（电力电子与电力传动专业论文）单体电动车蓄电池管理系统.pdf

硕l 学位论文单体电动车蓄电池管理系统 ac e l lm a n a g e m e n ts y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e s a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l e sh a v em a n y a d v a n t a g e ，s u c ha sl a b o rs a v ea n de a s y t ou s e s oi t s v e r yp o p u l a r b u tt h eu s e r sc o m p l a i nt h eb a t t e r i e sr u n o u ts o o n ，a n du n w i l l i n gt ob u yn e w o n e i t si m p o r t a n tt of i n do u tt h e r e a lf a c t o rt h a ts h o r t e nt h el i f tt i m e t r a d i t i o n a l m a n a g e m e n t o ft h eb a t t e r i e si sb a s e d o nt h e a s s u m p t i o nt h a ta l lc e l l si nab a t t e r ya r ei d e n t i c a l 。t h i sh o w e v e r ， i sn o tac o r r e c ta s s u m p t i o n 。a b a t t e r yw i l ln e v e rb es t r o n g e rt h a nt h e w e a k e s tc e l l 。i fo n ec e l lf a i l s ，t h ew h o l eb a t t e r yf a i l s 。w i t hu s et h e n o r m a lb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nc e l l s e n l a r g e i t sr e c o m m e n dt h a tac e l lm a n a g e m e n ts y s t e mw h i c he m b e d d e d a p o w e r f u lm i c r o c h i pt om a n a g et h ec h a r g ea n dd i s c h a r g eo fc e l l w i l l s o l v et h i sp r o b l e mw e l l i tp r o v e dt h a tt h ec e l lm a n a g e m e n t s y s t e mc a n p r o l o n gt h eb a t t e r yl i f et i m ea n ds a v et h em o n e y i ta l s op o i n t e do u tt h e c o n t r o l l e ro fe l e c t r i cv e h i c l e sh a v em u c h l i m i t a t i o n ，a n dd e s i g nan e w s t r a t e g yt oa v o i dt h i sp r o b l e m k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，c e l lm a n a g e m e n ts y s t e m 第2 页共6 2 页 2 0 0 4 年3 月 单体电动车蓄电池管理系统 致谢 首先要感谢导师吕征宇教授因为有他的指导和无私的帮助才让我度过 这不平静的学习生涯。他渊博的学识及谦虚的品格，还有正直做人和踏实做 科研的态度，都深深地印在我的脑海里，使我在教学和科研中也潜移默化， 并且使我终身受益。 在研究学习中得到了师兄和师弟们的大力帮助和支持，我为自己能加入 这样一个朝气蓬勃的研究集体而感到自豪同时为自己不能和他们继续学习 而感到深深惋惜。 衷心感谢所有关心、帮助过我的老师、同学和朋友们。 此外我感谢我的妻孑，她给我很多支持和鼓励：同时也感谢与我共同成 长的女儿，她让我感到生命的奇妙和美丽。 第3 页共6 2 页 叶尊忠 2 0 0 4 年3 月 2 0 0 4 年3 月 堡：! 兰些丝壅里堡皇垫兰董里鲨篁堡墨笙 一 论文插图索引 图号名称 图2 一l 图2 - 2 图2 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图3 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 一1 4 图3 1 5 图3 一1 6 页码 电动自行车控制器的程序流程图( 2 1 ) 改进电动自行车控制器的程序流程图( 2 4 ) 电动车充电系统示意图( 2 5 ) 三段式充电器的电压和电流醢线( 2 6 ) 蓄电池串联充电单体电池电压曲线( 2 7 ) 蓄电池组放电单体电压曲线( 2 6 ) 蓄电池管理系统的结构示意图( 3 2 ) 单体电压检测电路原理( 3 3 ) 电压和电流采样电路( 3 4 ) d s l 8 8 2 0 的内部结构图( 3 7 ) i ) s 1 8 8 2 0 两种工作方式的接线比较( 3 8 ) d s l 8 8 2 0 的重要流程图( 3 9 ) 温度传感器外形及安装示意图( 4 0 ) 3 6 v 充电器的电路框图( 4 1 ) 采用p w m 芯片的单体充电管理电路示意图( 4 2 ) 采用单片机的嵌入式充电管理示意图( 4 3 ) e m 7 8 p 4 5 8 的引脚排列( 4 4 ) e m 7 8 p 4 5 8 引脚说明( 4 5 ) e m 7 8 p 4 5 8 功能框图( 4 5 ) s n 7 5 1 7 6 的引脚图( 4 6 ) a t 2 4 c 0 8 的引脚排列图( 4 7 ) 嵌入式单体蓄电池管理系统电路( 5 1 ) 第6 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 堡：! 兰些堡壅璺堡皇垫兰董皇鲨堕垄叠堡 论文表格索引 名称页码 7 q 纯电阻负载第二次放电记录表 ( 2 2 ) 7 q 纯电阻负载第三次放电记录表 ( 2 2 ) 长时阎涓流充电的电压记录表表( 2 8 ) 5 q 纯电阻负载放电记录表( 2 8 ) s n 7 5l7 6 的真值表( 4 6 j 两种充电管理系统性能价格比较( 4 8 ) 电机空载蓄电池第一次放电试验记录表( 5 0 ) 负载为7 q 纯电阻第二次放电试验记录表( 5 1 ) 第一次普通充电器充电试验记录表( 5 3 ) 负载为7q 纯电阻第三次放电试验记录表( 5 4 ) 负载为7q 纯电阻第四次放电试验记录表( 5 5 ) 负载为5q 放电试验记录表( 5 6 ) 第7 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 口了| | 1 屯 弋 叫 。 之 1 屯 弋 1 巧 咱 备 2 2 2 2 3 3 4 4 4 4 4 4 却 表表表表表表表表表表表表 型主兰垡垒苎兰签皇垫至董皇塑堡堡墨垫一 第一章绪论 1 、1 研究目的和意义 在中国发展电动自行车有非常重要的意义。中国是一个名副其实的自行 车大国。虽然中国人均自行车占有量高居世界首位但是，每年仍维持着3 2 0 0 万辆的产量而市场需求也达到了2 9 0 0 万辆。中国自行车协会与全国各主要 产区地方协会在2 0 0 0 年联合调查统计全国3 2 4 家自行车生产企业的产量为 5 2 2 2 1 2 万辆。”1 。如此巨大的市场对任何一种自行车相关联的产品都是极具吸 引力的。 随着社会的发展，人民生活水平的提高，民众对交通工具的需求也在提 高。目前很多大中城市对摩托车上路实施严格控制为弥补公共交通能力 上的不足种单缸二冲程燃油型助力车大量面市。它的出现的确给城市居 民的生活和工作带来了方便但这种燃油型助力车也给城市的空气带来严重 的污染。 中国国民经济的快速发展促进了人们物质生活水平的提高与此同时人 们对生活质量越来越重视。从环保角度来看燃油车排放出大量的c 0 。、c o 等 微尘，严重地污染了城市的大气环境，在世界污染最严重的1 0 个城市中，中 国占了7 个，因此如何解决城市的环境污染和交通问题已经成为城市发展中 急需解决的重要难题：同肘大气层中c 啦浓度的提高。艟得地球气候变暖，造 成了对生态环境的破坏：另外，地球的石油资源也是有限的再过4 0 年石 油资源也将枯竭“。能源危机的出现，大气污染的臼益加剧以及人类环保意 识的不断加强将燃油车辆带人了一个进退维谷的境界，限制了进一步的发展， 因此开发清洁轻便的交通工具达到限制和取代燃油车辆己成为人们十分关注 的问题，而开发电动车辆则是解决这个问题的有效方法。 中国8 0 年代曾度兴起的电动车开发与研究。大有一统天下之势。当时 电动车存在的问题很多：电机效率低、电池寿命短、电池比能量不高，很快 地使冷落下来。其后。每当有新技术出现时便会立即在电动车上使用( 包括 电动汽车领域) 。电动车的发展经历了三起三落，但是人们始终没有放弃对它 的研究。随着科学技术的发展9 0 年代中后期电机制作技术有了突破性进 第8 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 倾士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 展，传动和控制系统更加轻便可靠蓄电池技术也取得了长足的进步，所有 这些为电动自行车的第三次腾飞打下了坚实的基础。由于电动自行车具有无 废气污染、无嗓音轻便美观等特点，特别适合在人口较集中的大中城市中 使用故受到欧美、日本等国家青睐。中国现有五亿辆自行车，由此不难看 出电动自行车有着光明的市场前景。 电动自行车主要由电池、电机、充电器和控制器和车架五大关键部件构 成要保证整车质量，必须从系统的角度加以研究提高整车的系统效率。 由于电力电子技术、电子器件技术等发展步伐加快，电动车控制系统设 计的不断完善故障率低。此外，由于机械加工技术及工艺水平的不断提高 和发展，电动车的机械部件也不断优化和提高，故障率低。 现阶段的重点应该是如何科学地管理蓄电池。也就是能否取得商业成功 的关键1 。 蓄电池及其应用水平始终是制约包括电动自行车在内的电动车辆进步的 瓶颈。世界各主要工业国家纷纷投入巨大的人力、物力、财力开发高能量、 低价格的蓄电池。目前主要应用的电池有几种类型：铅酸电池、镉镍电池、 氢镍电池、锂二次电池。 按比能量密度排列由大到小的顺序是：锂二次电池 氢镍电池 镉镍电 池 铅酸电池。按价格排列由高到低的顺序是：锂二次电池 氢镍电池 镉 镍电池 铅酸电池。 又寸锂二次电池而言，从电池的比能量来看锂二次电池应该是用在电动 自行车上最理想的电池了。很小的体积，重量轻能量密度大，但它的价格过 于昂贵，导致无法被用户接受而失去真正的商业价值，再加上大容量锂电池 的生产技术也不成熟，目前在电动自行车上仅少量车型有应用。 镉镍电池它具有很多优点比如：寿命长、耐过充过放、可靠性高、维 护简便、适用温度范围宽。这也是它在很多领域得到极为广泛应用的主要原 因。但无论从其充电记忆特性还是环境保护的角度镉镍电池均不适合作为 电动车的应用目前基本上没有实际应用。 氢镍电池氢镍电池与镉镍电池最主要的差别在于氢镍电池采用了新型 负极材料一贮氢合金粉取代了对环境污染严重的镉材料，故称其为“绿色 电池”，这一点刘以后报废电池的处理是有积极意义的。贮氢合金电板具有 第9 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 硕士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 较高的比能量，使得氢镍电池的比能量大于镉镍电池同时它又具备了锡镍 电池的许多优点。是电动自行车较理想的配套产品。但是，由于一些技术未 成熟限制了氢镍电池的应用。 铅酸电池是应用最为广泛的蓄电池也是最早在电动自行车上试用的电 池。最初选用的是普通铅酸电池。这种电池使用维护夏杂，污染严重，寿命 短。这也是电动车第一次发展遭到失败的主要原因之一。近几年改进后的免 维护铅酸电池( 密刘阀控式 8 酸蓄电池) 应用广泛。其比能量、比功率、快 速充电性能等指标均较传统的铅酸蓄电池有大幅度提高。 阀控式密封蓄电池以其体积小、电压稳定、无污染、重量轻、放电性能 高、维护量小等特点，而成为电动车的首选电池。 此外各国积极开发其他高能量、长寿命的蓄电池，目前还没有真正进入 市场、进入商业领域，但是不久的将来肯定会有大显身手的一天。 由于蓄电池是电动自行车的动力源，如果蓄电池失效那么电动车就不 能称为“电”动车。那么与自行车无异，而且还比自行车重、费力。所以蓄 电池的合理使用非常关键。但是由于诸多原因造成蓄电池使用寿命锐减。 电动自行车进入了消费领域。电池作为电动车的主动力源，每天被消费 者使用。在不同的地区、不同的城市、不同的电动车配置、不同的使用者、 不同的使用习惯，对电池寿命的影响会产生很大区另乳电池往往成为故障问 题的体现者。即电池本身质量问题，会使电池使用寿命缩短：充电器有问题 也会使电池寿命缩短；控制器不佳。也导致电池寿命缩短：消费者每天的行 驶里程、负载、路况，充电习惯，也会成为电池寿命缩短的原因。 电动车市场处于需求上升期随着电动车的不断推向市场的同时也带 来了很多的纠纷和矛盾。所以有必要研究电动车蓄电池的有效管理技术，充 分延长蓄电池的使用寿命具有很高的经济效益和市场价值。 蓄电池的使用寿命由多方面的因素所决定。其中最重要的是蓄宅池本身 的质量问题。由于现在蓄电池制造技术的不断完善，蓄电池质量有定的保 障。 但是在实际应用中出现的蓄电池使用寿命缩短达不到理论预期寿命的 现象比比旨是。本来设计为l 2 年的电池大都在半年左右呈现特性严重衰 退甚至损坏，达不到常规设计寿命从而造成了极大的经济损失。有证据表 第1 0 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 硕土学位论文单体电动车蓄电池管理系统 明除去电池本身质量因素外由于充放电控制不合理而造成电池提前报废的 案例占了较大的比例。 如何在现有蓄电池水平没有质的提高的情况下，合理可靠地对电池进行 管理和维护能够保证电池有较长的使用寿命以维护投资者的利益。因此 电池管理是其重要的功能之：电池管理的可靠性和完善性也成了各个电动 车厂家之间竞争的重点之一，也是研究方向。 如今对电动车蓄电池管理系统的研究比较多，但对电动车的蓄电池管理 还处于蓄电池组层面管理的研究比较多。单单对蓄电池组进行管理，忽视替 电池各单体电池之间的差异性，可麓造成单体电池之间差异性不断扩大，造 成蓄电池组的整体使用寿命的缩减。本论文研究重点是对蓄电池单体进行行 之有效的管理，以延长蓄电池的使用寿命，以明显改善电动车的性能。 第1 1 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 硕：卜学位论文单体电动车蓄电池管理系统 1 、2 国内外研究概论 由于蓄电池是电动车发展的瓶颈电池的使用寿命取决于对对电池的管 理技术。电池的剩余电量的指示电池如何在变化的气候条件下工作，如何 叉寸电池快速充电。如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿命。电动车还 有能量回收的问题。这些同题都涉及到电池的能量管理和整车的能量管理。 为了适应电动车技术的发展不断有性能更高价格更便宜的电池研制出来。 如何有效地使用这些电池? 这就是电池管理的问题。与电机、电机控制技术、 电池技术相比电池管理还不是很成熟。如何实现无损电池的充电，监控电 池的放电状态避免过放电现象同时对电池进行实时的或定期自动检测、 诊断和维护最大限度地保证电池的可靠运行国内外都在进行研发。 电池管理系统它是用于保护电池以及延长其寿命，达到最佳充电效果。 电池管理系统包含了软件和硬件，包括电池特性判定、充电模式的自动选择、 自动告警以及特殊电池的充电等多项技术。 电动车电池管理系统是电动车中一个越来越重要的关键部分我国在这 方面的研究还刚刚起步，即使美国等汽车工业发达国家的研制工作也不完善。 电池自身的性能参数影响电池的寿命，但电池本身的问题不在电池管理的范 围之内。电池外部因素也影响电池的寿命，如电池的充电参数：包括充电方 式，充电电流、充电结束电压；电池的放电参数：包括电池的放电电流、放 电深度、脉冲电流等；电池的温度：对电池维护的方式和频率。从电动车的 使用过程中发现单个电池的寿命远比电池组长。研究表明这是因为电池处 在不均衡的状态中。充放电过程也不均衡，而不断重复的充放电过程更加剧 了不均衡现象充电少的电池的寿命缩短，引起所在的电池组的寿命缩短， 从而使整个电池系统的寿命缩短“。为了解决这个问题必须实现均衡充放电， 且应创造保证均衡的温度的条件。借助电池管理系统还可以优化电池的外 部参数，大大增加电池的寿命。要实现这些功糍就应建立一个电池监测和控 制系统其功用是通过监测和控制单个电池的性能最大化电池的充放电效 果。它是一个适时监测系统预测电池每个循环可提供的电量及回收制动的 能量所产生的电量，并控制放电深度和充电时和制动回收能量时的过充电。 这个监测系统应和互相作用的充电系统、能量回收系统、电机驱动控制系统 相联系，以便有效地利用和管理能量。 第1 2 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 单体电动车蓄电池管理系统 蓄电池管理系统包含着检测和控制两个主要部分。检测内容有很多，具 体包括：蓄电池( 缉) 的充、放电电压、电流、容量内阻等控制内容主要 有：控制蓄电池( 组) 的充、放电电压、电流、使用寿命等。 国内蓄电池监测系统现状随着科学技术的发展，特别是单片机和计算 机在智能化控制方面的应用关于蓄电池的自动化监测问题也提到日程上来。 近几年以来很多人开始研究蓄电池的自动化监测。蓄电池监测系统中主 要内容是对单电池电压的监测。其中，关于温度和电流的测量都属常规测量 而且在这些方面的测量技术都已成熟。在电压的测量方法上对单个电压量 的测量方法非常简单。其中。最关键的是如 可测量电池组中串联在起的单 电池电压。在解决如何测量单电池电压问题上，人们进行了大量的研究工作。 一种方法是用继电器来切换电池组中的每只电池。用触点式继电器切换 的缺点是：体积大，成本高、寿命短、速良慢，且其电压值计算比较麻烦； 另外一种方法是：在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通在 模拟信号的转换上采用可编程定时器的v f 转换器。其中。在解决输入信号 电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点，且采用v f 转换作为 a d 转换器。其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。 关于在线测量单只电池电压的方法有学者提出用光电隔离器件和电解 电容器构成采样保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。此电路的缺点 是电路比较复杂。 国外研究状况美国b m s ( b a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e m ) 蓄电池盎测系统 技术发展于电力应用工业“”。1 9 8 9 年，美国电力研究所与国家电能研究公司 合作共同研究了无人值守铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4 年的 研究与开发。耗资2 0 0 万美元，于1 9 9 4 年完成样机的现场试验。测定的参数 包括：电池组电压，单体电压、( 浮充电) 维持电流、电池内部温度、电池组 环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。其方法是采 用安装在每只电池上的多传感器电池监测模块。这种模块通过光缆将状态 数据传输到蓄电池绾监测器每一电池组监测器可监测2 5 6 个单电池。远程 控制中心通过m o d e n 和公用电话线对电池组监测器进行监测，可监测的电池 组监浏器的数量不受限制。垃制中心p c 机能定期查询所有运行组的监测器， 下载并处理储存的数据存储和显示电池状态及其趋势的信息，能获得每 第1 3 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 硕士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 节电池的参数。其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立 监浏。单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有稳压的a d 转换器。宅 池组电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻器和带有稳压参考的a d 转换器( 由电池组供电) 。电池组电流的测量用霍尔效应磁场传感器来测量。 电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器 来测量，并已同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。电池组温度的测 量是用同样的装置来测量。由于蓄电池的监测有多种监测目的。因此，监测 的重点也有差异，在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。 在圣巴巴拉某区的电车上”“使用了v 融a 蓄电池作为电源。同时在蓄电 池上安装有b m s 蓄电池监测系统，以评价蓄电池的运行状况。b m s 能够向操作 人员提供有关剩余电量的信息及电池性能接近极限状态时的报警状态。同样 重要的是为对电池状态进行分析和维护，将数据进行记录。这里使用的电 池单电压是1 2 v 。b m s 的数据采集系统包括1 6 路单电压通道、测量个显示 电池温度及环境温度的4 路温度通道、电池组电压和电流通道。a d 采样速率 是每秒4 0 个采样点精度好于0 1 9 6 。电源供电部分使用了d c d c 变换器。b m s 通过获得电池的数握来分析电池和车辆的运行状况。 在韩国”有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测系统。蓄电池组的 监测内容有单电池电压、电池组电压、通过电池组的电流及电解液的比重 等。每一个被选择的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。这个系 统中有一个2 0 个通道的扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。电 解液的比重是通过数字比重计测量。研究的监测系统不仅要监测以上这些内 容而且采用了一种“电流中断技术”以测量电池组充电时电池的内部电 阻。根据单电压和电流的关系，通过连续测量内部电阻以监测电池的老化趋 势。 国外有人“3 1 研冤v m s ( v r l ab a t t e l yn a n a g e m e n t s y s t e m ) 阀控密封铅酸蓄 电池管理系统。这个管理系统不是简单的监测蓄电池而是设计成具有管理 和控制蓄电池的功能。此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。因 为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。系统监测的内 容包括：单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总 电压。v m s 中包含了b m s 。它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管 第1 4 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 顿士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 理和控制。这样更有利于对蓄电池的维护延长蓄电池使用寿命。 对管理系统数据采集通讯接口的研究采用r s 一2 3 2 接口及r s 一4 8 5 总线 或用c a n 总线等形式。现在国外研制成功的系统管理总线( s m b u s ) 标淮在缓和 这种混乱状态时是一个关键要素。此标准规定如何通过i2 c 数据总线在电池充 电系统的不同单元之间进行通信它是先进配置与电源接口规范( a c p i ) 所 引用的文件之一。在i n t e l 、t o s h i b a 和m i c r o s o f t 等公司的共同努力下a c p i 对计算机主控制器及其电源电路之间的接口实施标准化。 如果测量的数据点数比较多对测量系统来说需要很多的数据传输线 这对管理系统是一个不小的负担。现在d a l l a s 公司开发了单总线的测量芯片。 它可以在一根数据线上并联许多令测量芯片。它具有单总线系统配置、独立 序歹u 号等特性。将该芯片用于电池能量监测与管理系统将大大简化测量电 路，且便于系统的测量与通讯。其中d s 2 4 3 8 作为电池在线监测管理系统的测 量的代表芯片。 蓄电池管理系统中还包括对电池的充电管理。充电理论发展很快。最早 伴随着蓄电池的产生和实际应用电池的充电技术也应运而生了。1 9 世纪9 0 年代，以铅酸蓄电池为动力能源的电动车首次投入运营，当时配备的车载充 电器是采用恒流输出的方式，这种恒流充电方式成为传统充电方式之一即 充电时全程采用恒定不变的电流充电，该方式一般适用于小电流长时间的充 电。另外一种传统的充电方式是恒压充电。即采用较低电压的恒定电压充电”1 。 还有这两种充电方式的变形，如两段恒流、恒压限流方式。因为这些方式没 有准确的控制，模式单一所以采用这样的方式进行充电，结果会充电时间 长、充电效率低、能耗高。但是由于其实现简单、控制量j j 、，在有些场合仍 然被采用。 m a s c c 博士发现了析气反应在电池充电过程中的重要性，并提出了以最小 析气反应率为前提的蓄电池可接受充电电流曲线。1 。在充电的初期电池可以接 受大电流的充电但随着充电的进行，电池可以接受的充电电流逐渐减小， 并且充电时间越长。可接受的充电电流越小。m a s c c 定律的提出为现代快速充 电技术的发展奠定了基础。 第1 5 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 单体电动车蓄电池管理系统 国内外很多学者和技术人员都针叉寸缩短充电时间、提高充电效率和改进 充电效果进行了大量工作。日本的t o m o h i k oi k e y a 等”研究了多阶段恒流充 电对电动车用动力型阀控式铅酸蓄电池充电时间和充电效果的影响。认为采 用多阶段恒流充电能够有效地缩短充电时间，延长电池工作寿命。国内陈体 衔等“3 也提出了变电流间歇快速充电方法，结果认为用多阶段变电流间歇快 速充电方法可有效缩短充电时间，提高充电电量。郭亮“”经过实验研究也认 为，用大起始电流多阶段恒流充电的模式能够有效地减少充电时间、提高充 电电量。另外也有研究发现”3 1 部分的大电流充电不仅不会减少电池使用 寿命。反而还会延长，提高电池循环过程中的工作性能。 在蓄电池的充电过程中不可避免的会发生由欧姆极化、浓差极化和电 化学极化构成的极化现象导致充电电压升高充电效率降低。为了减小充电 过程产生的极化量，有效增大充电电量、提高充电效率研究者对充电波形 的变化进行了相应的工作。目前去极化的方式主要有两种自然去极化 即采用中途停止充电、间歇的方式：强制去极化，目采甩放电脉冲的方式 两种方式都能够实现减小极化量的目的。l tl a m 等埽开究了在充电过程中脉 冲电流对电池电化学性能和工作寿命的影响，他们认为与恒流充电比较脉冲 充电不 又可以有效减少充电时间而且可以延长电池的工作寿命。s u n gc h u l r i m 等”“研究了间歇和放电去极化对充电过程的影响。并且还建立数学模型对 充电过程中正负极板、电解质本体和隔膜的电阻变化、物料平衡、孔率变化 等量进行模拟。结果认为间歇和放电脉冲的方式都能罄起到削减极化、减 缓充电电压升高的目的而且利用放电脉冲能够在更短的时间内实现减小内 阻、提高电池充电接受能力。另外，国内外很多的研究者”“1 也认为利用脉 冲电流和去极化脉冲的方式可以改善电池的充电效果。但是，对于放电负脉 冲对充电效果的影0 向，陈体衔等”。提出了不同的见解。他们认为放电不会提高 电池的充电效率，而且还会对电池有害。 第1 6 页共6 2 页 2 0 0 4 年3 月 硕士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 1 、3 研究内容 对管理系统的研究本单位已经做了大量富有成效的研究在蓄电池充电 管理及容量预测管理方面取得很大成就。”。“。这些研究能够解决管理系统中 很多的共性问题并且为本课题的深入研究提供了理论依据。 在研究中多次发现，一些蓄电池管理系统中同一批次的蓄电池在串联供电 时在控制器停止系统工作前有的电池已经深度放电电压值己低于临界 值。从这个出发点推测目前电动车管理系统还存在一定的设计问题。这就 是说。不管管理系统有多少先进。如果不考虑电池单体之间的差异，那么管 理系统的管理可靠度不高，由此会带来很多的相关问题。 所以，在了解蓄电池先进管理系统技术的同时，针对市场上流通的电动车 及蓄电池充电系统进行研究分析主要目前导致蓄窀池寿命远小于的设计寿 命的现象”4 。进行实验研究提出对管理系统的解决方案和改进措施。 主要研究内容有以下几点： 对蓄电池由于本身特有的不一致性而导致蓄电池在相同使用条件下而 使这个差异性扩大的实验研究。尽管使用出厂时己组配好蓄电池组。 但是差异性依然存在。这个差异性在电动车管理系统中相同的使用条 件下会出现怎样的变化，这在现有蓄电池质量没有本质提高的状况下 具有很高的研究价值和经济效益和社会效益。 对现有电动车控制器及蓄电池管理系统又寸蓄电池的影响进行研究并提 出改进和完善。市场上各种产品在蓄电池管理系统中的角色和地位不 同其对蓄电池寿命影响如何。针对在市场流通有代表性的电动车管 理系统及蓄电池充电系统对蓄电池作用后造成的效果进行研究。提出 又寸现有电动车控制系统和蓄电池充电管理系统的改进，并且研究在现 有管理理论的基础上如伺对电池组中的单体电池进行检测和控制。 对进行单片机技术在蓄电池管理系统中的应用进行研究。在研究中如 何利用单片机丰富的功能来提高管理系统的效率和水平。充分发挥管 理系统的分析，处理、存储功能。 这些研究能够为现阶段的电动车应用和发展起了很好铺垫作用，同时能 够充分优化蕾电池的设计参数爻寸提高整车的技术经济性能的开发具有 定的指导意义。 第1 7 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 硕士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 第二章蓄电池不一致性的影响研究 2 、l 研究不一致性的重要性 现在蓄电池管理系统在电动汽车等其他需要蓄电池作为能源驱动的领域 中研究取得很大的理论成果，这些理论极大地推动了电动车的发展。但是 目前成熟的管理系统中大多数属于对蓄电池组的管理，忽视了蓄电池不一致 性的因素，而蓄电池性能的充分发挥是以其中每个单体的性能充分发挥为前 提的。 由于中国电动自行车市场的飞速发展。引起规模和实力悬殊的企业纷纷 加入这个领域。很多厂家并没有自己的产品研发中心，一般是购买其他厂家 的配件组装电动车或仿造其他厂家的产品。”1 ，只有较少有实力的厂家积极开 发相应的电动车产品。尽管有对蓄电池单体管理的专利产品“，由于诸多原 因，没有投放市场。现有的电动自行车产品几乎没有对单体替电池进行管理 而是把蓄电池组考虑成统一的整体。这样的现状带来的后果是严重的，随着 电动车销售量的增加蓄电池的需求成倍增长。目前在市场上的电动车数量 有几百万两，在2 0 0 0 年的产量就达6 0 万辆。在近几年，电动车销售额剧 增。 目前在中国市场上的电动自行车组合电池的电压有2 4 v 和3 6 v 两种以 3 6 v 居多。容量有7 a h 、12 a h 和1 7 a h 。以1 2 a h 居多。一般用3 只1 2 v 蓄电池 串联成3 6 v 。由于价格等因素，市场上密封阀控铅酸蓄电池很受欢迎。一组 3 6 v 1 2 a h 的电池，充电一次理论上最多可行使7 0 k m 电池可以使用1 年。“。 蓄电池设计循环寿命达3 0 0 5 0 0 次”。蓄电池的保修期已经从当初的6 个月 提升到1 2 个月有的厂家达到1 5 个月“。但是在实际使用中很多用户近半 年就去换一组蓄电池远没有达到设计寿命。按此需求量计算全国每年至 少需要近干万只的蓄电池( 还不包括其他电动车领域) ，同时又有近千万只 蓄电池被用户遗弃，给环境保护带来巨大的挑战，有地方政府为此而出台政 策禁止电动车的销售。 第1 8 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 硕士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 分析表明，被用户替换下来的蓄电池中，很大一部分是被充电器充坏的 1 ，另外就是由于控制器的不合理设计而造成的。通过对替换下来的蓄电池 研究中发现，蓄电池组中的三只单体电池有些几乎没有一点容量有些却还 保持较好的活性有继续使用的价值。为什么有这样的现象产生其中最大 的问题就是由于在使用过程中没有考虑蓄电池组中各单体电池之间的不一致 性，导致这不一致性在相同的使用条件下随着时间的推移而不断拉开差距，最 后导致整体性能恶化。 所以充分认识不一致性有利于在研究电动车控制器和蓄电池管理系统 中。能综合考虑多方面因素在现有蓄电池质量没有本质提高的前提下，延 长蓄电池的使用寿命，降低电动车的成本，减少对蓄电池的正常消耗。这j ( 寸 用户、生产厂家及整个社会无疑是个很大的财富。 2 、2 蓄电池不一致性的表现形式 “世界上没有两片相同的树叶”，不管蓄电池制造的水平多少高蓄电池 组中各单体电池总是会存在差异，不过有些差异不会影响蓄电池的使用性能。 电池的不一致性是指同型号规格的电池的电压、内阻、容量、充电接 受能力、循环寿命等参数存在差别。产生这种差别的原因有三个方面：一是 在制造过程中由于工艺和材质均匀性问题，使得同批次出厂的同型号电池 的容量、内阻等不完全一致”“。蓄电池的生产过程是一个复杂的工艺过程 从板栅合金到和膏材料、温度等各方面控制及材料、工艺的离散性即使是 同一批同型号产品也不可能保证各项工艺过程存在的微小差异。1 。二是在 电池装车使用时由于电池组中各个电池电解液的密度、温度和通风条件等 的差别增加了电池的不一致性。三是内部差别在使用过程中能量分配不 均而剧增不一致性。根据电池组不一致性对电池性能影响方式不同和作用原 理不同可以把电池的不一致分为容量不一致、电阻不一致和电压不一致。1 。 2 ，2 ，l 容量不一致性容量不一致性的影响可以分为3 个方面：电动自 行车行驶距离相同，因容量不同，蓄电池的放电深度也不同。在大多数蓄电 池还属于浅放电情况下，容量不足的电池已经进入深放电阶段，并且在其他 电池深放电时，低容量电池可能己经没有电壁放出，成为电路中的负载 同一种电池都有相同的最佳放电率，容量不同，最佳放电电流就不同。在串 联组中电流相同，所以有的电池以最佳放电电流放电，而有的电池达不到或 第1 9 页共6 2 页2 0 0 4 年3 月 倾士学位论文单体电动车蓄电池管理系统 超过了最佳放电电流。在充电过程中小容量电池将提前充满为使电池 组中其他电池充满，小容量电池必将过充电，充电后期充电电压德高，甚至 超出电池电压最高限形成安全隐患，影响整个电池组充电过程。以上3 个 原因使容量不足的电池在充放电过程中进入恶性循环，提前损坏。 2 、2 、2 电阻不一致性在电动车蓄电池串联供电系统中内阻不一致从 充电和放电过程有不同的表现。在放电过程中，串联组中电流相同内阻大 的电池电压降大，能量损失大产生大量热量，而温度越高，内阻越大。 能量损失越大。若热量散失不能及时，电池温度将持续升高。可能导致电池 变形甚至爆炸的严重后果。在充电过程中。由于内阻不同。分配到串联组的 每个电池的充电电压不同，将便电池充电电压不一致，随着充电过程的进行， 内阻大的电池电压可能提前到达充电的最高电压极限由此为了保证充电安 全而不得不在其他电池还未充满的情况下停止充电。 2 ，2 ，3 电压不一致性 由以上两个因素而引起电压不一致。电压在充满 电时还表现不很明显，但经过一段行车后( 浅放电阶段) ，直观从电压角度将 呈现出一定的不一致性9 1 。 目前在产品中要基本消除蓄电池之间的不一致性有困难，但是可以通过 外部控制来减少各单体蓄电池之间的不一致性，尽可能发挥其最大性能。控 制系统的设计缺陷、充电器的使用不足等是加剧不致的外部因素。 2 、3 控制系统对不致性的影响 电动车自行车控制器对蓄电池保护随着徽芯片技术的发展而不断完善。 又寸蓄电池有欠压、过流等保护。代表性控制流程如图2 - 1 所示。”1 ，对3 6 v 供 电电动车欠压值设计为3 1 5 v ( 3 单体电池的下限值l o 5 v ) ，过流值为1 4 a 。 但是由于控制系统检测的只是三只蓄电池的串联电压值尽管系统在3 1 5 v 时保护工作。但由于存在不致性，有的单体电压已经低于临界电压值，有 的还保持较高的电压值。 第2 0 页共6 2 页 2 0 0 4 年3 月 竺堂些堡壅 里堡里塑兰董皇塑篁堡墨堑- 一一 为了对这个问题有深入的了解，对新出厂的同一批号型号为 6 一d z ”l o 2 h r 的免维护阀控铅酸蓄电池进行了大量的实验。初始测三只电池 端电压为1 3 3 1 v 。第一次。控制系统驱动电机在空载下运行，电流为0 2 5 a ， 时间长度为1 7 0 分钟测得14 电池电压为1 3 ，o o v 2 4 电池电压为1 3 0 2 v 3 4 电池电压为1 3 o i v ，总放电容量为0 7 2 3 a h 。 为了加快放电速度，加剧各单体电池之间的电压差别并排除其他因素 的干扰，设计实验用7 q 纯电阻替代电机在控制系统全电压下工作。结果令人 吃惊，在接近控制系统的临界欠压保护值肘各单体宅池电压值就相差很大。 如表2 - 1 所示在放电时间长度为1 3 0 分钟时总电压为3 1 3 8 v ，14 电池已 第2 l 页共6 2 页 2 0 0 4 年3 月 堡主堂垡笙茎 皇签皇垫兰蔓皇塑垦堡墨堡 一 低于临界电压值0 7 0 v 而且与2 4 电池电压值相差为i v 但是同时发现2 4 和 3 4 电池保持较好的一致性。 表2 - 17 q 纯电阻负载第二次放电记录表 放电时淘1 。蓄电池 2 4 蓄电池3 4 蓄电池 总电压值放电电流 ( 分钟)电压( v ) 电压( v )电压( v ) ( v )( a ) o 1 3 2 2 1 3 2 31 3 2 23 96 75 2 9 l o1 2 5 41 25 5 1 2 5 43 76 35 2 8 2 0 1 2 矗8 1 2 4 9 1 2 4 83 7 4 55 2 6 3 01 2 3 91 2 ，4 l 1 2 4 03 7 ，2 05 2 3 4 0 1 2 3 01 23 l1 2 3 03 6 ，9 i5 1 9 5 01 2 2 01 22 2 1 2 2 l3 6 ，6 35 ，1 5 6 01 2 0 81 2l o 1 2 1 03 6 2 85 1 1 7 0l l9 5 l i9 7儿9 73 58 95 0 6 8 01 1 7 9 1 1 8 1儿8 23 5 4 24 9 9 9 01 1 6 71 17 0 1 1 7 03 50 749 4 1 0 0 l l5 0 1 1 5 d 1 1 5 43 45 84 8 7 1 1 01 1 2 81 1 3 4 1 1 _ 3 33 3 9 54 7 8 1 2 01 0 8 3 1 1 0 3l 1 0 l3 2 ，8 74 6 3 1 2 5镳黝燃纛l o 8 71 0 8 33 2 ，0 2 4 5 l 1 3 0 整翁| a 纛 1 0 8 01 0 7 83 1 3 84 3 7 那么2 。和3 4 电池放电电压如此接近及l4 之间电压差别是不是由于厂家 的人为因素造成的? 把蓄电池从控制系统断开，接入三段式3 6 v 蓄电池充电 器充电1 0 小时4 0 分钟后，继续进行控制系统实验。实验数据如表2 - 2 所示。 表2 27 q 纯电阻负载第三次放电记录表 l 放电时间 14 蓄电池 2 4 蓄电池3 。蓄电池 放电电流总电压值 ( 分钟) 电压( y ) 电压( v ) 电压( v ) ( a )( v ) o1 3 6 71 3 7 l1 3 7 l5 5 54 1 0 9 l o1 2 8 01 2 8 l1 2 8 05 4 03 8 4 1 2 0l 2 、7 i 1 2 7 2 【2 7l 5 3 7 3 s i 4 3 01 2 6 1l 2 6 31 2 6 25 3 43 7 8 6 4 01 2 5 01 2 5 21 25 15 z 93 7 5 3 5 01 2 3 91 2 4 i1 2 4 05 2 53 7 2 0 6 01 2 2 71 2 3 01 2 2 9 5 2 0 3 6 8 6 7 01 2 1 51 2 1 81 21 75 1 53 6 5 0 8 01 2 0 21 2 0 51 2 0 45 i o3 6 i i 9 01 1 8 91 1 9 21 1 9 15 0 43 5 7 2 1 0 01 17 51 17 8儿7 74 9 83 5 3 0 1 1 01 1 5 9“，6 3“6 l49 23 4 8 3 1 2 0 1 1 3 9儿4 5 1 14 3 4 8 43 4 2 7 1 3 01 l ，l l1 l2 t1 1 1 74 7 23 34 9 1 3 5l o 8 40 31 0 9 546 33 2 8 2 1 3 9 9 。9 31 0 8 l1 0 6 44 5 l3 1 3 8 第2 2 页共6 2 页 2 0 0 4 年3 月 硕一卜学位论文单体电动车蓄电池管理系统 从表2 - 2 中发现2 。和3 4 放电时的端电压变化比表2 - 1 明显。由此可见 2 9 和3 4 蓄电池的一致性比较好而和l4 相差较大并不是由于厂家的人为因素。而 是由于它们的放电不一致性开始发挥作用的程度不同。 在实验中发现随着充电次数的增加蓄电池之间的电压差不断增大： 同时发现随着负载的增大，蓄电池之间的放电终止电压差在增大。 究其原因，由于内阻的不一致性在充电过程中造成容量不一致，最后 导致在串联系统中提早进入深放电阶段后在充电过程中充电不足如此进 入恶性循环。 如果控制器的欠压保护仅仅