（电气工程专业论文）纯电动汽车用磷酸亚铁锂电池管理系统.pdf

中文摘要 摘要：随着能源危机和环境污染问题在全球汽车产业发展过程中的重要性越来越 多地被提及在各个层面，纯电动汽车的研究越来越受到重视。随着动力电池普遍 使用，电池管理系统也伴随之产生。 电池管理技术就是通过实时检测和估算电池状态、温度、电流、直流内阻、 极化电压、s o c 、最大可用容量、老化程度以及一致性等，并据此提供电池( 组) 的优化使用方法，既防止电池( 组) 出现滥用和不合理使用，保障其使用的安全 性和长寿命；又能最大限度的发挥其性能，提高车辆运行的效率、驾驶的舒适性， 实现电池容量和能量利用的高效性。 本论文是国家“8 6 3 项目“车用动力蓄电池管理系统核心关键技术及可靠性 研究内容之一，研发北京市纯电动环卫车电池管理系统。在交大原有锰酸锂纯 电动公交车电池管理系统的基础上研发适用于磷酸亚铁锂动力电池的电池管理系 统，应用环境为北京市城市环卫车辆。北京市城市环卫车项目是全世界采用锂电 池为动力源的最大规模的一次尝试，必将为电动汽车的发展提供重要的参考和数 据。 本文首先介绍了研究的背景，包括纯电动汽车的发展、动力电池的发展、以 及电池管理系统的研究现状。在第二章和第三章中，重点研究锂电池s o c 的估算 方法，为锂电池的充电提供优化方法。第四章和第五章，描述了电池管理系统的 硬件、软件、以及配套的上位机服务程序。 关键词：磷酸亚铁锂电池；电池管理系统；s o c ；纯电动汽车 分类号：u 4 6 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei m p o r t a n c eo fe n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni nt h e d e v e l o pp r o c e s so fg l o b a la u t o m o b i l ei n d u s t r yi n c r e a s i n g , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ( p e v ) i sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a n dt h eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) i sa l s od e v e l o p e di np a c ew i t ht h ew i d eu s eo fd y n a m i c b a t t e r y t h eb a t t e r ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi st oe s t i m a t et h es t a t eo fb a t t e r yt h o u g h r e a l t i m em e a s u r e m e n t ，s u c ha st h et e m p e r a t u r e ，c u r r e n t ，d ci n t e r n a l r e s i s t a n c e ， p o l a r i z a t i o nv o l t a g e ，s o c ，m a x i m u ma v a i l a b l ec a p a c i t y , t h es t a t u eo fa g i n ga n d c o n s i s t e n c y , a n dp r o v i d et h eo p t i m i z e du s a g eo fb a t t e r ya n db a t t e r yp a c ki na c c o r d i n gt o t h e s ep a r a m e t e r s t h i st e c h n o l o g yc o u l d p r e v e n tb a t t e r ya n db a t t e r yp a c kf r o m u n s u i t a b l eu s e ，e n s u r ei t ss a f e t ya n dp r o l o n gi t sl i f e c y c l e i na d d i t i o n ，t h eb a t t e r y m a n a g e m e n tt e c h n o l o g yc o u l dl i rt h eb a t t e r ya n db a t t e r yp a c kt o i t sm a x i m u m p e r f o r m a n c e , i n c r e a s et h ev e h i c l ee f f i c i e n c ya n dd r i v i n gc o m f o r t ，r e a l i z et h ee f f i c i e n t u t i l i z a t i o no ft h eb a t t e r yc a p a c i t ya n de n e r g y t h i st h e s i si sf r o mt h en a t i o n a l8 6 3p l a n sp r o j e c to f “t h ek e yt e c h n o l o g ya n d r e l i a b i l i t yo fd y n a m i cb 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 cv e h i c l e s ”，a n di sf o rt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mf o rp u r ee l e c t r i cc l e a n i n g v e h i c l ei nb e u i n g b a s e do nt h el i t h i u mm a n g a n e s eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m d e v e l o p e db yb e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y , t h i st h e s i s i sf o c u s e do nt h eb m sf o r l i f e p 0 4d y n a m i cb a t t e r y t h ep r o j e c to fe l e c t r i cc l e a n i n gv e h i c l ei nb e i j i n gi st h e l a r g e s ta t t e m p tt oa d o p tl i b a s e dd y n a m i cb a t t e r ya sp o w e rs o u r c ei nt h ew o r l d ，a n d w o u l d p r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c ea n d d a t af o re l e c t r i cv e h i c l e s t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do ft h er e s e a r c h ，i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n t o fp u r ee l e c t r i cv e h i c l ea n dc u r r e n ts t a t eo fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m c h a p t e rt w o a n dt h r e ea r ef o c u s e do nt h ee s t i m a t i o no fs o co fl i f e p 0 4b a t t e r ya n d b a t t e r yp a c k i n t h ec h a p t e rf o u ra n df i v e ，t h i st h e s i sd i s c u s s e dt h eh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dp c p r o g r a m s k e y w o r d s ：l i f e p 0 4d y n a m i cb a t t e r y ；b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ；s o c ；p u r e e l e c t r i cv 如i c l e c i a s s n o ：lm 6 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张栖 签字日期：川年舌月，7 日 导师签名： 钰 签字日期：叫年厂月哕日 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意。 学位论文作者签名：姊 签字日期：必7 年石月f 岁日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈教授和姜久春教授的悉心指导下完成的， 张维戈教授和姜久春教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响。在此衷心感谢三年来张维戈老师和姜久春老师对我的关心和指导。 张维戈教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，文锋、牛利勇、温家鹏、劳力等同学对我论 文中研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 本论文是国家“8 6 3 项目“车用动力蓄电池管理系统核心关键技术及可靠性 研究 内容之一，研发北京市纯电动环卫车电池管理系统。此次北京纯电动环卫 车尝试使用锂电池为动力源，是世界上首次大规模使用锂电池。在整个研发过程 中，包括北京交通大学、北京理工大学、中信国安盟固利、北大先行、北京电巴 公司等在内的多家单位齐心合作。 绪论 1 1 纯电动汽车的现状与发展 1 绪论 目前，全球汽车保有量约8 亿辆，据预测，到2 0 1 0 年全球汽车保有量将接近 l o 亿辆，且到2 0 1 5 年将超过1 2 亿辆。汽车在带动国民经济发展和方便人类生活 的同时，也带来了巨大的灾害，4 2 的环境污染是来源于燃油汽车的排放，8 0 的 城市噪声由交通工具产生。目前，我国每年有8 5 的汽油和2 0 的柴油被汽车烧 掉。 随着能源危机和环境污染问题在全球汽车产业发展过程中的重要性越来越多 地被提及在各个层面，被誉为汽车工业未来的e v 作为一支重要组成力量一步步迈 上世界汽车工业舞台，并在各国政府和汽车制造商的共同推动下取得了快速发展， 纯电动汽车( p e v ，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s 或b e v ，b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e s ) 、混合 动力汽车( h e v , h y b r i de l e c t r i cv e h i d e s ) 、燃料电池电动汽车( f c e v , f u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e s ) 和外接充电式混合动力汽车( p h e v , p l u g - i nh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e s ) 相继出现。其中，p e v 因能真正的实现“零排放 而成为电动汽车的重 要发展方向之一。 1 1 1 国外电动汽车的发展 在纯电动汽车的第一个发展阶段，截止到1 9 9 8 年底，全世界有9 个大型汽车 厂1 0 种纯电动汽车投入小规模生产。如通用汽车开发的纯蓄电池电动汽车e v l 最 高时速可达1 2 8 k m h ，从静止加速到9 6 k m h 只需9 s ，一次充电可行驶1 4 4 k m ，其 后通用i m p a c t 电动车一次充电续驶旱程达到1 9 0 k m ；还有福特汽车公司和通用 电气公司联合开发e x e i 、e x e i i 电动汽车；丰田公司生产的r a v 4 电动汽车由 铅酸电池改为镍氢电池，一次充电可行驶2 0 0 k m ，零售价4 2 万美元辆( 同型的 汽油车零售价为2 万美元辆) ，其中电池成本占整车成本的4 0 ；日产汽车公司 1 9 9 8 年在日本和美国销售的a l t i 认电动车采用锂电池，循环寿命长，可反复使 用1 2 0 0 次，续驶里程1 2 4 k m ；1 9 9 7 年法国雷诺公司推出装备锂电池的标致1 0 6 电 动汽车；大众汽车公司在第1 8 届国际电动汽车展会上推出的电动汽车能量来自 3 0 0 k g 的充电电池，在1 2 s 内可从o 加速到1 0 0 k m h ，最高车速1 4 0 k m h 。 北京交通大学硕士学位论文 表1 1 国外l o 种纯电动车的基本情况图 t a b l el - lf i g u r eo f t h eb a s i cs i t u a t i o no f1 0k i n d so f f o r e i g ne l e c t r i ca u t o m o b i l e s 生产厂商车星 日本大发汽车公司电动微型面包车h i j e te v 法国标致雪铁龙公司电动4 座小型轿车p 10 6 s a x o 及其客货车 美国通用汽车 e v - 1 日本丰田公司 电动5 座小型轿车r a v 4 e v ( 氢镍) 日本丰田公司 电动4 座小型轿车p l u s c 氢c 镍) 法国雷诺公司 电动4 座小型轿车c t i o ( 铬镍电池) 美国福特公司电动2 座轻型度卡溶货车) r a m g e r 美国克莱斯勤公司电动4 座小型轿车e p i c 美国通用公司 电动2 座轻型皮卡昏10 日本日产公司电动4 座轻型轿车a i t r a 目前，e v 正迅速从研制试验阶段走向商品生产及应用阶段，在美、日及欧洲 发达国家，p e v 已开始进入实用化阶段。活跃在第二代纯电动汽车研发活动中的企 业，不仅有h e u l i e z 、三菱、富士重工、通用这样的汽车企业，也有属于电力系统 的法国电力公司、东京电力公司，以及东芝、日立、东洋电机、三洋电机、旭化 成、n e c 等机电跨国公司。以美国蓝鸟客车公司为代表的电动客车和轿车已经上市， 通用e v - 1 型2 座轿车、通用s - i o 型2 座皮卡、福特r a n g a 型2 座皮卡，日本的 丰田r a v 一4 型5 座轿车、本田p l u s 型4 座轿车、日产l u n n e t 型5 座轿车、大发 h i j e t 微型面包，法国研制的标志一雪铁龙p 1 0 6 型4 座轿车等都投入了商业运行。 在欧洲，在欧共体组织内已有6 0 座城市参与“城市电动车”协会，帮助各城市进 行e v 可行性研究、安装必要设备并指导城市e v 运营。2 0 0 9 年4 月，通用雪佛兰 v o l t 、奔驰b l u e z e r o 概念车、丰田f t - e v 、日产n u v u 等p e v 车型集体亮相上海 车展。 1 1 2 国内电动汽车的发展 国内企业从事纯电动汽车研发、少量产业化生产与试运营的有东风、天津清 源、北京理工科凌、比亚迪、万向等企业。2 0 0 6 年，我国第一批纯电动轿车取得 了产品准入公告，吸引更多企业加入蓄电池或纯动力汽车的研发或试运营，如咸 阳威力克能源有限公司、博信电池( 上海) 有限公司、上海瑞华集团、深圳雷天 绿色电动源有限公司、中信国安黄金有限公司、合肥工业大学等。我国p e v 研究 开始于2 0 世纪6 0 年代，并于2 0 0 1 年确立电动汽车重大专项项目，提出“三横三 纵”研发布局。经过近几年发展，我国已建立研发p e v 国家技术标准平台、测试 2 4 5 6 6 6 6 7 7 7 8 盼 g ； g ； g ； g ； g ； g ； g ； g ； g ； p 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 绪论 检验平台( 北京2 0 1 所和天津1 8 所) 、政策法规平台以及示范应用平台，颁布了p e v 国家标准2 0 余项，并分别在北京、天津、上海、大连建立起电池公共检测中心( 基 地) 和试验平台，北京、天津等城市纷纷开展了p e v 商业化试验示范运营。“十一 五一期间，北京理工大学作为整车总体单位承担了8 6 3 电动汽车重大专项“纯电 动客车项目一，作为技术依托单位承担了北京市科技奥运电动汽车特别专项“电动 汽车运行示范、研究开发及产业化 等项目。已完成纯电动准低地板公交车、纯 电动中巴客车、纯电动旅游客车、纯电动超低地板公交车等四种车型的整车开发、 型式认证和定型设计，并进行了4 0 余辆的小批量试生产，各项动力性、经济性、 续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平；组建电动汽车示范车队，在北京 市开展“一线一区 两种模式示范运行。目前，北京理工大学等单位已经完成了 北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生产基地的建设，初步 形成了关键技术的研发能力和产业化配套能力。麦肯锡公司用了8 个多月时间研 究北美、欧洲、中国和印度的乘用车市场后，在其研究报告 中国蓄势待发：电 动汽车的机遇中指出：在传统汽车行业，中国落后世界领先水平几十年，但在 e v 等新能源汽车领域，大家处于相同起跑线，中国有成本和市场优势，有潜力和 有可能在全球e v 市场取得领先地位。 1 2 纯电动汽车用电池的发展 1 2 1 蓄电池发展史 电池是p e v 的唯一动力源，其性能的优劣对于p e v 运营安全性、高效性和经 济性具有重大影响。当前，p e v 可选用的动力电池主要包括铅酸、镍镉、镍氢和 锂离子电池，它们之间的主要性能对比参见表1 2 t 16 1 7 1 。 表1 2 常用蓄电池主要性能比较 1 a b l e l - 2c o m p a r i s o no f b a t t e r i e s m a i np e r f o r m a n c e 项目铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池 工作电压( v ) 21 21 23 6 质量比能量 3 5 4 04 0 6 0 6 0 8 0 9 0 1 6 0 ( w h k g ) 体积比能量( w h l ) 7 01 5 02 0 02 7 0 充放电寿命( 次) 3 0 0 5 0 05 0 0 1 0 0 05 0 0 1 0 0 06 0 0 1 2 0 0 自放电率( 吲月) 52 5 3 03 0 5 06 9 3 北京交通大学硕士学位论文 记忆效应无有无无 环境污染污染严重污染无污染无污染 成本( 美元k w h ) 7 4 1 5 01 0 0 2 0 02 3 0 5 0 01 2 0 一2 0 0 抗滥用能力好较好差很差 长期以来，铅酸电池以其工艺成熟、性能稳定以及售价低廉等优点得到了广 泛的应用；但由于其重量和体积大、充电时间较长以及寿命短，使得p e v 一次性 充电行驶里程和运行效率都不能满足实际运营需要。镍镉电池由于具有很好的充 放电倍率特性，出现后也得到一定发展，但是由于其具有记忆效应、含重金属存 在环境污染等问题而没有被限制使用。1 9 9 0 年，镍氢电池出现并以其充放电倍率 大、无环境污染隐患、无记忆效应等优点在h e v 上得到了广泛应用，但镍氢电池 工作电压低( 1 2 v ) ，为了达到一定的电压等级需要大量电池串联，随之而来的一 致性问题使其在p e v 上的应用受到一定的限制。1 9 9 1 年，锂离子电池推出以后， 以其工作电压平台高、质量比能量和体积比能量大( 理论比容量达到3 8 6 0m a h g ) 、 无环境污染、工作温度范围宽广、自放电率低、无记忆效应、充放电效率高、寿 命长等显著优点得到人们的广泛认同，并迅速在手机、笔记本电脑、数码相机、 数码摄像机、蓝牙设备、m p 3 、m p 4 等便携式设备上得到了广泛的应用和迅猛的 发展，成为化学电源中最重要的成员之一，也是新一代电动汽车的理想动力源。 1 2 2 磷酸亚铁锂电池 锂离子电池正在向型号多样化、高性能、低成本、更安全的方向发展，其应 用领域j 下在进一步拓宽，用于电动车的锂离子电池已开始进入市场，随着单电池 容量的大幅度增加和电池串联级数的提高，锂离子电池的安全性问题变得尤为突 出。锂离子电池使用过程中发生安全事故的主要原因是电池中大的短路电流使电 池局部温度升高，正极中氧和有机电解液溶剂发生剧烈反应，从而导致电池起火 或者爆炸。 自1 9 9 6 年日本的n 1 v r 首次揭露a y m p 0 4 ( a 为碱金属，m 为c o f e 两者之组 合：l i f e c o p 0 4 ) 的橄榄石结构的锂电池正极材料之后，1 9 9 7 年美国德克萨斯州立大 学j o h n b g o o d e n o u g h 等研究群，也接着报导了l i f e p 0 4 的可逆性地迁入脱出锂 的特性，使得该材料受到了极大的重视，并引起广泛的研究和迅速的发展。与传 统的锂离子二次电池正极材料，尖晶石结构的l i m n 2 0 4 和层状结构的l i c 0 0 2 相 比，l i m p 0 4 的原物料来源更广泛、价格更低廉且无环境污染。磷酸亚铁锂动力 电池具有以下七大优势： 4 绪论 l 、超长寿命。长寿命铅酸电池的循环寿命在3 0 0 次左右，最高也就5 0 0 次， 而磷酸亚铁锂动力电池，循环寿命达到2 0 0 0 次以上，标准充电( 5 小时率) 使用， 可达到2 0 0 0 次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年一，最 多也就l 一1 5 年时间，而磷酸亚铁锂电池在同样条件下使用，将达到7 8 年。 综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4 倍以上。 2 、使用安全。磷酸亚铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸 锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸亚 铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。 3 、可大电流快速充放电。 4 、 耐高温。磷酸亚铁锂电热峰值可达3 5 0 c 一5 0 0 而锰酸锂和钴酸锂只在 2 0 0 左右。工作温度范围宽广( - 2 0 c 一+ 7 5 c ) ，有耐高温特性磷酸亚铁锂电热峰 值可达3 5 0 ( 2 5 0 0 而锰酸锂和钴酸锂只在2 0 0 左右。 5 、大容量。 6 、无记忆效应。可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速 低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷 酸亚铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充 电。 7 、绿色环保。该电池不含任何重金属与稀有金属( 镍氢电池需稀有金属) ， 无毒( s g s 认证通过) ，无污染，符合欧洲r o l l s 规定，为绝对的绿色环保电池证。 铅酸电池中却存在着大量的铅，在其废弃后若处理不当，仍将对环境造成二次污 染，而磷酸亚铁材料无论在生产及使用中，均无污染。 1 3 电池管理技术现状和主要问题 1 3 1 电池管理技术研究意义 为了进一步提高锂离子电池的性能，拓展其适用范围，电化学领域研究人员 从温度、电压、电流和老化对锂离子电池性能的影响以及过充电、过放电、过电 流和过温等滥用现象的电化学机理等方面进行深入的分析，通过改进正负极材料、 添加剂、粘结剂、掺杂和包覆、电解液配方以及工艺，单只锂离子电池在能量密 度、功率密度、安全性、循环寿命等方面的性能都得到了显著提高，温度适用范 围得到拓展。然而锂离子电池串联成组应用到p e v 上时，其寿命远不及单只电池， 甚至出现安全性问题。 5 北京交通大学硕士学位论文 经过惨痛的教训后，人们逐渐认识到生产工艺和技术水平只决定了电池的初 始性能，包括电池种类、成本、有无记忆效应、有无环境污染、电压等级、比能 量、内阻、自放电性能、温度范围、倍率特性、能量密度、一致性、寿命、功率 密度、稳定性和安全性等。在使用过程中，电池性能随着所处状态、运行环境和 工况以及老化程度等参数的变化而变化，电池的使用方法也应当随之变化才能避 免出现滥用和不合理使用，这只有通过对电池进行科学的管理才能实现。电池管 理技术就是通过实时检测和估算电池状态( 包括外电压、温度、电流、直流内阻、 极化电压、s o c 、最大可用容量、老化程度以及一致性等) ，并据此提供电池( 组) 的优化使用方法，既防止电池( 组) 出现滥用和不合理使用，保障其使用的安全 性和长寿命；又能最大限度的发挥其性能，提高车辆运行的效率、驾驶的舒适性， 实现电池容量和能量利用的高效性。电池( 组) 管理技术的重要性逐渐受到人们 的广泛关注和重视。 1 3 2 电池管理技术研究难点 1 跨学科 电池管理技术涉及电化学、电学和热学相关知识。电池的性能，从微观而言， 与内部离子迁移速度和数量、氧化还原反应强度以及安全性保护有重要关系：在 宏观上，也与电池的电压、电流检测精度和控制原则密切相关：在热学上，不同 温度下，电池内部物质的活性、电池的充放电电流都相关。且这三者之间相互关 联，电池性能的提高，新材料的使用可能使得电池的温度适用范围、放电倍率等 提高，这影响到电池的使用方法和热管理方法；优良的使用方法能有效的防治电 池出现不合理使用，从而保障电池处于良好的温度环境、从而延长电池寿命；电 池的热管理能使得电池处于更好的状态从而提高电池的性能。 2 多变量影响 电池的性能受到温度、电压、电流、荷电状态( s o c ，s t a t e o f - c h a r g e ) 、工 况、老化程度及个体差异等多个因素的影响。低温下电池内部物质的活性下降、 高温下电池的稳定性下降、大电流下电池的放电容量下降、不同上下线电压控制 影响电池的放电容量和寿命、工况影响电池的放电容量、老化后电池的内阻和容 量下降。 3 非线性 温度、电流以及使用方法对电池直流内阻和极化电压的影响呈现非线性，以 及放电容量和倍率特性等，且呈现明显的非线性。 4 强耦合 6 绪论 电池的放电电流会影响到电池的欧姆压降和极化电压，并最终耦合到电池的 温升变化和电池容量和能量的利用率。 5 电池组一致性 即便是同一厂家，同一批次的电池，在自放电特性、温度特性、容量、内阻 等方面的参数都存在较大的差异，所以面临如此众多的电池生产厂家，电池管理 系统研制单位不可能一一进行试验，需要提炼具有普适性的电池描述和状态估算 方法，这给电池串联成组管理带来了相当的困难。 1 4 本论文研究内容 本论文是国家“8 6 3 项目“车用动力蓄电池管理系统核心关键技术及可靠性 研究 内容之一，研发北京市纯电动环卫车电池管理系统。在交大原有锰酸锂纯 电动公交车电池管理系统的基础上研发适用于磷酸亚铁锂动力电池的电池管理系 统，应用环境为北京市城市环卫车辆。 在以下几方面展开研究： l 、用于磷酸亚铁锂的电池管理系统；完成对电池单体电池电压、温度测量、 a h 测量以及阀值报警，实现整车和充电机的c a n 网络通信，提供整车电池数据 及报警信息。 2 、实现电池的s o c 估算； 3 、研究电池充电控制方法，完成快速更换模式下的充电控制。 7 北京交通大学硕+ 学位论文 2 电池管理系统以及现有s o c 估算方法的研究 2 1 电池管理系统简介 作为纯电动汽车的动力能源，电池的运行性能的好坏直接影响到汽车的运行 效率。电池管理主要功能是对动力蓄电池组的各种参数( 单体或模块电池电压、 温度、电流等) 进行实时在线测量，在此基础上对s o c 进行实时在线估算，同时 实施必要的控制，以保证电池组的安全，延长使用寿命。其中，s o c 是电动车辆 运行过程中非常重要的参数，是防止电池过充和过放的主要依据，只有准确估算 电池组的s o c 才能有效提高纯电动车辆的利用效率、保证电池组的使用寿命、优 化驾驶。 因此，电池管理系统可以控制动力电池组的工作，对电池进行实时或定期自 动诊断和维护，调节电池的电压、温度，最大限度的保证电池工作在最佳状态， 防止有损伤的电池影响电动汽车的整体性能，从而优化整车性能，降低运行成本。 2 2 现有的s o c 的估算方法研究 目前应用的各种电池组s o c 实时在线估算方法都存在缺陷，不能达到实际使 用的要求。这主要是因为电池组的s o c 和很多因素相关( 如温度、前一时刻充放 电状态、极化效应、电池寿命等) ，而且具有很强的非线性，给s o c 实时在线估 算带来很大的困难。要想提高s o c 实时在线估算的精度，需要在测量手段、电池 模型和估算算法等方面进行深入细致研究。 2 2 1 库伦记数( 电流积分) 【3 7 】 根据s o c 的定义来测量s o c 的基本方法，计算公式为 s o c i = s d c t l + l 。刁i ( t ) d t ( 2 一1 ) 通过精确测量在k 一1 至k 时刻流经电池组的电流( i ( t ) ) ，可以计算该时间段 内电流积分值( f 【i ( t ) d t ) ，加上充电效率或放电倍率( 刁) 的修正，与电池组初 始状态相加( 假定充电电流方向为正，放电电流方向为负) ，即得到电池组当前的 s o c 值。 这种方法是目前唯一可以精确计算电池组s o c 的方法，按某一放电倍率的电 流将电池组彻底放电之后( 一般取放电倍率r = 1 ) ，计算放电过程中的电流积分值， 电池管理系统以及现有s o c 估算方法的研究 即为电池组的初始s o c 值。主要应用于实验室计算电池组充电效率、检验s o c 估 算精度等用途。 但是，这种方法最大的缺陷在于：要求标定s o c 初始值：需要精确计算充电 效率或放电倍率；需要以恒电流对电池组进行充放电；必须将电池组彻底放电， 不能保持电池组的原始状态。在实际应用中，由于温度、电流等因素的影响，电 池的充电效率或放电倍率不恒定，通过累计电流积分来计算s o c 存在累计误差。 如果没有定期修正，该误差会随时间而逐渐增大，造成s o c 估算错误。 对于传统的纯电动汽车而言，电池组基本工作在满充满放状态，充电过程大 部分为恒流充电，在充电完成时有一个相对稳定的初始值确定点( 充电完成时s o c 为1 0 0 或略为过充) ，如果电池组的充电效率很高( 9 5 以上) ，可以认为充电效 率近似为l 或等于某一恒定值，采用该方法计算s o c 可以获得比较好的效果。每 一个充放电周期的累计误差在下次充电完成的时候基本可以随s o c 初始值的重新 标定而消除。但随着电池的老化，充电效率和放电倍率会逐渐降低，该方法的误 差会逐渐增大。 为了保证电池的安全使用并延长电池寿命，使用l i f c p 0 4 电池的电动汽车不 能使电池达到充满或者放空的状态，一般将电池使用的s o c 控制在1 0 0 , 6 或2 0 至 9 0 或8 0 之间的范围内。因此需要采用其他的手段对电流积分计算的s o c 值进行 修正，以消除累积误差的影响。 2 2 2 测量直流内阻 图2 - 1 电池的模型 f i 9 2 1t h em o d e lo fb a t t e r y 其中，电池外电压( u o ) 由开路电压( r ) 、直流内阻( 如) 上的欧姆压降( ) 和极化阻抗( z p ) 上的极化电压( ) 组成，其中y 与s o c 之间存在单调非线性 关系。 北京交通大学硕士学位论文 l i f e p 0 4 电池的直流内阻在s o c 的处于5 0 以下的时候随s o c 上升呈单调递 减的变化趋势，可以通过实时测量计算电池的直流内阻来估算s o c 。 从图中数据可以看出，在充放电两种状态下，直流内阻值虽然不同，但相差 不大，可以近似的认为相等。在s o c 处于1 0 至5 0 的区间之内，充电内阻和放 电内阻均随s o c 增大而减小，变化范围达到3 0 左右。但在s o c 处于5 0 至8 0 之间时，充放电内阻变化幅度很小，与s o c 没有直接对应关系。 a g 、 笔 ol o2 03 0 4 0 5 06 07 08 09 0 1 0 0 s o c ， 图2 - 2 直流内阻s o c 曲线 f i 9 2 - 2t h eg l l f v eo f d cr e s i s t a n c c - s o c 因此，利用直流内阻计算s o c 存在以下方面的问题： 1 、电池组的直流阻抗只是在电池s o c 处于5 0 以下的时候变化较大，当s o c 处于5 0 至8 0 之间时，不能通过直流内阻计算得出s o c 值； 2 、l i f c p 0 4 电池的直流内阻很小，约为1 4 毫欧左右，准确的测量计算比较 困难，直接通过内直流内阻值计算s o c 会带来较大的误差； 3 、即使在同一个s o c 下，电池的直流阻抗也受很多非线性因素的影响，如 温度、前一时刻充放电状态、是否充分静置、电池寿命等，因此在相同的s o c 下 可能存在不同的直流阻抗值，或相同的直流阻抗值下可能存在不同的s o c 值，不 能找到确定的一一对应关系。如下图( 2 3 ) 所示在s o c 处于5 0 时，通过不同的 充放电电流所测量的内阻值随电流增大而增大。 l o t工l1li工_ o o 电池管理系统以及现有s o c 估算方法的研究 s o c 5 0 - - s - - r 1 1 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 1i a 图2 3 直流内阻电流曲线 f i 9 2 - 3t h ec u r v eo f d er e s i s t a n c 挣l 此外，电池组的直流阻抗值不仅由电池的化学特性决定，不同的极板结构、 电解液配方的电池会表现出不同的阻抗值，同时电池的制作工艺也起到很重要的 作用，即使同一生产工艺的不同批次电池之间交流阻抗与s o c 之间的对应关系也 存在差异。 经过以上分析，单纯通过测量直流阻抗来计算s o c 值并不能得到很准确的结 果，同时也不便于车载电池管理系统的嵌入式应用。 2 2 3 开路电压法 通过建立s o c - - o c v ( o p c n c i r c u i tv o l t a g e ，指电池在充分静置之后测得的开 路电压值) 之间的关系( 一般通过试验测定) ，在测量电池组的开路电压之后，计 算s o c 。 与铅酸和镍氢电池相比，l i f e p 0 4 电池的静态极化电压较小，静止后极化电压 几乎完全消除，因此充电态与放电态的曲线基本重合，减少了对充放电状态估算 不准确带来的影响。但若将该方法直接应用于纯电动车的实时测量应用，仍然存 在以下问题： 1 、该方法对s o c - - o c v 之间的关系测量较严格。s o c - - o c v 之间存在一定 的关系，基本为单调递增，但容易受温度、静止时间等因素的影响。在温度变化 较大的时候，同一个电池在相同的s o c 下表现出来的o c v 差异较大。且试验环 境和条件只能控制和测量电池的外壳温度和环境温度，不能很好的反映电池内部 温度的变化情况。另外，电池的极化电压在电流停止后有一个恢复过程，这个过 程与静置时间有密切关系。静置时间过短，电池电压没有完全恢复，不能正确的 tt-t a 暑、薯 北京交通大学硕士学位论文 反映当前电池的开路电压。 2 、对l i f e p 0 4 电池而言，当s o c 处于2 0 至7 0 之间时，o c v 处于电压平 台上，变化很小，直接通过测量o c v 不能准确计算s o c ，会带来较大的误差。如 下图( 2 4 ) 。 3 4 0 3 3 8 3 3 6 ol o 2 03 0 4 0 5 06 07 0 8 0 9 01 0 0 s o c ， 图2 _ 4 开路电压- s o c 曲线 f i 9 2 - 4 t h ec u r v eo fo c v - s o c 由于开路电压法的基本原理是将电池静置，使电池端电压恢复至开路电压， 静置时间一般在2 小时以上，不适合纯电动的实时在线检测，仅能作为s o c 估算 误差明显偏大时的辅助修正手段。因此在实际应用中，当管理系统检测到电池静 止1 2 小时候，检测电池电压是否处于平台之上，如果电压处于平台的两端且s o c 误差明显偏大，则根据端电压进行修正。若电压处于平台上，则不对s o c 进行修 正，以免造成较大的误差，使s o c 计算错误。 2 2 4 零负载电压 该方法通过建立电池模型和测定开路电压，在电池充放电过程中，测量电池 端电压和电流，计算开路电压，从而得到s o c 。 o c v 图2 5 电池零负载电压模型 f i g2 - 5b a t t e r ym o d e lo fz e r o - l o a d 1 2 4 2 o 8 6 4 2 o 3 3 3 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 考 电池管理系统以及现有s o c 估算方法的研究 通过建立电池模型，可以在有电流的情况下计算零负载电压，并认为这个电 压即为电池的开路电压。这种方法弥补了“开路电压法 不能实现实时在线测量 的缺陷，但存在以下缺点，不能够达到准确计算s o c 的目的： l 、需要准确测得s o c o c v 曲线； 2 、要求准确建立电池模型： 3 、要求准确计算电池模型中的各阻抗参数。通常这些参数受温度、电流、充 放电状态等非线性因素的影响，很难计算精确，而这些参数的微小变化会对o c v 的计算造成较大的误差，从而影响s o c 的估算精度。 2 2 5 在线辨识电池的准确模型 利用人工智能、模糊控制、神经网络等方法辨识电池的准确模型，将影响s o c 的各种因素综合到电池模型中，提高s o c 的估算精度。目前国内外绝大多数成果 停留在计算机仿真结果阶段，离具体实际应用还有距离，例如神经网络方法存在 以下主要问题： l 、局部极小问题，造成网络的局部收敛，影响系统的控制精度； 2 、学习速度慢，训练时间长，限制了神经网络在实时控制中的应用； 3 、理想的训练样本提取困难，影响了网络的训练速度和训练质量； 4 、网络结构不易优化，特别是隐层节点数目的选取常常带有盲目性； 5 、尚未从理论上完全解决神经网络学习算法的收敛性和神经网络控制系统的 稳定性问题。 2 2 6 测量电池电解液有效质量 通过测量电池电解液的有效质量计算s o c 值。该方法对于可直接测量电解液 质量的铅酸电池比较适合，理论上可以精确测量s o c 。但目前纯电动及混合动力 应用场合主要使用镍氢电池和锂电池，均为封闭结构，没有有效的手段能在线精 确测量出电池电解液的有效质量，不存在实际应用价值。 2 2 7 电化学分析法【2 1 】 通过分析电池内部结构、成分和化学反应，从理论上计算s o c - - o c v 的表达 式。该方法能避免开路电压法和零负载电压法需要大量实验建立s o c - - o c v 表的 缺陷，能在一定程度上提高s o c 的估算能力，但存在以下几个方面的问题： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 l 、溶液配方、极板形状和制作工艺的不同都会对s o c - - o c v 的表达式造成 影响，而这些都是制作电池的核心技术，涉及商业机密，很难获得完全的资料进 行分析。 2 、由于溶液配方和极板制作工艺存在很多的不同的处理方式，同一种类不同 批次之间的电池开路电压与s o c 之间的关系可能完全不同，无法对其建立精确的 表达式，仍然只能采用经验公式，在不同情况下存在误差。 3 、电池的制作工艺无法完全按设计要求实现，不仅不同批次生产的电池之间 性能差异比较明显，即使同一批次生产的电池相互之间也存在一定的差异，在实 际使用前也要经过分选。如果对这些电池套用同一模型进行计算，必然存在误差， 而且误差的范围无法估计。 目前国内实际应用的实时在线估算s o c 的方法大多采用以电流积分为主，加 上不同的电压修正的方式( 开路电压法、零负载电压法) ，但是测量精度还达不到 很好的效果。国外关于s o c 估算所申请的专利主要集中在日本，约6 7 项，其中 2 0 0 0 年7 项( 日本) ，2 0 0 1 年6 项，2 0 0 2 年8 项，2 0 0 3 年1 0 项，2 0 0 4 年1 2 项， 2 0 0 5 年1 l 项，2 0 0 6 年1 3 项。0 4 年以前的侧重点主要集中在纯电流积分或查表法， 即先通过大量试验测得各种数据( 包括s o c - - o c v 曲线，i v 曲线等) 并储存， 在测量电流电压的基础上查表算得s o c 。查表法进一步发展，在此基础上加上温 度、寿命损耗、