（电工理论与新技术专业论文）电动汽车电池监控系统设计.pdf

电动汽车电池监控系统设计 n o w a d a y s ，t h ee n e e g ya n dp o l l u t i o np r o b l 锄sg r a d u a l l yg r o 、i n 舀t l l ew o r l di s p a y i n gm o r ea t t e n t i o nt om ee l e 砌c a lv e h i c l e sb e c a u s eo ft h en op o l l u t i o na l l dl o w n o i s e a n d 血ew o r l di s 订y i n gt op u tf 0 ，a r d 血eg r e e p o w e rs a u r c e s ，a n da l s op a y a t t e n t i o nt ot h er e l a t e di n d u s t r ya so i l eo f t l l em o s ti 珥l p o r t a i 】_ ts y g t e mi nt h ee l e c t r i c a l v e l i c l e s b m s ( b a t t e r ym 删t o rs y s t e m ) b e c o m eai m p o n a 皿tr o l e f i r s t ，a n a l y z e 恤e 、o r kp r i n c i p l eo f 也ez i n cp o w e rb a t t e r ya n dt l l ec h a 唱i n g ，d i s c h a r g i n g 如t i l r emd “l ，s u p p l ym em a i nf a c t o ro f 恤b a t t e r y ss o c 粕dm e r c m 豳e n e 唱yv a l u eo f t l eb a t t e r y _ f r o md i 圩b r e n tw a y st os h o wt l l ea d v 龇l 诅g eo f t h e z i l l cp o w e rb a n e r y ，a l l dt h e b a t t e r ye m l u a t o rm o d e l i sf b u n d e d t h ee m l u a t o ri n o d e l i su s e dt oe m u l a t et l l ee v 叫l i l i n go n 恤m a d b y 也em a t l a b s i m u l i n k ，w eg e t t l l er e l a t i o nc u r v e sf b mb a t t e ：r ym o d e l a l s o ，m eb a n e r ym 洲t o rs y s t e mb a s e do nm ec a nb u si sd e s i g n e d ，w h i c hu s e t h c8 9 c 5 2 鹊恤em c u ，f m i s l l i n gm ea dc o n v e n i n gc i r c u i t ，c a nc o n t r o l l e rm o d u l e a i l ds i g n a lp m c e s s i n gc i r c u i t t l l i sh a r d w a r ep l a d b r r nc a nm e 嬲u r em ev o l 协g ea n d c u n n t b a s e do nt h eb a n e r ym t l l r e ，w ep m p o s eaf h s tm e m o dt oe s t i n l a t et h eh e a l m o f t l eb a n e 珥 t h ec o m m u l l i c a t i o ns y s t c mi sb a s e do nt h ec a nb u s ，a l s oi n c l u d i n g 也e c 咖m u n i c a t i o nb e t w e e nt 1 1 em c ua n dt l l ep c t h es o r w a r eo n 1 ep ci sd e s i g n e dt 0 r e c e i v e t l l ed a 诅f 如m t l l e m c ua n d 锄a l y z c t l l ed a t a i no r d e r t o t e l l t h eh e a l t h ys t a t eo f t 1 1 eb a n e r y - t h e n ，t l l ed c d cu s i n g 廿屺b o o s tc i r c u i td e s i g n e df o rt 1 1 ep o w e rs u p p l y ，w eu s et l l e p o w e fc h i pt l 4 9 7 k e y w o r d s ：e v 、b a n e f ym o n i t o rs y s t e m 、z i n cp o w e rb 咖 2 电动汽车电池监控系统设计 第一章绪论 1 1 电动汽车的发展 1 1 1 电动汽车的发展历史和现状1 】 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 是至少有一种动力源为车载电源， 全部或部分由电机驱动的汽车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池 汽车三种类型。面临石油能源紧缺和环境保护的压力，世界发达国家相继投入巨 资进行研究开发，并制定相关的政策法规来推动电动汽车的发展。与之同时，国 外著名汽车制造公司也都十分重视研究开发电动汽车。电动汽车的研究是从单独 依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，但是由于动力电池性能和价格还没有取得 重大突破，因此，纯电动汽车的发展至今尚未达到预期的目的。相对于传统内燃 机汽车，我国发展电动汽车具有与发达国家在较接近的研发水平上共同融入国际 化市场的十分重要的现实意义。 如果使用电动汽车，不仅可以为我们节省很多的一次能源，因为电力作为二 次能源，有可能采取多种方法通过二次开发获得；而且以一次能源的石油而言， 随着我国对石油需求量的增加，必然由于石油从国外进口，使我国承受外部压力 加大，所以开发电动汽车对我国的能源战略保障具有重要意义。 综上所述，无论是从我国自身的能源结构和可持续发展战略，还是从改善自 然环境出发都要求中国必须在电动汽车的研究、开发、生产和商品化方面取得突 出进展，形成产业发展的制高点，以保证我国经济的长远发展。因此，中国政府 十分重视电动汽车的研究开发，以8 6 3 计划的十大重点项目之一的电动汽车更进 一步被列入国家十五重大攻关项目，在北京“绿色”奥运之前我国计划投入数十 亿资金研发电动汽车。 目前，电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，其主要原因是动力电源( 电池) 的寿命短，使用成本高。另外电池的储能容量小，一次充电后行驶里程不理想， 电动车的价格也较贵等。但其发展前景随着科技的进步，电动汽车目前存在的问 题将会逐步得到解决，其价格和使用成本必然会降低，价廉物美的电动汽车行将 电动汽车电池监控系统设计 进入商业运行的发展进程。 在电动汽车的研究上，我国整体技术水平基本和国外在同一条起跑线上，差 距并不十分明显。可以说，电动车在我国具有良好的发展前景。 1 1 2 电动汽车关键技术及问题 2 1 在电动汽车工业逐步走向成熟的过程中，许多问题得到了解决。但同时，又 积聚了许多尚待解决的问题。这些问题直接影响到电动汽车的工作性能和运行与 使用上的舒适性。 至今，制约电动汽车的诸多关键技术还没有突破性发展，集中表现在续行里 程和性能价格比上与燃油汽车尚有很大差距。下面展述其相关的各项关键技术： 1 、电池与充电技术 目前在动力源的功率密度和能量密度上，动力电池还远远落后于燃油汽车中 对应的内燃机，这是制约电动汽车研究的首要技术难题，也是电动汽车市场化的 关键所在。应指出，当前可用的充电电池中尚没有一种可以完全满足电动汽车在 能源技术上的需求。 2 、发动机与控制技术 电动机是电动汽车的动力来源，其重要性仅次于电池。它将电能转变为机械 能，通过传动系统将运动传递到车轮，克服空气阻力、滚动摩擦阻力和加速阻力 而前进。其中电动机的控制技术决定了电机的实际运行和整车的运行性能。 3 、电源管理与控制技术 由于电池系统的复杂性必须进行各种管理调度：包括充放电控制与管理；容 量检测；电池组管理( 电池组电压电流检测、容量平衡、电池系统故障定位等) ； 再生制动能量的回收控制和再分配等。显然，高水平的能量利用，就必须实时地 监测电池系统内以及主电源与辅助电源之间的能量转移，能够平滑瞬间电流冲 击，自主检测与显示各电源系统的剩余电量、门限预警( 充放电电压与电流、充 放电终止条件、剩余容量告警等) 、驾驶剩余里程显示等。应指出，在这些方面 的开发研究起始时间还很短。 4 、电动汽车的底盘和车身技术 由于电动汽车还远没有达到市场化，所以专门针对电动汽车整车布局和整车 电动汽车电池监控系统设计 性能优化的研究甚少。 5 、电动汽车整体状态监测和诊断技术 对上述电动汽车的电池子系统、电力驱动子系统和电源管理子系统进行状态 监测、维护和修理。 在众多的电动汽车研发的关键技术中，首推动力电池及其管理的关键技术， 因为这涉及电动汽车的续驶里程、加速、爬坡等动态运行行能，以及能量的高转 换效率等，而在实现这些关键的技术性能指标时，动力电池管理系统的重要性必 然凸现，正如美国爱达华国家实验室的布尔克( a f b u r k e ) 这样写道：“只有在研 究开发出能够精确测量电池温度和寿命变化及其影响的方法之后，才能将任何蓄 电池放心地用于电动汽车上。到目前为止，所测试过的电池管理系统都不能精确 地测量电池的充电与放电情况，不能控制电池的循环寿命。近几年来，( 尽管) 电 动汽车电池能量管理系统的研究取得了相当大的进展，但是一一这些系统一一都 不够可靠。” 1 2 电动汽车的动力电池组管理 1 2 1 电池管理系统的研究对象 电池管理系统( b m s j b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 的研究对象是电动汽车的 电池监控子系统，包括主要的驱动电池组、次要的辅助系统电源、充放电子系统 和再生能量回收子系统等。 1 2 2 电池管理系统的研究现状以及意义 目前电动汽车在电池管理系统的构成上还处于零散，尚未达到集成系统的状 态。显然，取决于不同类型的电池、不同运行工况等复杂情况，电池的外特性通 常表现出强烈的非线性和非平稳性特征。而这也就决定了电池管理系统研发的技 术内涵的深广度和所面临的关键研究点的研究工作的高难度。 电池实际可供出的电量受电池类型、环境温度、负载电流和放电模式等因素 共同控制。负载电流越小，放电越平稳，电池实际可供出的容量就越接近于理论 电动汽车电池监控系统设计 容量。在电量预测的关键技术上，基于传统的电池平稳放电试验，工程上已总结 出了相关的经验公式，例如，反映平稳放电状态下放电电流和实际容量关系的 p e u k e r t 公式：p 4 a = 世。式中，i 是放电电流；c i 是在电流i 工况下的可放 出容量；k 是与电池类型相关的常量；n 是p e u k e r t 经验公式的拟合参数，其值 取决于不同的电池类型。 同样，国外在电池监测方面已经做了很多工作，通常电动汽车用动力电池的 放电电流在电动汽车频繁起停、加减速工况下，其峰值电流变化相当大。因此， 宏观工况变化多端，脉动幅度很大，而微观电流工况更是变化频繁，电流交变频 率一般都在数十千赫兹。所以，动力电池的负载电流大小和变动都难以预料，相 应的伏安特性表现出强烈的非平稳性和非线性，而这直接关联到电池的可靠性与 寿命。 电动汽车中电池的监控管理作为其中一个子系统，但是它能否安全可靠地工 作是其它子系统安全工作的保证。对电池的监控，当能即时发现电池容量不匹配， 进行单体电池之间的容量平衡；对电池故障判断，应即时剔除性能降低的电池和 坏电池，以延长电池组的使用寿命。所以这个子系统是电动汽车中必不可少的组 成部分。 1 2 3 电池检测设备的必要性 电池工业的迅速发展，对电池产业化批量生产的能力，以及电池的产品质量 提出了更高的要求，特别是受到国际大环境的影响，各国问的经济往来以及日趋 激烈市场竞争，把电池的检测提到了一个极其重要的地位。电池质量的好坏直接 关系到电池厂商的信誉和消费者的切身利益。 十分明显，一方面电池检测设备是保证电池质量的必不可少的工具，有了可 靠、准确、先进的检测设备，电池厂商就可以在电池出厂前对电池的电压、电流、 容量等参数进行检测，并由此判断其质量的好坏，分析其工艺问题和查找影响质 量等原因。到目前为止，电池检测已成为电池生产过程中不可缺少的一个重要环 节。因此，电池检测设备对电池行业的发展至关重要。另一方面，对于车载动力 电池组检测的准确性，直接关系到电动汽车的安全性。各类动力电池组成的车载 电池组由其单元电池通过串并联组成，一旦电池组中某单元电池的电量先于其它 电动汽车电池监控系统设计 的电池放完，则整个电池组都将处于电量己放完状态。否则，如果继续使用该电 池组，则已放完电量的电池在不切换排除的情况下，等价于开路，会影响它所在 的并联回路的电流输出。这说明电池组中的电池需要具有同样的特性，相同的电 量，而这些都需要以检测设备的正确检测为依据。 1 2 4 电池检测设备的发展趋势 随着电池产业的快速发展，由于生产规模不断扩大和新型电池不断涌现等原 因，同时，兼顾应用于e v 的电池检测设备在实时性、多功能和智能化等方面的 实际需要，决定了如下电池检测设备今后的发展趋势： 1 高可靠性、高精度的快速检测，以求在较短的时间内，实时地检测电 池状态，保证电池组的优化运行，寿命估测和维护。 2 规模化的检测能力，即一台设备能同时检测的电池数量要多，以适应 电池大规模生产的需要； 3 多功能的检测能力，如通过提高对电池，以及应用于e v 的大数量串 并联单元电池检测的需要；检测过程设置的灵活性，对检测数据查看 方式的多样性等技术性能指标的要求，以满足不同用户或不同电池类 型应用的实际需要； 4 多参数检测功能，除电压、电流以外，应还能同时检测电池的内阻( 交 流和直流) 、内压，甚至温度等参数： 5 检测范围宽，电池夹具灵活，以满足不同类型电池、不同规格、不同 结构尺寸电池检测的需要。 6 自动化、智能化检测的能力，以提高电池检测效率，尤其是满足应用 于e v 的技术成果的特殊要求。 1 3 本课题的主要研究工作 基于上述应用于电动汽车的电池管理系统的特点，以及日趋发展的电池管理 技术，本课题着眼于电池管理系统的应用需求，对电动汽车电池管理系统进行了 系统深入的研究。具体的研究工作内容为 9 电动汽车电池监控系统设计 l 、首先，对本课题的研究对象一锌空气燃料电池的电量特性进行了深入的 研究，介绍了锌空气燃料电池的原理及其构造。同时，本文在m a t l a b s i m u l i n k 环境下设计了电池模型，并模拟电动汽车运行工况，对电池模型进行了相应测试， 以获得电池在运行中参数变化曲线。 2 、应用于电动汽车的电池监控管理系统的核心关键技术是在线监控和在线 控制。本文构造的电池管理系统是电动汽车电系统中的一个关键子系统，系统的 通讯基于c a n 总线方式。其中，电池组状态监测的关键是充放电容量的检测和剩 余容量预报，电池组性能监测和寿命预报，电池故障判断和定位。 3 、在电池监控系统开发过程中，本文设计了c a n 通讯接口电路和人机界面。 并根据在p c 上在线调试，且把实验过程中的数据在p c 中进行分析的技术路线， 本文采用v c 设计p c 中窗口，进而由v c 调用m a t l a b 的e n g i n e 来进行数据分析。 4 、由于电池组为电动汽车中唯一的动力源，所以其它电子设备的电源供应 都来自于电池，包括电池监控系统自身的电源。为此，本文设计了基于电源芯片 t l 4 9 7 的d c d c 电路。 1 0 电动汽车电池监控系统设计 第二章锌空气燃料电池电量预测技术研究 2 1 锌空气燃料电池的特性及优点 目前，可应用于电动汽车和混合动力汽车的电池主要有铅酸电池、镉一镍电 池、金属氧化物一镍电池( 删一n i ) 、锂离子电池和锌空气电池等。 铅酸电池是1 8 5 9 年由普兰特发明的二次电池，其成本价格低廉，原料易得， 使用可靠，但比能量仅为3 5 1 】| h k g ，循环寿命约4 0 0 次，对e v 而言，其一次充 电行程不到1 6 0 公里。为此，人们一直探索着如何改进铅酸电池的性能，开发能 量效率更高、稳定性更好，电荷容量更大的新电池。 镍氢电池是比较看好的一类电池。镍氢电池的生产过程存在着烧结体和发泡 体两种不同的技术。一般的生产厂都经历了一个从发泡体向烧结体技术发展的过 程。以烧结体技术对镍氢电池正板进行处理，电池的内电阻会大幅度减少，具有 放电电压稳定和能进行大电流放电的特性。镍氢电池现已得到广泛应用，但由于 其存在着高温使用时电荷量急剧下降等缺点，所以并非是一种理想电池。 锂离子电池是上世纪九十年代初问世的一种以l i 嵌入化合物为正负极材 料的新型二次电池。作为一种崭新的高能小型电源，锂离子二次电池一上市就立 刻引起了世界各国的重视，迅速成为移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备和 可移动电器的主要电源，并正在逐步取代传统的铅酸、镍镉、镍氢二次电池。据 报道，现一般的锂离子电池比能量为1 0 0 w h 瓜g ，比功率高达1 5 0 0 w 他g 。 然而，在开发锂电池过程中。注意到锂电池处于过充电状态时，钴系锂电池 要将正极材料氧化锂分解成强还原剂氧化钴，会使锂在极板上形成树枝状的针尖 形物质。此树枝状针尖形物质极易刺穿正极板间厚度仅数微米的隔离膜而造成短 路。导致强还原剂和强氧化剂发生化学反应，从而急剧释放出大量能量，引起电 池爆炸和引发火灾。为此，人们不但在电池制作工艺上力图改进，而且对其充电 设备也加装了电池保护电路模块。 就多种应用于e v 的动力电池组而言，本课题根据多年研发工作的积累，已 确认动力电池组应聚焦于锌空气燃料电池组。现概括锌空气燃料电池的特性及其 优点如下： 电动汽车电池监控系统设计 1 、锌空气燃料电池的充电模式，突破了普通蓄电池的常规充电模式，具有 无重复“充电”使用带来折损的特点。采用机械式更换电池的锌板或锌粒的“充 电”模式，整体更换锌空气燃料电池的活性物质，即将整个锌空气燃料电池进行 更换，操作简明，不再需要为时很长充电过程。实践证明，更换电能量为2 0 k w h 的锌空气燃料电池组只需要1 分4 0 秒的时间。这样就可以设置像传统内燃机汽 车的加油站那样的换电站，在电池需要“充电”时，到换电站去“充电”。快速 的机械式的充电方式根本无需常规充电的等待时间。 2 、锌空气燃料电池中的电化学反应，其中，锌要与空气中氧气发生作用， 若阻隔空气进入锌空气燃料电池，即可使锌空气燃料电池的电化学反应无法进 行，从而可以使锌长时期保持其活性。因此在实际使用时，通过成品锌空气燃料 电池的空气管理的特定措施，可使其自放电率很低，接近于零，从而具有长期保 持电能的能力。 3 、锌空气燃料电池在理论上其比能量可达1 3 5 0 w h k g ，目前的锌空气燃料 电池的实际比能量只达到1 8 0 2 3 0 w h ，l 【g ，但已是铅酸电池的4 3 5 5 5 倍。能量 密度达2 3 0 w 1 1 i ，也是铅酸电池的2 3 倍。由此可见，锌空气燃料电池大容量 和高能量密度的特性能使电动汽车具有更长的续驶里程。 4 、在生产工艺保证的前提下，成组的锌空气燃料电池具有良好的一致性， 没有其他类型电池的充电和放电的不均匀现象。实践证明，电池的容量不受温度 的影响，允许深度放电。能在2 0 8 0 的温度范围内正常工作。 5 、锌空气电池具有较高的安全性。能够有效地防止因泄漏、短路等原因而 引起的起火或爆炸。锌没有腐蚀作用，对人体不会造成伤害和危险。 6 、锌的来源丰富，生产成本较低；回收再生方便，且成本较低，可以建立 废电池回收再生工厂；锌在循环使用过程中，也不会污染环境。 2 2 锌空气燃料电池原理及构造 锌空气燃料电池是以活性物质锌作为正极，以空气中的氧作为负极的电池。 在原理上等同于锌一固体燃料在“燃烧”，从此意义上理解也可称其为燃料电池。 负极活性物质氧直接来源于空气，不受电池体积大小的影响，电池的体积只取决 电动汽车电池监控系统设计 于正极材料的大小。因此，其体积比能量和功率相当高。 锌空气燃料电池的发明已经有上百年的历史，1 9 9 5 年以色列电燃料 ( e 1 e c t r i cf u e l ) 有限公司首次将锌空气燃料电池用于e v 上，意味着锌空气燃 料电池开始进入实用化阶段。相继地美国d r e i s b a c ke l e c t r o o t i v e 公司以及德 国、法国、瑞典、荷兰、芬兰、西班牙和南非等多个国家也都在e v 上积极地推 广应用锌空气燃料电池。 如上所述，锌空气燃料电池在电动车中的应用开发始于上世纪9 0 年代。当 时，西方国家开始注意环境污染给人类带来的危害，纷纷致力于零污染电动车辆 的研究。因此，锌空气燃料电池便以其高能量密度( 商品化的锌空气燃料电池一 般在1 8 0 w h ，l ( g 以上，分别约为铅酸电池和锂离子电池的5 倍和2 倍) ，零污染 和可再生等特性引起了人们的极大兴趣。 世界各地从事动力锌空气燃料电池开发的机构很多，主要有美国的e v i o n y x 公司、m e t a l l i cp o w e r 公司、劳伦斯利费莫尔国立实验室、以色列e e l 公司以及 德国的z o x y 公司等。目前，动力用锌空气燃料电池基本采用的是机械式充电 的方式；另一种设计是将锌制成锌粒，不断流入电液内反应而产生电能，充电时 在车库内补充锌粒和电解液即可。 现在，应用于各种e v 中的锌空气燃料电池其一次充电后的续驶里程可达到 3 0 卜4 0 0 l ( i n ，而且启动快捷，充电方便。许多发达国家在邮政车辆、公交车辆上 已有应用。存在的技术问题还是电池的输出功率不高，为此在一些应用成果中采 用其他方法增强电池( 如装置飞轮、超级电容器或其他二次电池) 的峰值动力。 我国应用于e v 的锌空气燃料动力电池刚研发成功，尚未进入产业化。 2 2 1 锌空气燃料电池原理 锌空气燃料电池以锌( z n ) 为正极；氧为负极；氢氧化钾( k o h ) 为电解质。 锌空气燃料电池的化学反应与普通碱性电池类似，其基本工作原理为电池正极上 的锌与电解液中的0 h 一发生电化学反应( 负极反应) ，释放出电子。同时，g d e ( 气 体扩散电极或空气负极) 反应层中的催化剂与电解液及经由扩散作用进入电池的 空气中的氧气相接触，吸收电子，发生电化学反应( 正极反应) 。锌空气燃料电池 正极的锌板或锌粒，在放电过程中，被氧化成氧化锌而失效，故一般采用直接更 电动汽车电池监控系统设计 换锌板或锌粒和电解质的办法，使锌空气燃料电池完全更新。 其基本的的化学反应方程式如下： 阳极反应式： z n + 4 0 h 号z n ( o h ) 4 + 2 e z n ( o h ) 4 + = z n 0 + 2 0 阿+ h 2 0 阴极反应式： 2 z n + o ，= 2 z n o o ，+ 2 h ，o + 4 e ；4 0 r 其原理的示意图示于图2 2 1 。 图2 2 2 锌空气燃料电池的充电模式 j 4 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 电动汽车电池监控系统设计 2 2 2 锌空气燃料电池构造 在单体电池中，以锌为正极，氧为负极，采用外氧式设计。在锌空气燃料电 池两侧有两块高功率、长寿命的空气电极。成品的锌空气燃料电池由一组单体电 池串联而成，车载锌空气燃料动力电池组还包括空气流通保障系统和电池组热管 理系统两个子系统，以确保动力电池组能够长期、稳定地运转。空气流通保障系 统调节进入锌空气燃料电池负极的空气量。从电池的反应原理中可以得知，电池 释放能量与空气的流动性有很大的关系。如不使用电池时，可以隔断空气，以有 效地保存电池的能量。热管理系统保证锌空气燃料电池组能够可靠地工作。采用 更换锌空气燃料电池中的锌板或锌粒和电解质的“机械式”充电模式，既方便又 快捷，只需3 分钟即可完成“充电”全过程。更换下来的氧化锌在专门的工厂进 行回收处理，以实现锌的再生循环，如图2 2 2 所示。 空气是无形的，不能直接构成电板，需要利用多孔的石墨作为负极。空气中 的氧要溶解到电解液中，随后为石墨吸附。正极锌与吸附的氧产生电化学反应， 产生电流。锌不问断地氧化，并释放出电流。只要有锌和空气，就能进行锌氧化 “燃烧”。从理论上讲，石墨电极不损耗，仅参与反应，因此可不必更换。锌要 随所提供电能的增加而减少，直至耗尽。此时要换装新的锌电极。从正电板看， 锌空气电池是一个完整的电池，而对于负极来说，其充其量只是个能量转换器。 2 3 基于m a t “妞临硼矾k 的电池模型仿真研究 2 3 1 电池仿真模型 电池作为电动汽车和混合动力车辆的重要储能部件。近年来，随着电动汽车 仿真研究的深入，电动汽车和混合动力车电池仿真模型不断出现。比较有代表性 的是如下的内阻模型( r i n t ) 和阻容模型( r c ) 等。 l 、 阻容模型 阻容模型由s a f e 2 一c a p 模型演化而来。在阻容模型中，电池的等效电路是一 个由三个电阻和两个电容组成的电路。其状态方程如下： 电动汽车电池监控系统设计 阱 c b ( r e + ) c b ( r c + r c ) 一11 c c ( 他+ & ) c c ( i 乙+ ) 附 一r k c h ( k + ) 一k c c ( 凡+ ) 【i s ( 2 3 1 ) 【v c 】= 高高糊+ 卜意高 【l 】 s 其中，v c b ，v o 。分别表示c b 和c 。的端电压；i 。表示电流；v 。表示输出电压；民、 、r 表示图2 3 1 中对应的电阻；c b 、c c 表示图2 3 1 中对应的电容。由方程 可知，阻容模型是一个二阶模型，包含两个不能直接测量的状态量：c b 和c 。的 电量，它们即使在实验室条件下，也不能直接得到。该模型状态观测器设计困难， 因而，不便为控制策略所采用。 圈2 3 1r c 电池模型 2 、 内阻模型 在电动汽车仿真研究中，最常见的电池模型就是内阻模型( r i n t ) 。内阻模型 将电池看成一个由理想电压源串联一个内阻而组成的等效电路，如图2 3 2 所 示。在内阻模型中将开环电压视为荷电状态和温度的函数，而将内阻视为电流和 温度的函数。从而，内阻模型中各相关量如下： e = e ( s o c ，t )( 2 3 3 ) r = r ( i ，t )( 2 3 4 ) v o c - e - 瓜 ( 2 3 5 ) s o c ：掌 ( 23 6 ) q 。 其中：卜开环电压：v 端电压；s o c 荷电状态； 电动汽车电池监控系统设计 i 电流；r 电阻；卜额定电量 _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ - - - _ 奎 一 v o l t 肚一” - 图2 3 2 电池的内阻模型 2 3 2 锌空气燃料电池模型的建立 本文研究的锌空气燃料电池是博信( 上海) 公司开发的d o f c l 0 1 2 1 1 0 7 0 ( 1 2 v 7 0 a j l ) 型号电池，该类型电池指标如下： 标准电压( v ) ：1 2 开路电压( v ) ：1 5 工作电压( v ) ：9 1 4 能量容量：8 4 0 w h 安时容量( c 5 放电倍率) ( a h ) ： 7 0 能量容量( c 5 放电倍率) ( w h ) ： 8 4 0 比能量( c 5 放电倍率) ( w h 瓜g ) ： 1 8 0 比功率( 额定) ( w 爪g ) ： 1 3 9 能量密度( c 5 放电倍率) ( w m ) ： 2 2 2 功率密度( 额定) ( w ，1 ) ：1 7 2 寿命： 8 5 0 0 0 k m 1 7 电动汽车电池监控系统设计 d q f c 一2 4 一l 明。单体电池卜i 曲线 o2 0柚l i i 柏 电藏 ) 图2 3 3 锌空电池典型的电压电流曲线 图2 3 4 实测在不同荷电状态下的伏安特性曲线 由前已知，建立电池的内阻模型需给出在不同s o c ( s t a t eo fc h a n g e ) 下 的内阻r 和开环电压e ，因此需要对充放电曲线在相同电量下的电压、电流关系 进行直线拟合。 由电压和电流的关系：v = e i r 可知，端电压和电流在同一s o c 下近乎呈线性 关系，如图2 3 3 所示，按分别在不同s o c 下得到的伏安曲线( 图2 3 4 ) ，由 相应直线与纵轴的交点得出开环电压e ，该直线段负斜率的负数即为内阻r 。 本文在仿真研究中还引入基本假设：把电动汽车中的电池看作根据功率需求 与当前s o c 输出可用功率、电压和电流的黑箱，且假设输出量仅与s o c 和需求功 率有关，暂且不考虑温度，并假设电池的电流特性是绝对可重复的。 由此可知，在仿真模块中，需要建立一个三维表，由s 0 c 、u 、i 组成。在一 定的s 0 c 下，通过电压和电流的关系曲线给出输出的功率关系。 s o c 算法是由电流积分获得输出电量，然后根据电量得到s o c 。 电动汽车电池监控系统设计 功率损耗通过能量守恒来计算，即在同样的s 0 c 下，电池储存了相同的能量， 而由能量守恒定律可知，储能量的变化与实际做功之间的差值就是能量损耗，能 量损耗的微分即为功率损耗。 本文在s i m u l i n k 环境下建立了电池能量储存的仿真模型( 图2 3 5 ) 。该能 量储存模型的核心模块是电池的内阻模型( 图2 3 6 ) ，由内阻模型获得电池的 开路电压和内阻；另一个核心模型是s o c 算法，如图2 3 7 所示。 图2 3 5 电池能量储存模型 1 9 电动汽车电池监控系统设计 图2 3 6 电池内阻模型 s 。日x 龋c 婶a 啦r 舳u 蜊，m 瓠舳p a 图 2 3 7s o c 算法图 根据电池能量储存模型分别在不同的恒流放电条件下获得电池电压与电池 剩余容量之间的关系如图2 3 8 、图2 3 9 、图2 3 1 0 和图2 3 1 1 所示。在仿 真研究中对仿真结果进行了三阶方程的逼近处理。所得仿真结果的变化曲线与图 2 3 4 实测所得数据之间的比较也示于图中。 2 0 电动汽车电池监控系统设计 图2 3 8 电池电压与剩余容量图( i = 6 0 a 恒流放电) 图2 3 9 电池电压与剩余容量图( i = 4 0 a 恒流放电) 2 1 一 v 坦铆 ) 日诬 电动汽车电池监控系统设计 s v 垲 脚 芎 髻 图2 3 1 0 电池电压与剩余容量图( i = 2 0 a 恒流放电) 剩余容量( s o c ) 图2 3 1 l 电池电压与剩余容量图( i = 1 0 a 恒流放电) 从以上各图可以看出，本文所建立的锌空气燃料电池的仿真模型可以工程分 析所需精度模拟电池在不同放电电流下电池电压与剩余容量间的内在规律性。同 电动汽车电池监控系统设计 时，通过三阶曲线方程逼近所得解析函数，可以作为判断电池剩余容量的依据。 2 3 - 3 基于a d v l s o r 的集成仿真 a d v i s 0 r ( a d v a n c e dv e h i c l es i 叫1 a t o r ，高级车辆仿真器) 是由美国可再 生能源实验室( n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y ) 在m a t l a b 和s i m u l i n k 软件环境下开发的仿真软件。该软件专用于电动汽车仿真研究，包括对电池模型 的仿真研究。 a d v i s o r 能对所建电池模型进行e v 行驶工况的仿真模拟测试，仿真结果包 括经济性、动力性、能量使用情况，以及各系统的工作状态和性能评价等。 a d v i s o r 中电池模型的任务是根据e v 运行工况的需求功率，计算出电池的 电流和电压，同时给出可供的功率。 a d v i s o r 是一个基于反馈式组件建模的仿真系统如图2 3 1 2 ( a ) 所示。组 件接受前一组件的功率请求和后一组件的可供功率，计算反馈给前一组件的可供 功率和向下一组件提出功率需求。从而由工况和测试过程向整车提出功率要求。 图2 3 1 2 ( b ) 是a d v i s o r 的动态模拟画面。 ( a ) a d v i s o r 计算流程图 电动汽车电池监控系统设计 ( b ) 动态模拟四面 图2 3 1 2 为给出锌空气燃料电池在不同运行工况下其电量、电压和电流变化的规律 性，本文运用所构造的锌空气燃料电池的模型在a d v i s o r 中实施仿真研究。为此， 参照典型e v 的设计数据，设定相关参数如下：异步电机：3 0 k w ；峰值效率：8 6 ； 风阻系数：c d = o 2 ；滚动阻力系数：c f o 0 0 5 ：变速箱：手动5 挡；额定电池电压： 4 1 2 v ；整车质量：9 8 3 k g 。 运行工况则采用a d v i s o r 自带的c y c u d d s 城市道路运行工况的功能系统， 选择进行两个循环，总距离1 5 公里，最大运行速度5 6 7 m p h ( m i l e sp e rh o u r ) ， 平均运行速度1 9 5 8 m p h ，运行环境温度2 0 0 c 。图中横坐标的单位为秒。 图2 3 1 4 一图2 3 1 8 分别给出了在图2 3 1 3 所给定的城市道路运行工况 下电池容量变化、电池输出电流、电池输出电压、电池能量损耗和电池放电能量 转换效率的仿真模拟结果。 电动汽车电池监控系统设计 图2 3 1 3 城市道路运行工况图 图2 3 1 4 电池容量变化图 图2 3 1 5 电池输出电流图 图2 3 1 6 电池输出电压图 电动汽车电池监控系统设计 麓 置 描 夹 j 图2 3 1 7 电池能量损耗图 图2 3 1 8 电池放电能量转换效率图 图2 3 1 9 一图2 3 2 4 分别给出了在加速运行工况下电池电量、电压和电流 变化的仿真结果( 横坐标为秒) 。设置的车辆模型同前，比较了模型从o 一4 0 1 1 1 p h 完成加速和从o l o m p h 完成加速的两种工况，其中加速度为4 m s 2 ，电池容量 s o c = 0 7 。 图2 3 1 9 加速试验电量曲线( 4 0 叩h )图2 3 2 0 加速试验电量曲线( 1 0 m p h ) 电动汽车电池监控系统设计 奄聪- 置 ( v ，瑚，j 斑 - t 穰卜 专1 言哼1 卜 圈2 3 2 1 加速试验电压曲线( 4 0 l n p h ) 宅棵“ j 蓬 ； y ) 蛾弘 黪l ； ! 堪 卜卜扩玄_ 尹刊 图2 3 2 2 加速试验电压曲线( 1 0 m p h ) 图2 3 2 3 加速试验电流曲线( 4 0 m p h ) 图2 3 2 4 加速试验电流曲线( 1 0 m p h ) 由图可以看出，电动汽车加速试验稳定在4 0 m p h 时电流i = 5 0 a ；电压u = 4 0 7 v ， 此时可供功率p = u i = 2 0 3 k w ；而当电动汽车加速试验稳定在1 0 m p h 时电流i = 4 a ； 电压u = 4 1 3 4 v ；此时可供功率：p = u i = 1 6 k w 。 综上所述，电动汽车在启动和加速运行时对电池的影响最大，电池特性太软 必然影响电机正常工作，所以一般设计时都要考虑电池组电压裕量。 2 4 本章小结 在本章中对锌空气燃料电池的原理和特性作了介绍。根据电池的性能参数， 在基于m a t l a b s i 删l i n k 环境下设计了锌空气燃料电池的模型，且与实测结果进 行了比较。分析表明，该电池模型符合工程分析的需求，有令人满意的计算精度。 进而本文运用这一电池模型在a d v i s o r 软件平台上对电动汽车分别在城市道路 运行工况下和加速运行工况下进行了运行测试，给出了电池的运行参数。并比较 了电动汽车在加速到不同速度时的电压、电流变化曲线。综合所得仿真结果可为 e v 电池监控系统提供所需设计基础，并作为工程分析应用的借鉴与判断。 电动汽车电池监控系统设计 第三章电池组在线监控系统的设计 3 1c a n 总线介绍 c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达l m b p s 。c a n 总 线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据 的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 可实现点对点、点对多点、全局广播等几种传输方式。c a n 总线具有c r c ( c v c l i c r e d l l l l d a l l c yc h e c k ，循环冗余校验) 检验及其它检验方式，具有自动重发功能。总 之，c a n 总线具有实时性强、抗干扰能力强、结构简单、应用方便、价格低廉等 特点，在现场总线中有一定的优势。 e v 应用c a n 总线的系统示意图，如图3 1 1 所示。 图3 1 1c a n 总线系统示意图 3 2 电池组监控方案制定 当前，在国内外电动车能量管理系统的研究中，判断电池荷电状态采用的方 案主要是安时法，并在考虑电池温度、放电条件等因素后，通过补偿来提高剩余 电量的预测精度。下面首先介绍几种现行的剩余容量预测的方法。 清华大学研制的电动自行车智能控制器，用p h i l i p s 的8 x c 7 5 2 微处理器为 电动汽车电池监控系统设计 主控制单元，电池荷电状态的判断采用开路电压法、负载电压法和安时法三种方 法相结合。在放电前用开路电压法判断剩余容量，在放电开始后的几分钟内用负 载电压法校正结果，在电池放电后期则用安时法来预测剩余容量。 日本c h u g o k ue 1 e t r i cp 0 w e rc o i n c 技术研究中心开发的铅酸电池充电状 态指示器。它将安时法和内阻法相结合，当充电状态在1 0 0 到2 0 时使用电流积 分法；当充电状态在2 0 到o 时，使用内阻法，以考虑该充电状态，内阻变化较 为明显的特征。其误差率在l o 以内。 牵书国s a s u n ga d v a n c e d 工n s t i t u d eo ft e c h n o l o g yc o r er e s e a r c hc e n t e r a t u o m o t i v ee l e c t r o n i c e sl a b 开发的s o c 指示器。它采用了p e u k e r t 方程和安 时法。该指示器以p e u k e r t 方程作为解决电池变化负载问题的关键，为提高精度， 分段使用了多个p e u k e r t 方程。其方法如下： 勘一m ，。v 耐= f 如) d f c ：k j 一 ( 3 2 1 ) m 一似打一c = c j ，刖 ，= l s d c = n 一一厅，口， o v p d 一v 口甜c ) + 1 0 0 上述方法一定程度上考虑了电池恢复效应，误差在5 以内。 香港大学电机系研制的智能电池管理系统，该系统中s o c 指示器采用的方 法与上述韩国的方法基本类似，并在系统中考虑了温度和老化因素对电池容量的 影响。在实例测试中，其误差在3 。 目前，国内外较为普遍地采用电池荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ) 来描述电池 容量状态，利用电池健康状态( s 诅t eo f h e a l t l l ) 来描述电池工作性能。 s o c 是描述蓄电池荷电状态的一个重要参数，通常把一定温度下蓄电池充电 到不能再吸收电量时的荷电状态( s o c ) 定义为荷电状态s o c = 1 0 0 ，而将蓄电 池再不能放出电量时的荷电状态定义为荷电状态s o c = 0 。 定义荷电状态参数s 。= ( q c c i ) $ 1 0 0 9 6 。式中q 。为电池剩余的容量；c 1 为 电池以恒定电流i 放出时所具有的容量。如果用已放出的电量q 来计算荷电状态 参数s 。则定义可表示为s 。= ( 1 q c i ) 1 0 0 。显然，s 。c - 1 表示电池为充 满电时的状态；s 。= 0 则表示电池已处于全放电状态【4 l 。 在变电流放电工况下，以上定义虽然考虑了各个阶段放电电流的不同情况， 电动汽车电池监控系统设计 但将表示不同恒流放电过程的s o c 值算术相加是没有意义的。 s 0 c 作为一项重要的指标能反映电池的工作性能，但还不能完全规划电动汽 车电池的工作状态。 随着电池寿命以及工作环境因素的变化，s 0 c 只能反映电池的电量状态，它 不能很好地反映电池性能的好坏。为了完成对电池工作性能的正确诊断，对于计 算电池放出能量的能力