 、，i 】闻吡m a 吐a lp r o t e c t i o ni s s u e s p u r ee 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 s , l o w n o i s ea d v a n t a g e sa r cg e t t i n gg r o w i n ga t t e n t i o nb yt h ew 砒e l e c t r i cv e h i c l e sh a v et o b et h ec u r r e n to fa u t o m o h i l ei n d u s t r yg r e e nc a r a st h ef a s td e v e l o p m e n to ft h e e 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 yt e c h n o l o g yi 8h i g h e ra n dh i g h e r s o t h em a n a g e m e n to ft h eb a t t e r yw o r k i n gs t a t ei sa l s om o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e p 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 ym a n a g e m e n ts y s t e mo fe l e c t r i c a l v e h i c l e sa n dt h e1 0 9 i c a ld 髂i g nt h o u g h t sa n dn m l i z e dm e t h o d sh a v eb e e np u t f o r w a r d a tf i r s ti n t r o d u c e de l e c h j cv e h i c l ea n dt h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n to ft h e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mc e l lt e c h n o l o g y , a n dt h er e m a i n i n gm a r g i n so fs e v e r a l m o d e l s i nt h i sp a p e rm h - n ib a t t e r i e si sr e s e a r c h e d , b yc a r e f u la n a l y s i so fm h 二n i b a t t e r i e sw o r kp r i n c i p l e s , t h eb a t t e r yv o i r a g e , c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h e na1 0 面c a ls o cm c a s m i n gm e t h o dh a sb e e nr a i s e d , w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no f e x 蛔i e n c ea n di n t e g r a lc a l c u l a t i o n o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gq m c k 吒h a r # n gt h e o r ya n ds o m ec h a r g i n gm e t h o d , t h et w op h a s e s c h a r g i n gm o d eh a sb e e np u tf o r w a r d ；p r o b e di n t o t h e c o n 缸o l t e c h n i q u eo fq u i c k - c h a r g i n gf o rb a t t e r y , i nt h ea c t u a ld e s i g n , u s e dt h ec o l l i g a t i o n c o n t r o lm e t h o d , w h i c hm a d eu pb yv o l t a g en e g a t i v e - i n c r e m e n tc o n t r o l 、t o p m o s t v o l t a g ec o n t r o la n dt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h ed e s i g no f ad i s 拄i b i 胤m o d u l a r i z e de l c t r i cb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m c o m p r i s e db y c e n t e rc o n t r o l 、i n t e l l i g e n tc h a r g i n g 、a n dv o l t a g e 、t e m p e r a t u r e 、c u r r e n t m e a s m i n gm o d u l e sw a sd e s c r i b e d , i nw h i c ht h ed a t ac o r n m u n c a t o nb yl i nb u s c o n c r e t e l ya n a l y z e dt h ec i r c u i tp a r a m e t e ri nh a r d w a r od e s i g n , u s e dt h ea t m e g a 8 1a s t h em c u ，f i n i s h e dt h ep r o 粤m nd e s i g nb yt h ei c cs o f t w a r e , l i s to u tt h ee v e r y m o d u l e sf l o wc h a r ta st h ee n d t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi n t r o d u c e db yt h i sp a p e rh a sa l r e a d yg o ta c t u a l a p p l i c a t i o ni nae n g i n e e re l e c t r i cv e h i c l e t h e 删w a r ec i r c u i ti s r e l i a b l ea n d e c o n o m i c a l ，s o f t w a r ed e b u g g i n gi se x p e d i t e t h ea b i l i t yo fi n t e r f e r e n c r * j e c t i o ni s s t r o n g i ti sw o r t h yo f d o i n gs o m e m o r er e s e a r c ho nt h ei d e ao f i n t e l l i g e n t - c h a r g i n g k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m , s o c ，q u i c k c h a r g i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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作的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：囱! 硷日期：丝呸：l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印，缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研姓躲细l 翩躲奎丛隰判 武汉婵1 = 大学硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 电动汽车发展简介 电动汽车是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电 动汽车e v ( e l e c t r i cv e h i c l e ) ，混合动力电动汽车h e v ( h y b 耐v e h i c l e ) 和燃料电 池汽车f c e v ( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) - - 种类型。 法国和英国是电动车辆的发源地。1 8 8 1 年8 月，在巴黎举办的国际电器展 览会上，特鲁夫展出了一辆电动三轮车，成为历史上第一辆电动车辆。1 8 8 2 年， 英国人w e 阿顿和约翰培里也合作组装了一辆三轮电动车。法国人特鲁夫、 英国人阿顿和培里被称为电动车的先驱“1 从1 8 8 1 年第一辆电动车问世，电动汽车经历了早期的初步发展时代 ( 1 8 8 1 1 8 9 5 ) 、早期的黄金时代( 1 8 9 5 1 9 0 5 ) 进入了一个发展的新时代 ( 1 9 0 0 1 9 3 5k 这个时期的电动汽车经具备了现代汽车的雏形，马车特征已不复 存在，电动汽车的性能也得到了极大的提高，电机效率提高到8 0 0 , 4 9 0 0 4 1 9 0 0 年法国的一辆电动汽车以1 0 英里d , 时的平均速度连续行驶了1 6 4 英里。这一时 期，电动汽车在技术上获得了极大的发展，电动汽车的品种层出不穷在技术 发展的同时，世界各国还举办了各种电动车比赛，比如芝加哥拉力赛、纳拉干 西特汽车竞赛、科尼岛汽车赛等，极大地促进了电动汽车的发展。 在欧美，电动汽车最盛期是在1 9 世纪末。1 8 9 9 年法国人考门吉纳驾驶一 辆4 4 k w 双电动机为动力的后轮驱动电动汽车，创造了时速1 0 6 k m 的记录。1 9 0 0 年美国制造的汽车中，电动汽车为1 5 7 5 5 辆，蒸汽机汽车1 6 8 4 辆，而汽油机汽 车只有9 3 6 辆。进入2 0 世纪以后，由于内燃机技术的不断进步，1 9 0 8 年美国福 特汽车公司t 型车问世，以流水线生产方式大规模批量制造汽车使汽油机汽车 开始普及，致使在市场竞争中蒸汽机汽车与电动汽车由于存在着技术及经济性 能上的不足，使前者被无情的岁月淘汰，后者则呈萎缩状态。 到了1 9 3 5 年，电动汽车进入了沉睡时期。电动汽车衰落的主要原因是内燃 机汽车的应用。尽管当时电机驱动系统的效率比内燃机系统高4 倍，但由于内 燃机汽车在速度、续驶里程和价格方面的优势，使得内燃机汽车的有利因素达 到8 0 ，从而在汽车领域占据了主导地位。 武汉理1 = 大学硕士学位论文 经过2 0 年的沉寂之后，1 9 5 5 年电动汽车又迎来了新的春天。从那时起到现 在，世界各国由于受能源危机和生态环境恶化问题的困扰，又开始寻求清洁、 易得的新能源，电动汽车被重新认识并得到了公众的普遍关注。 1 2 当前国内外电动汽车发展概况 1 2 1 国外概况 近几十年来，三分汽车天下的美、日、欧洲国家的8 0 多家公司( 其中有美国 的福特、通用汽车、克莱斯勒公司，日本的丰田、日产、本田公司，法国的雷 诺、标致、雪铁龙公司，意大利的菲亚特公司以及瑞士的荷拉奇和埃苏拉公司 等) 不惜投入巨额资金，研究开发新一代电动汽车。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样车试用法令，以立法的形式、政府资助 和财政补贴等手段加速发展电动汽车。此后，美国国会和地方政府制定了一系 列强制性法规和政策，特别是1 9 9 0 年9 月美国加利福尼亚州大气资源局颁布了 对全球普及电动汽车有着不可忽视的影响的“加州立法”，规定在该立法正式生 效的1 9 9 8 年加州境内销售的零排放汽车要占汽车销售总额的2 2 0 0 0 年要达 到1 0 。到2 0 1 8 年时，美国电动汽车的总数将超过7 0 0 万辆，日本也计划到2 0 0 0 年电动汽车保有量为2 0 万辆，法国政府、汽车制造商和电力公司也签订了协议， 使全国电动汽车保有量达到1 0 万辆，法国已有l o 几个城市运行电动汽车且有 比较完善的充电站等服务设施。进入9 0 年代后，电动汽车进入了一个新的发展 时期，有望成为2 l 世纪的主要交通工具。 上世纪末，丰田公司在北京的国际电动车展上为我们描绘了一幅构想中的 新型交通模式，他们称之为“蜡笔( c r a y o n ) ”的项目。该项目的主角是丰田1 9 9 7 年在东京车展上推出的一辆精灵顽皮的电动汽车e c o m 。丰田把它定位于城市社 区内的短途交通工具。当时许多公司对电动车的开发积极踊跃，标致一雪铁龙 公司还推出了试验性的“郁金香( t u l i p ) ”电动车运行系统，但后来渐渐无声无息。 “蜡笔”是丰田公司正在试验的一种短距离、多人共用的电动汽车运行系统， 探索环保的可行性是这个系统的首要目的。既然是发展环保车辆，就要从多方 面节约能量，车身的轻巧是前提：也要提高车辆的使用效率，减少长时间停车 造成的浪费。构成“蜡笔”项目的主要技术有互联网、g p s 全球定位、汽车导 航、移动通信、智能卡等。e c o m 一次充电之后可以行驶1 0 0 公里左右，在市区 里使用是绰绰有余的。 2 武汉理工大学硕f j 学位论文 1 2 2 国内概况 改革开放以来，我国的汽车工业取得了很大的发展，但在全球市场所占比重 仍很小，尤其是大多数国产汽车的排放污染比较严重，现行的汽车排放标准的 限制水平远低于发达国家，如一氧化碳的限值是欧洲标准的8 倍，而碳氢和氮 氧化物更高达1 0 倍。国际上涌动的电动汽车热，为我国汽车工业实现技术跨越 发展提供了空前的机遇。因为电动汽车与传统的汽油汽车对比，它不单纯是发 动机的简单替换，其设计、加工、材料以及电气、控制系统都要相应地做出改 变，使整车参数合理匹配。这意味着以汽车工业为国民经济支柱的世界发达国 家的工业体系面临着重大的调整，选择发展电动汽车为我国汽车工业发展的新 的增长点，对于改变我国汽车工业的落伍状况、促进经济发展、增强国家实力 具有现实的战略意义，而不仅仅只是环境保护和节约能源的问题。 在有关部门和地方的积极努力下，国家电动汽车重大科技产业工程项目己于 1 9 9 6 年启动，项目研究进展顺利，总体概念车设计己基本完成，控制器和特种 专用电动机也达到当代国际先进水平，特别是主驱动电机重量轻、功率大、转 速快、质量好，各项指标符合i e c 国际标准。包括最有希望成为电动汽车动力 的燃料电池在内的几种电池的研究开发工作也正在分别进行。国家级“汕头一 南澳”电动汽车试验示范区已经开通，已有1 7 辆国内外电动汽车在区内试验运 行。国家科技部和环境保护总局向国务院上报了关于实施。空气净化工程”的 报告，强调要治理汽车尾气排放，开展。清洁汽车行动”，将进一步推动我国电 。动汽车的研究开发，攻克动力电池充电时间长且一次充电续驶里程短的技术难 关，使国产电动汽车早日实用化、商品化、产业化，迈向2 l 世纪的汽车之路。 目前，我国部分城市及地区( 武汉、北京、天津、上海、长春、广东等) 以及 三大汽车集团都在进行电动汽车的相关项目的开发及课题的研究，全国承担该 项目的企业约有7 0 多家。下面对其中几个主要城市及三大汽车集团的研发情况 作一介绍掰。 一汽集团情况： 一汽集团表示将利用自身的汽车生产优势，大力开发生产电动汽车等“绿色” 汽车，并准备在长春建设具有国际意义的。绿色”汽车研发和生产基地。即将 推出丰田的混合动力轿车。 上汽集团情祝： 3 武汉理1 = 大学碗i 学位论文 作为我国三大汽车集团主力之一的上海汽车集团也做出了以电动汽车为产 业化的开发目标。奇瑞汽车有限公司长期致力于纯电动轿车的研究开发工作， 并与上海交通大学等国内十多家单位共同承担了国家8 6 3 电动汽车重大专项 。q p 纯电动轿车”项目。该项目解决了一些电动汽车相关的共性技术闯题，取 得了一些具有自主知识产权的成果。2 0 0 3 年9 月初，项目通过国家科技部组织 的专家验收。样车一次充电后均可行驶2 0 0 公里以上，最高时速达1 6 0 公里。 目前，奇瑞公司正在制定小批量生产计划，并力争两年内建立起一支具有我国 自主知识产权的纯电动轿车示范运营车队。 天津情况： 天津市清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国 汽车技术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几 个单位共同承担的国家8 6 3 计划一电动汽车重大专项纯电动轿车项目，该项目 在全国首批开发了5 辆国际先进水平的纯电动轿车，并将在两年内实现产业化。 该项目以夏利2 0 0 0 为基础，应用和平海湾的镍氢电池和十八所锂离子动力电池 等比较成熟的技术，整合了技术和产业的双重优势，初步建立了电动汽车整车 仿真平台、电传动试验台及动力蓄电池成组测试试验台。据专家预测，在能源 和环境压力不断增大的情况下，零污染、低噪声、能源来源广泛的电动汽车的 市场份额将会不断增长。 黑龙江情况： 黑龙江中强集团聘请世界电动车协会主席、中国工程院院士陈清泉为 高级技术顾问，全面指导电动客车的研发工作。继世界第一台锂离子聚合电池 电动汽车在中强问世以后，该集团立即将研发目标指向城市公交电动客车与 小汽车相比，公交车线路固定、道路状况好及环保效益更高等优势，更有利于 电动客车开发利用。而在大容量动力电池处于国际领先地位的中强集团，要想 在电动客车领域占有一席之地，最缺少的还是电动汽车方面的科技力量。因此， 中强集团在与哈工大合作及聘请陈清泉院士作为电动客车研发工作的高级技术 顾问，以加速电动客车的研发工作。 广东省情祝： 广东省承担国家重大科技产业工程电动汽车项目中的改装车与试验示范区 两个分项，其工作进展情况如下： 1 9 9 6 年，完成了e v 6 4 6 0 n 电动轻型客货车和e v 6 6 0 0 电动轻型客车( 中巴) 4 武汉理工大学硕士学位论史 的研制任务，1 9 9 8 年国家科技部发给( e v 6 4 6 0 n ) 凼家科技成果完成者证书； 1 9 9 8 年，完成永磁直流电机及其控制系统的研究，并装车试验，试运行了 1 0 0 0 多公里，其效率可达9 0 e 以上。替代了进口的美国通用电气公司产品一直 流他激电机及其控制系统( 效率只有8 5 左右) ； 1 9 9 8 年，开展了永磁无刷电机及其控制系统及镍锡、镍氢、锂离子、锌 空气等电池的研究； 1 9 9 8 年，小批试制了电动轻型客货车5 辆、电动轻型客车2 辆，送试验示 范区试运行； 1 9 9 8 年，试制了混合型电动大客车一辆，已经完成空载和带负荷试验。目 前准备投入试运行( 客运) ； 1 9 9 9 年，完成了南澳试验基地的建设，投入运行试验。 另外，深圳雷天公司也利用自己生产的锂离子电池装备了轿车和中巴 二汽集团和武汉情况： 武汉市具有雄厚的汽车工业及相关的配套产业基础，二汽集团( 东风) 是全国 三大轿车基地之一，早在1 9 9 5 年，东风汽车公司在国家科委( 现科技部) 扶植下， 已开发了两台电动中巴，并正在开发电动先导车及与意大利合作开发电动轿车 概念车。二汽集团还专门成立了“东风电动车辆股份有限公司”。 武汉市大专院校、科研，生产单位，从事电动汽车及其构件的理论研究及科 学实验大都有l o 多年历史，有的己居全国前列。武汉市具有电动轿车整车设计 的经验；- 华中科技大学、中船总公司7 1 2 研究所，己各试制过一台电动轿车并 进行了初步试验；武汉大学电化学研究具有强大的优势，他们和长江电源厂等 单位的锂离子、镍氢、锌空气电池研究，均有可以试验应用的成果。铅酸电池 的改进提高，也是不少厂、校、所研究的重点武汉市发展电动汽车采用“三 步走”策略，逐步实现。商品化”。第一步，样车试验。先搞轿车样车，以出租 为主，再搞其他车种样车。第二步，搞小型车队进行小区示范运行试用。第三 步，建设( 合资建设) 5 0 0 1 0 0 0 左右的电动汽车装配线或中间试验车间，为大批量 生活及开拓国内外商品商场做准备，以后根据市场发展，再逐步过渡到商品化 产业生产。 除上述地区、集团之外，兰州、山东、株洲、苏州等地也有单位、公司积 极参与电动汽车的研发活动并取得的一定的成果。 5 武汉理工大学硕l ：学位论文 1 3 电池管理系统概述 1 3 1 电池管理系统的意义 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 , b m s ) 是用来对蓄电池组进行安全 监控及有效管理，提高蓄电池的使用效率，达到增加续驶里程，延长其使用寿 命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性，已经成为电动汽车的 不可少的核心部件。 综合电动车研究情况，我们发现各国都存在着同一个现象，即电池是整个电 动车研究中出问题最多的部件，严重的甚至威胁到整车安全，大大影响了电动 车的研究进程。主要原因有： 高性能蓄电池的成本非常高，目前很难产业化，目前常用的蓄电池可存 储的能量有限，导致电动车续驶里程短，还远达不到普通燃油汽车的水平，如 何合理利用这些有限能源也成了一个不小的问题。 蓄电池的使用寿命一般都较短，如果在使用当中不正确的操作，如对电 的过充电和过放电等，将会损伤电池从而进一步减短电池寿命，严重的会使电 池报废。 。 蓄电池组尤其是电动汽车用蓄电池组都是由几十个上百个单蓄电池串联 起来为电池汽车提供能量的，由于单电池之间存在个体差异，且在运行中可能 由于运行状态的不一样，导致单电池的性能不一致，即会出现有些电池变成落 后电池而有些电池状态还比较好的现象这种情况下，这些落后的单体电池或 模块电池的性能决定着整个蓄电池组的性能，即整个电池组的性能也下降，而 且由于落后电池与健康电池是串联使用，会使健康电池的性能受到影响，缩短 使用寿命，所以要及时准确的判断出蓄电池组中落后电池。 在汽车行驶中需要向司机提示汽车的可续驶里程，不至于半路抛锚，在 燃油汽车中通过油表来提示，在电动车上是通过提示剩余电量来完成的。另外 剩余电量还是电池状态的一个重要参数，是用来诊断电池的健康状态和判断电 池是否过充放电等的重要依据之一。但是由于蓄电池本身是个复杂的电化学反 应系统，且影响电量估测的因素很多，并且在使用中，蓄电池是封闭的，所以 对于电量准确估测的难度较大，是个国际性的问题。 所以，在目前情况下，大力发展电池的应用技术，尤其是发展电池管理系统 6 武汉一，r 大学碗f 学位论文 是目前电动汽车发展的主要方向 3 - 1 。 1 3 ，2 电池管理系统的开发现状 电池管理系统( b m s ) t 6 7 1 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 0 一8 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0 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。 在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、 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哺l ： 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 ( 3 ，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作为控制的指令信号， 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。 7 武汉理下大学硕l ：学位论文 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 4 本课题研究的主要内容 本系统的面向对象是一电动工程车的镍氢动力电池，为1 2 0 节串联供电， 每节蓄电池电压为标准的1 2 v 该蓄电池具有密封、安全、环保、要求充电质 量高的特点，若使用适当，可以工作5 1 0 年时间。而目前，许多电池在使用过 程中，由于采用了简单的充电设备和落后的充电方法进行充电，电池的质量下 降，使用寿命缩短。因此设计一种新型的电池管理系统是十分必要的。 根据课题要求，本论文所作的主要工作包括以下几个方面： 能有效、实时的显示电池的工作状态，预测电池的s o c ，以便于驾驶员更 换电池和掌握好行驶里程 在对蓄电池快速充电原理和目前各种充电方法的研究的基础上，提出了两 阶段充电模式，即在充电前期采用多段恒流充电和脉冲充电相结合的快速充电 方法，而在充电后期采用定电压补足充电法： 对蓄电池快速充电的控制技术进行了探讨，在设计中，采用了具有电池电 压负增量控制、电池最高电压控制和电池温度控制功能的综合控制法： 进行了系统的硬件设计研究，包括主回路和控制回路的设计：主回路采用 高频开关电源技术，由两相整流电路、d c d c 全桥变换电路和高频整流滤波电 路组成；控制回路以a t m e g a 8 芯片为核心，包括功率开关的驱动保护模块、信 息采集监测系统模块等； 在i c c a v r 编译器环境下，进行了系统的软件设计，包括主程序、实时时 钟中断服务程序、s o c 预测子程序和电压及温度检测子程序等程序的设计。 在电池管理系统中，目前研究最多的就是电池剩余电量s o c 的预测，虽然 现在存在很多的预测方法，但是其结果仍然不太理想，它始终是电池管理系统 中的一个难点。 武汉理t 人学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先介绍了电动汽车的发展历程和目前国内外的研究现状，指出发展 电动汽车技术的迫切性和重要性；接着分析了电池管理系统的开发现状：接着 列出在发展中的重点和难点，最后总结出电池管理系统的基本功能，并指出电 池管理系统中的技术难点。 9 武汉理工大学硕i 学位论文 第2 章镍氢动力电池及其剩余容量的研究分析 2 1m h - ni 动力电池的开发研究现状 2 1 1 国外动力电池研究现状 美国o v o n i c 公司开发了从2 0 a h 至1 5 0 a h 高能方形密封氢镍电池，电池能 量密度可达7 0 - 9 0 w h k g , 在助力车、摩托车、工具车和4 入座轿车上试用。另 外，美国o v o n i c 公司与通用公司合作开发的h e v - 2 0 ( 2 0 a h ) , h e v - 3 0 0 0 a h ) 。 h e v - 6 0 ( 6 0 a h ) ，均为方形密封高功率型电池【9 i 松下公司开发了h e v 击5 电池( 6 5 a h ) ，其功率密度高达5 0 0w k g 1 9 9 6 年松下与丰田合作推出e v - 9 5 ( 容量l o o a m 电池用于r a v 电动车，一次充电可行 驶2 1 5 k i n ，最高时速1 2 5 k i n ；松下、汤浅、东北电力，古河公司分别推出电动汽 车用9 5 , - 1 0 0 a h 方型氢镍电池；1 9 9 9 年日本研制的高能型镍氢动力电池驱动一 辆四轮5 座电动轿车，一次充电行驶距离达5 0 0 k i n ，平均时速l o o k m 。1 9 9 8 年 。京都新闻”报道日本蓄电池公司首次推出电动汽车用1 0 0 a h 氢镍圆柱型电池， 输出功率达2 0 0 w k g 。电池直径5 7 m m ，高2 3 0 r a m ，耐压能力是方型电池的5 倍。1 9 9 9 年3 月，三洋公司将d 型7 a h m h - n i 电池用于电动助力自行车，投放 市场5 0 0 0 辆。 德国v a r t a 公司开发的h e v o l 0 ( 1 0 a h ) 电池，其能量密度为5 0 7 0 w h k g ，功 率密度为5 0 0 w k g 。2 0 0 1 年德国经济部也与v a t r a 位于汉诺瓦的n e wb a t t e r y t e c h n o l o g y 车用电池分部合作，发展混合动力车用镍氢电池的量产计划。 法国s a f t 公司研制的m h - n i 动力电池取得了很大进展，容量为1 0 0 a h ， 电池能量密度在5 0 - - 7 0w h k g 之间。 由于环保的原因，白2 0 0 3 年起，欧洲将不允许使用镍镉电池，镍镉电池面 犒被禁止生产和使用，这给镍氢电池的市场渗透提供了一个良好的机会。因此 许多生产厂家都纷纷转型，在需要高能量、大功率电力以及低成本的应用领域， 镍氢电池仍然显示持续增长的趋势。 2 1 2 国内动力电池研究现状 北京有色金属研究总院早在二十世纪8 0 年代末就对电动车用m h - n i 动力电 池及其相关材料进行了大量研究。1 9 9 3 年用o 8 4 k w h ( 3 5 a h ，2 4 v ) 动力电池组 1 0 武汉理下人学硕士学位论文 成功带动电动三轮车；1 9 9 6 年又运用1 4 4 k w h0 2 0 a h , 1 2 0 v ) 电池组，在国内 首次成功驱动电动汽车。在国家“8 6 3 ”计划支持下，我国开展了系列密封m h n i 动力电池的开发工作，电池比能量均达到5 0 - 7 0w h k g 。我国开发的系列小型圆 柱型动力电池已装配电动助力车投放市场。 在我国，作为国家级技术创新项目，春兰等一批企业及科研院所都在积极 致力于这一课题的研究。动力镍氢电池是春兰历时八年完成的一项科技创新项 目，其延伸项目“混合动力客车用镍氢电池组及其管理模块”被国家列入8 6 3 计划。 2 0 0 3 年，随着1 0 0 a h 大容量动力型镍氢电池的研制成功，春兰一方面加大 向大型车辆提供动力电池的推广力度，一方面进行车用电池组管理模块的研究； 2 0 0 4 年，春兰研发出2 0 0 a h 5 0 0 a h 更大容量的动力镍氢电池，以及比较成熟的 电池组管理模块。中国一汽、东风等汽车生产商将该电池和管理模块应用到所 改造的客车上，经测试达到了世界先进的设计标准。目前，在武汉“电动车示 范运行线”上行驶的5 1 0 。路公交车，就是应用了春兰大容量动力镍氢电池和教 术集结度高的管理模块。据了解，该车运行近一年，各项指标完全符合设计要 求。 2 0 0 6 年1 月，湖南神舟科技股份有限公司镍氢动力电池通过验收。神舟 科技”通过验收的项目中，单体电池常规充放电循环寿命超过3 0 0 0 次，模块电 池( 1 2 v ) 循环寿命超过2 6 0 0 次，电池整体寿命在2 0 0 0 次以上( 国家标准为大于等 于5 0 0 次) 。工况模拟寿命超过1 2 万公里。在与电动汽车配套方面，。神舟科技” 推出的高倍率动力电池己进入市场，服务于武汉电动车示范运营线，为“长丰 汽车”在研的混合动力轻型越野车样车提供配套，为“株洲时代”、“湘潭电机” 提供镍氢动力电池配套，同时与奇瑞汽车公司合作开发混合动力汽车。 这些表明，在我国电动汽车动力电池开始向产业化迈进。 2 2m h - n i 电池的性能分析 2 2 1 电池的能参数 化学电池种类繁多，性能各异，表征电池性能的指标主要有：电池电动势、 电池内阻、开路电压和工作电压、电池的容量和能量、电池的功率、贮存性能、 电池循环寿命等指标。 武汉理工大学坝l 二学位论文 1 、电池电动势 电池的电动势，又称电池的标准电压或理论电压，为电池断路时正负极的 电位差，它可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算来得到，也可以从试 验数据中拟合得到。 2 、电池内阻 电池内部由化学材料和物理材料自动生成的阻抗，称为电池内阻。用符号 m q 表示。电池内阻是电池最重要的品质标志。影响电池内阻的因素很多，其中 最主要的是正负极片的纯度和电解液的成份电池内阻越小，电池的充放电性 能就越好，电池品质就越高。低品质电池常常采用二手材料，纯度不高，通常 内阻大，电池品质就差 3 、开路电压和工作电压( o p e nc i r c u i tv o l t a g eo c v ) 电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。电池的开路电压， 会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正，负极的材料完全一样， 那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，则开路电压都一样。 需要指出的是，电池的开路电压是实际测量得到的，而电动势是从热力学 函数得到的。开路电压一般低于电动势。 工作电压又称放电电压或负荷电压，指有电流通过时电池两极间的电位差。 工作电压总是低于开路电压，而且受其它因素的影响，如放电时间、放电电流、 环境温度、终止电压等。 4 、电池的容量 电池充满电后，空载状态下放电至截止电压时所释放的电能量，称为电池 容量。一般用符号m a h 或a h 表示它分为理论容量、实际容量和额定容量。 5 、电池能量和比能量 电池在一定条件下对外做功所能输出的电能为电池的能量，为了对不同的 电池的能量进行比较，引入比能量的概念，即单位质量或单位体积的电量所给 出的能量，称为质量比能量或体积比能量 6 、电池的功率和比功率 电池的功率是在一定的放电规则下，单位时间内电池输出的能量。比功率 是单位质量或单位体积为电池输出的功率 武汉理下人学硕t 学位论文 2 2 ，2 电池的充放电特性 m h - n i 电池具有比能量高，充放电寿命长，以及全封闭，免维护的特点。 被称为绿色电池。 l 、放电特性 常温下，8 0 a h 的镍氢电池以0 5 c ( 4 0 a ) 在0 5 c ，i c ，2 c 条件下放电容量非 常接近，2 c 条件下放电容量仍高于额定容量，在4 c 条件下，如以0 9 v 为终止 电压仍能放出额定电量；放至1 0 v 时，可放出额定容量的9 0 。如图2 - l 所示 图2 1 各放电率下恒流放电曲线 电池功率输出能力测试方法，是在电池以1 0 0 0 , 4 ，8 0 ，6 0 0 , 4 ，4 0 ，2 0 荷电状 态下，以1 2 5 c0 0 0 0 a ) 放电1 0 s ，每次脉冲放电后以0 2 c ( 1 6 a ) 放至下一个荷电 状态，放电曲线如图3 2 所示。图中两条输出线分别为o 5 s 和1 0 s 时，测得电压 而计算的输出功率值。由此可见，即使在2 0 0 荷电状态下电池仍能输出8 3 3 w 的 峰值功率。在1 0 0 的荷电状态下该电池峰值比功率可达5 1 0 w k g , 2 0 荷电状态 下该电池峰值比功率为4 5 0 w k g 。因此该电池具有高输出特性。 武汉理工大学硕i ：学位论文 曩口c 一 图2 - 2 不同荷电状态下8 0 a h 实验m h - n i 蓄电池功率输出能力 2 、充电特性 电动车上实际的充电方式有三种：第一种是通过充电机充电：第二种是混合 动力车中发动机发出的多余功率对电池充电；第三种是制动能量回收充电。制 动能量回收充电时充电电流变化很大，且持续时间较短，在充电的整体能量中 并不占主要地位；而前两种充电方式始终伴随电动车的使用过程，占电池充入 能量的绝大部分，且其充电机制易于控制。 文献 1 h 研究了m h - n i 电池在前两种方式下的充电特性。 试验中为保证电池安全使用，缩短充电时阋，采用两阶段充电法，首先采 用恒流限压充电的方法，控制最高电压为1 4 3 5 v ，恒流充电结束后静置o 5 h ， 然后采用恒压浮充的方法直到充满。采用这种充电方法的好处是：可以在第一 阶段采用较大电流以节省充电时间：静置利于电池内部恢复，而后期采用恒压 充电可以在结束前达到小电流充电，既保证充满，又可以避免电池高温而损坏 电池。 试验采用9 a , 1 5 八2 0 a , 2 5 氏3 0 a , 3 5 气4 0 a , 4 5 a 恒流充电，图2 3 分别为9 a ,2 0 a , 3 0 a 和4 5 a 充电时端电压u 。随时间变化的曲线。 l t h 4 量： 图2 3 恒流充电时端电压，。变化曲线 1 4 武汉理工人学硕j ：学位论文 在恒流充电期问，出现了个电压平台，且随电流的增大，电压平台逐渐 升高。电池的电量主要是在这个期间内得到恢复，所以，这个平台期的长短及 位置关系到电池电量的恢复图2 - 4 给出了充电电流和充入电量与能量的关系。 可以看到，充入电量及能量和充电电流基本成线性关系。 冀 q 一 磊 镰。l i r 一 拍4)0 l ， 撙 埘 _ 差锄 i 脚 一、弋 、 -抽- 班 图2 - 4 入电量、能量和充电电流的关系 在结束了第一阶段恒流充电后，静置半小时，进行恒压浮充。 3 、温度特性 图2 5 测试了m h - n i 电池在常用的几种充电电流( 9 a ，1 5 a ，3 0 a ) 条件下 的温度特性。为保证测量的连续性，在温度试验中采用恒流充电，图中为电池 外壁温度随时问变化的关系图。可以看到，在电池接近充满时，电池外壁温度 曲线的曲率有明显变化，但当充电电流为3 0 a 时，曲率转折点已接近许可使用 温度的上限4 5 。c 。因此，如果为缩短充电时间而使用大电流时，需要考虑新的 结束标志 姐 - o 备嚣 奠 图2 - 5 充电过程中电池外壁的温度变化 武汉理工大学硕j ：学位论文 2 3 镍氢电池剩余容量以及s o c 的研究 2 3 1 镍氢电池剩余容量以及s o c 的定义 在使用过程中电池容量受许多不确定因素的影响，因而如何根据可测的电 池参数对现存电池容量状态n 2 1 作出准确的估算是一个难题。目前，国内外较为 普遍采用电池的荷电状态s o c ( s t a t e o f c h a r g e ) 0 3 t 4 1 作为电池容量状态描述参数， 反映电池的剩余容量，其数值定义为电池的剩余容量占电池容量的比值：