（车辆工程专业论文）电动汽车锂电池管理系统.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着电动汽车的快速发展，它的能量源一动力电池组，成了电动汽车 发展的瓶颈。电池管理系统是关系到电动汽车实用化、市场化的关键技术 之一，而作为能量管理系统重要组成部分的电池剩余容量预测的研究对电 动汽车的实用化、商品化起着重要作用，因此研究电池管理技术及系统具 有十分重大的意义。本文描述了与纯电动汽车配套的锂离子电池管理系统 的设计与实现。 首先在大量充放电试验和随车试验数据采集的基础上，详细分析了锂 离子电池的工作原理和充放电特性，针对动力电池的状态特点，提出了安 时法、动态电压法和卡尔曼滤波法相结合的方法来预测锂离子电池的剩余 电量( s o c ) 。 其次，本文对电池管理系统的硬件设计进行了详细讲述，包括检测板、 主控板、通信模块三大部分。在软件实现方面，在介绍了开发环境后，着 重讲述了重要模块程序的设计。在抗干扰方面，使用了硬件抗干扰与软件 抗干扰相结合得方法。 最后，在电动汽车上搭建实验平台，将磷酸铁锂电池组与设计的软硬 件系统进行联合调试、试验，测得了相关数据。试验结果表明，本文介绍的 电池管理系统可靠、抗干扰能力强。可以实现：电池电压、电流、温度等模 拟量的采集；剩余电量的计算和电池状态的判断；实时显示，故障时报警 等相关功能。 关键词：电动汽车，电池管理系统，s o c ，c a n 总线 江苏大学硕士学位论文 a b s t ra c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s ，i t se n e r g ys o u r c e - p o w e r b a t t e r yh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c ki n t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mi s o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u te l e c t r i c v e h i c l e sp r a c t i c a l ，m a r k e t - o r i e n t e d a s a l l i m p o r t a n tc o m p o n e n to fe n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m , t h eb a t t e r yr e m a i n i n gc a p a c i t yp r e d i c t i o n o ne l e c t r i c v e h i c l e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h ev e h i c l e sc o m m e r c i a l i z a t i o n ，s ot h e r e s e a r c h b a t t e r ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e s a n d s y s t e m s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e t h e r e f o r e ，b a t t e r ym a n a g e m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c hm a k e sg r e a t s i g n i f i c a n c e f i r s t ，b a s e do nal a r g en u m b e ro fc h a r g e d i s c h a r g et e s t sa n dt e s t d a t a c o l l e c t i o n ，t h el i t h i u m - i o nb a t t e r yw o r k sa n dc h a r g e - d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s h a v eb e e nd e t a i l e da n a l y z e d 处血n ga tt h es t a t eo ft h eb a t t e r yf o rt h ep o w e r c h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rp r o p o s e da ni n t e g r a t e dm e t h o do fa l l ，d y n a m i c v o l t a g el a wa n dt h e c o m b i n a t i o no fk a l m a nf i l t e rm e t h o d st o p r e d i c tt h e r e m a i n i n gc a p a c i t yl i t h i u m - i o nb a t t e r y ( s o c ) s e c o n d ，i nt h i sp a p e r , b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mh a r d w a r ed e s i g nw a s d e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n g t h et e s t h o a r d ，m a i nc o n t r o lb o a r d ，a n d c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h r e ep a r t s a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，t h es o f t w a r ec o n t e x th i g h l i g h t e da ni m p o r t a n tm o d u l ep r o g r a m d e s i g n i n t h ei n t e r f e r e n c e ，t h e p a p e r u s e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n t i - j a m m i n gd e s i g no f i n t e r f e r e n c ec o m b i n a t i o n f i n a l l y ，l i t h i u mi r o nb a t t e r yp a c kw i t ht h ej o i n td e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r es y s t e md e b u ga n dt e s to ne l e c t r i cv e h i c l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i n t r o d u c t i o no ft h e b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m i s r e l i a b l e ，e c o n o m i c ， 江苏大学硕士学位论文 a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y t h i sb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e mc a na c h i e v e ：t h e c o l l e c t i o no fb a t t e r y v o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r e ；t h e c a l c u l a t i o no ft h e r e m a i n i n gc a p a c i t ya n db a t t e r ys t a t u sj u d g m e n t s ；r e a l t i m ed i s p l a y ，f a u l ta l a r m r e l a t e df u n c t i o n s k e yw o r d s ：e l e c t d c v e h i c l e s ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m s ，s o c ， c a nb u s m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 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和 汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团。 学位论文作者签名：占王旺f 2 0 1 0 年6 月jt 日 指剥撇：修史与 2 0 1 0 年6 月jj 日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 赢书 日期：、彳年6 月日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 由美国金融危机引发的全球性经济危机使全球汽车产业陷入低迷，再加上高居不下 的能源价格，日益严重的空气污染以及人类对环保认识的加深，越来越多的汽车企业将 目光聚焦于新能源汽车，从刚刚结束的上海国际车展上初现端倪。以纯电动车、混合动 力车为代表的新能源汽车在本届上海国际车展上无处不在，不仅国际汽车业巨头将新能 源汽车作为其展示重点，国内自主品牌，如奇瑞、比亚迪、海马、吉利、长城和众泰也 同样带来了各自精心研发的新能源汽车，几乎每家参展企业都将新能源汽车作为展示重 点之一。 1 1 电动汽车概述 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规 各项要求的车辆。电动汽车可分为三类：即仅以车载电池( 或电容) 为动力源的纯电动 汽车；以多个车载动力源提供动力的混合动力电动汽车( 当前主要是指以内燃机及蓄电 池) 和以燃料电池为动力的燃料电池汽车。 电动汽车的历史早于内燃机汽车。当德国的戴姆勒和本茨于1 8 8 3 年发明汽油发动机 汽车时，英国人罗伯特戴维森已于1 0 年前制造出了世界上最早的，可供实用的电动汽车。 2 0 世纪初，电动汽车对内燃机汽车还具有占有压倒性优势。然而此后随着内燃机技术不 断取得突破，而电动车技术发展缓慢，激烈的市场竞争使内燃机汽车后来居上，成为汽 车行业的绝对主流。 目前，电动汽车技术也有了一定进步，在短途低速、城市公交及旅游区交通等特定 用途已经得到应用，但是，主要由于电池性能和成本的限制，电动汽车在轿车领域内才 刚刚起步，距离质量稳定、符合标准地大批量生产，依然还是“长路漫漫。人们普遍 青睐的高功率高性能电动轿车，更是徘徊于理想与现实之间。 1 1 1 国外电动汽车发展概况 世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展 江苏大学硕士学位论文 和突破。 1 、第一代纯电动汽车阶段 纯电动汽车的第一个发展阶段，截止至u 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 ，从静止加速至u 9 6 k m h 只需9 s ，一次充电可行驶1 4 4 k i n ，其后通用i m p a c t 电动 车一次充电续驶里程达至l j l 9 0 k m 1 】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；丰田公司生产的删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 i n ，零售价4 2 万美刃辆( 同型的汽油车零售价为2 万美面辆) ，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 r a 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0 2 n 速n 1 0 0 k m h ，最高车速1 4 0 k m h 。 表1 1 国外l o 种纯电动车 t a b l e1 1f o r e i g n1 0k i n d so fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s 年份生产厂商车型 1 9 9 4日本大发汽车公司电动微型面包车h i j e te v 1 9 9 5法国标致雪铁龙公司电动4 座小型轿车p 1 0 6 s a x o 1 9 9 6美国通用汽车公司e 1 1 9 9 6日本丰田公司电动5 座小型桥车r a v 4 e v ( 氢镍) 1 9 9 6日本丰田公司 电动4 座小型桥车p l u s ( 氢镍) 1 9 9 6法国雷诺公司电动4 座小型桥车c t i o 1 9 9 7 美国福特公司电动2 座轻型皮卡( 客货车) 1 9 9 7美国克莱斯勒公司 电动4 座小型轿车e p i c 1 9 9 7美国通用公司电动2 座轻型皮卡s 1 0 1 9 9 8日本日产公司电动4 座轻型轿车a i t r a 2 、第二代纯电动汽车阶段 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 2 江苏大学硕士学位论文 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。 2 0 0 1 年，法国电力公司和博洛尔集团( g r o u p b o l l o r e ) 成立了一个联合子公司 b a t s c a p ，开发了采用高性能聚合金属锂蓄电池( l m p ) 的电动蓝色轿车( b l u e c a r ) ，最 大行程2 0 0 多公里，最高时速1 2 5 公里时，完成1 0 0 的充电需要6 个小时，但是只需要充 电几分钟即可再获得一次安全的最大行程。 2 0 0 5 年5 月，日本三菱公司推出了属于世界首创的交流电动轮轿车( 第二代纯电动 轿车) 运动型小马( c o l t ) 牌5 人座的低中级电动轮轿车。 还有通用在2 0 0 7 上海国际汽车工业博览会推出新款雪佛兰v o l t 概念车，采用了最新 研发的e - f l e x 动力推进系统，在1 1 0 伏电源上充电约六小时即可充满锂电池，使用2 2 0 伏 电源充电所需时间更短。使用纯电动模式可在城市道路上行驶约6 4 公里，当内置电池组 中的电能耗尽后，e - f l e x 动力推进系统可以将汽油、乙醇、生物柴油、氢气等能源转化 成电能，从而为车辆的行驶确保有足够的电力驱动能力。根据实验数据，如果使用汽油 内燃机，通过能源转换后，v o l t 的最大续航能力超过1 0 0 0 公里，每升汽油可以使汽车行 驶1 7 公里，超过传统汽车的两倍。 1 1 2 国内电动汽车发展概况 与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着。经过近 3 0 年的努力，特别是过去1 0 多年国家汽车生产和消费政策的调整，我国汽车产业呈现爆 发式增长，产销规模在1 9 9 8 2 0 0 8 年的1 0 年间保持了2 0 以上的年均增幅。目前我国已跃 居世界第一大汽车消费国。我国汽车工业发展为世界瞩目，但在传统燃油汽车领域与发 达国家有很大差距，但在新能源汽车上的差距却没有那么大。特别在电动汽车领域，我 国企业在关键的电池技术上获得了突破，具备了率先启动产业化的条件，有实现跨越的 机会【2 】。 我国从“十五”时期开始实施新能源汽车科技规划，“8 6 3 ”项目共投入2 0 亿元研发经 费，形成了以纯电动、油电混合动力、燃料电池三条技术路线为“三纵”，以多能源动力 总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三 3 江苏大学硕士学位论文 横”的电动汽车研发格局。 “十五”期间，国家8 6 3 计划电动汽车重大专项项目中纯电动轿车研制点之一在天津 汽车。天津市电动车辆研究中心与天津一汽产品开发中心联合众多汽车技术研究中心与 大学资源，组建天津清源电动车辆有限责任公司，承担8 6 3 计划重点项目“x l - 2 纯电动轿 车”研发工作，各项技术指标达到了国际先进水平，全车总重1 6 0 0 公斤，最高时速达到 1 4 0 千米小时，续驶里程超过2 6 0 千米，0 千米小时 - - - 5 0 千米小时的加速时间6 8 秒，被 认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型。2 0 0 5 年，清源公司开发的6 辆“幸福使 者”纯电动汽车出口美国，这是国内电动汽车整车第一次出口。根据美方要求，该车作 为美国家庭用车，最高时速限定为4 0 公里，最大续驶里程1 0 0 公里，整车定价近1 万美元。 之后，清源公司继续向美国出口纯电动轿车，2 0 0 5 年出口总数达到1 1 2 辆，2 0 0 6 年销往 欧美5 0 0 辆，2 0 0 7 年国际市场订单已超过1 0 0 0 辆。2 0 0 6 年底，清源公司在天津滨海新区 建设电动汽车研发制造基地，将形成一条年产2 万辆纯电动汽车的生产线。 “十一五”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”，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。 到2 0 0 9 年，我国已形成约1 8 0 0 项专利，并开发出了多款电动汽车样车。目前，共有 4 8 个型号的各类电动汽车获得机动车新产品公告，其中，比亚迪、奇瑞、长安等企业的 插电式和油电混合动力汽车已具备上市销售的条件。电动汽车在我国正在进入快速发展 新阶段。 东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、 工业专用车和高尔夫球车等4 大系列、近2 0 个品种的纯电动车，包括东风纯电动轿车 ( e q 7 1 6 0 e v ) 、纯电动富康轿车( e q 7 1 4 0 e v ) 、纯电动客车( e q 6 6 9 0 e v ) 等。到2 0 1 0 4 江苏大学硕士学位论文 年，东风电动车公司计划实现纯电动场地车销售5 0 0 0 辆的年产销量。 著名电池制造商比亚迪在动力电池方面的研究成果一直处于世界的前沿，该公司最 新研发的车用产品的充电时间已缩短到8 9 小时，最高续驶里程可达4 5 0 - 5 0 0 公里，最 高时速可达1 2 0 - - 1 8 0 公里川、时，0 - - - 1 0 0 公里小时加速时间小于1 3 秒。2 0 0 6 年7 月，比亚 迪为加速纯电动汽车的商业化步伐，推出一款全新技术的电动轿车鹑e 。这款车基 于f 3 平台而开发，装载比亚迪在全球首家推出的技术“铁”动力电池 e t - p o w e r ，一次充 电能够行使3 5 0 k m ，单次充电时间2 2 分钟。 e t - p o w e r 是以比亚迪在电池领域里的最新 发明“铁电池”为核心技术支持的纯电动汽车动力体系。 万向集团公司从1 9 9 9 年开始涉足电动汽车领域，目前已经研制出了纯电动轿车和纯 电动公交车，运行总里程已经超过了1 5 万公里。其纯电动轿车最高时速为1 2 6 公里，经 济时速下最大续驶里程为3 8 0 公里，百公里平均耗电量为1 1 千瓦时；纯电动公交车最高 时速为9 0 公里，经济时速下的最大续驶里程为2 8 0 公里，百公里平均耗电量为7 0 千瓦时， 充电方式采用设置换电站快速更换电池组方式。2 0 0 6 年4 月，万向集团公司研制的锂离 子电池驱动纯电动汽车在杭州开始示范运行。 1 2 电动汽车电池管理系统概述 随着能源紧缺、石油涨价、城市环境污染的日益严重，替代石油的新能源的开发利 用越来越被各国政府所重视。在新能源体系中，电池系统是其中不可或缺的重要组成部 分。近年来，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车 等受到了市场越来越多的关注。动力电池在交通领域的应用，对于减少温室气体的排放、 降低大气污染以及新能源的应用有着重要的意义。其中锂电池以高能量密度、高重复循 环使用次数、重量轻以及绿色环保等优势越来越受到人们的关注。 但是由于锂电池在加热、过充过放电流、振动、挤压等滥用条件下可能导致电池寿 命缩短以致损坏，甚至会发生着火、爆炸等事件，因此安全性问题成为动力锂电池商业 化推广的主要制约因素。安全型、低成本、长寿命锂离子电池的安全标准、安全评价方 法、电池制造过程的安全与可靠性控制以及通过正负极材料、电解质与隔膜优选改善电 池安全与可靠性是实现确保大型动力锂离子电池安全可靠，实用化的关键。而电池管理 5 江苏大学硕士学位论文 系统作为电池保护和管理的核心部件，不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发 挥电池的能力和延长使用寿命，作为电池和车辆管理系统以及驾驶者沟通的桥梁，电池 管理系统对于电动汽车性能起着越来越关键的作用。 目前所涉及的电动汽车电池管理系统( b m s ) 通常包含以下功能组成部分：数据采 集、剩余容量( s o c ) 的估算、电气控制( 充放电控制、均衡充电等) 、热量管理、安 全管理和数据通信等。电池自身的性能参数虽然影响电池的寿命，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，如电池的充电，包括充电方式、充电电流、充电结束电压；电池的 放电，包括电池的放电电流、放电深度、脉冲电流；电池温度的变化等等，这些外部因 素都会影响电池的寿命。从电动汽车的使用过程中发现，单个电池的寿命远比电动汽车 中电池组的使用寿命长，研究表明这是因为单体电池处在不均衡的状态中，充放电过程 不均衡，而不断重复的充放电过程更加剧了单体电池的不均衡现象，引起单体电池寿命 缩短，导致其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。借助电池管 理系统( b m s ) ，判断单体电池与电池组的状态；可以优化电池的外部参数，最终增加 电池的寿命，起到保护电池的作用。 1 2 1 国外电池管理系统研究现状 随着近年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电池供应 商针对各种类型的电池作了大量的试验及研究，总结出电池的数学模型，并成功开发出 许多电池管理系统，并装车试用。比较有代表性的有：德国m c l t z c re l c c t r o n i cg m b h 和 w e m e rr e t z l a f f 为首设计的& 岫i c 脏q 系统及& 妨i c o a c h 系统；德国的b h a u c k 设计的 b a t y m a n 系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车e v i 上的电池管理系统；美国 a e r o v i r o n m e n t 公司开发的s m a r t g u a r d 系统( l o n g - l i f eb a t t e r yu s i n gi n t e l l i g e n tm o d u l a r c o n t r o ls y s t e m ) ；美国a | c p r o p l l l s i o n 公司开发的名为b a t o p t 的高性能电池管理系统；日本 丰田的混合车用系统等等。 1 b a d i c h e o 系统及b a d i c o a c h 系统【3 】 b a d i c h e q 系统于1 9 9 1 年开始设计，并于1 9 9 1 年1 2 月首次装车实验，经过不断的实 6 江苏大学硕士学位论文 验和修改，于1 9 9 2 年4 月可以实现如下功能：可以实现同时对2 0 个电池单元进行单体电压 测量；电流和温度测量；可以根据电池单元的电池状态对主充电机的充电电流进行控制； 可以对单个电池进行均衡充电；可以储存历史数据和实现与p c 机进行数据通信；显示单 体电池剩余电量的最低值、电池组电流、实际电池电量以及各种异常报警。 b a d i c o a c h 是b a d i c 腼q 系统的改进，它的一个最重要的特点是在每个电池单元 上加一个非线性电路( w l c ) 来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压都通过一条 信号线传递给& 如i c o a c h 系统，并在那里解码。 2 b a 删a n 系统 b a t r m a n 电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成一个 系统，主要是根据对不同型号的电池组，将管理系统分为共同的部分和特殊的部分。而 且共同的部分占很大的比重，他认为这些共同的部分是：决定电池能存贮的电流能量；决 定最弱电池单元的剩余电量；能影响电池的运行和数据的记录：温度的测量。 3 e 的电池管理系统 通用汽车公司推出的e v i 电动汽车由2 6 个铅酸蓄电池供电，放电深度8 0 ，电池寿命 是4 5 0 个深放电周期，1 1 3 公里市内行驶里程( 美国环保局指标，u s ae p as c h e d u l e ) ，1 4 5 公里高速公路行驶里程( 美国环保局指标，u s a e p as c h e d u l e ) 。e v i 的电池管理系统概念 定义包括四个组成部分：电池模块( 用于汽车驱动和其它用电系统) ；软件b p m ( b a t t e r y p a c km o d u l e ) ；电池组热系统；电池组高压断电保护装笔r o a i g hv o l t a g ed i s c o n n e c t ) 。 4 s m a r t g u a r d 系统 这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式的管理装置( 用了专m l c ) 来测量电 池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电路。s m a r t g u a r d 的主要功 能有：过充检测并防止过充；提供放电极性反向报警；电池历史记录和归档；提供最差电 池单元的剩余电量信息。 1 2 2 国内电池管理系统研究现状 我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后，在电池管 理系统( b m s ) 技术方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在国家8 6 3 计划2 0 0 5 7 江苏大学硕士学位论文 年第一批立项研究课题中，就分别有北京理工大学承担的e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车用 镍氢动力电池组及管理模块、湖南神舟公司承担的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车用 大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功 率型锂离子动力电池组及其管理系统、北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客 车用锂离子电池及管理模块等课题。此外还有清华大学、同济大学等承担的多能源动力 总成控制系统等一大批相关课题【4 1 。 总体来讲，电池管理系统( b m s ) 与电机、电机控制技术、电池技术相比，还不是很 成熟。电池管理系统作为电动汽车最关键的技术之一，在近年来虽然有很大的提高，很 多方面都己经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在采集数据的可靠 性、s o c 的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。 1 3 本课题研究的意义和内容 随着电动汽车的快速发展，它的能量源一动力电池组，成了电动汽车发展的瓶颈。 电池管理系统是关系到电动汽车实用化、市场化的关键技术之一，而作为能量管理系统 重要组成部分的电池剩余容量预测的研究对电动汽车的实用化、商品化起着重要作用， 因此研究电池管理技术及系统具有十分重大的意义。 本课题的主要目的是配合纯电动汽车的研制，研制适用于纯电动汽车的电池管理系 统。实现对电池电压、电流、温度数据进行采集，剩余电量计算，电池状态检测，c a n 通信等功能的b m s 系统。本硕士学位论文试验对象是由2 4 个磷酸铁锂电池串联成 7 2 v 1 0 0 a h 的动力电池组。 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 系统整体方案的设计，底层电压、电流、温度、单体电压的采集方案的设计， 完成硬件的设计、改进、调试并绘制电路p c b 板； ( 2 ) 电池剩余电量算法的研究； ( 3 ) 完成b m s 系统的软件编写及调试； ( 4 ) 在电动汽车上搭建电池管理实验平台，完成系统调试与实验。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章电池管理系统总体设计 2 1 常见电池的介绍 铅蓄电池：铅酸蓄电池铅酸蓄电池是己有1 0 0 多年的历史的老产品，因其价格便宜、 材料来源丰富、比功率较高、技术和制造工艺成熟等优点，被各国电动车普遍采用。因 其比能量较低，所以很多人认为铅酸蓄电池是落后、过时的产品，在电动汽车上应用的 前途不大。实际上铅酸蓄电池在这1 0 0 多年的历史中一直不断地在改进提高，比能量从 不n l owh k g 提高n 6 0 w h k g ，被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；比功率 也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它的两大缺点是无法改变的：一是比能量 低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成 本过高。同时由于铅是重金属，因此，铅酸电池也存在污染问题。 镍镉电池：目前，镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达 5 5 w h k g ，比功率超过1 9 0 w k g ，可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两 倍多，可达到2 0 0 0 多次，但其价格是铅酸蓄电池的4 5 倍。它的初期购置成本虽高，但 由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。但是，和 铅酸电池一样，镍镉电池也存在金属( 镉) 污染问题，许多国家己经限制生产和使用。同 时，镍镉电池还存在一定的记忆效应。这些缺点都限制了其使用和发展。它正在被镍氢 电池和锂离子电池所取代。金属氢化物镍电池镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样，也属于碱 性电池，其特性和镍镉蓄电池相似，不过镍氢蓄电池不含镉、铜，不存在重金属污染问 题。 锂离子电池：锂离子电池是1 9 9 0 年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电 池。锂离子电池具有很高的能量密度( 目前己达到铅酸电池的3 4 倍，镍氢电池的2 倍) ， 良好的性能价格比和较高的单体电压；电池在充、放电时可获得较高的能量效率，放电 时容易检测出电池的荷电状态。被认为是最有希望的电动车用蓄电池。其优点是比能量 高，是当前比能量最高的蓄电池。己经在便携式信息产品中获得推广应用。高能型电池 己于1 9 9 6 年装在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上( 日产a 1 t r a e v ) ，在北京 9 江苏大学硕士学位论文 第一届国际电动车展览会上展出。该车装1 2 块锂离子电池模块构成的3 4 5 v , 3 1 2 k w h 电池 组。一次充电可行驶2 0 0 k i n ，最高时速1 2 0 k m h 。但目前大容量的锂离子电池技术还没 有真正突破，存在的主要缺点是：不能快速充电，可靠性、一致性、安全性差，成本高， 技术不成熟，高温性能差。低温情况下的电池充放电性能差。若深度放电或在高温情况 下储存或放电，容易造成容量的不可逆损失。 表2 1 是三种常用电池参数的比较。 表2 1 电池性能比较 t a b l e2 1c o m p a r i s o no fb a t t e r yp e r f o r m a n c e 比能量能量密度比功率 循环寿命价格 电池种类 w h k g 卯岔z w k g( 次) ( 人民币) 铅酸电池3 09 01 5 05 0 01 0 0 镍氢电池6 0 7 01 3 0 1 7 01 5 0 3 0 06 0 0 一1 2 0 04 0 0 锂电池9 0 1 3 01 4 0 2 0 02 s 0 - 钙08 0 0 1 2 0 01 0 0 0 2 2 电动汽车对电池的要求 一般情况下，电动汽车的动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过 程中，电压、电流可能有较大变化。为了满足电动汽车的需要，实现电动化的汽车动 力电池必须具有高起动性，大容量性能，免维护特性，高可靠性，高耐久性的特点。现 有的电动汽车存在加速性能差、一次充电行驶距离短等问题，限制了它的发展，因此电 动汽车实用化的难点主要在于动力源一电池。要使电动汽车能够实现大规模生产使用， 关键是开发出比能量高、比功率大、寿命长、成本低的电池。 纯电动车电池系统对电池有以下几方面的要求。 ( 1 ) 大功率充放电的能力。质量比功率和体积比功率是衡量电池快速放电能力的 指标。目前的高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题。提高电池快速充电接受 能力比提高电池的比功率更加紧迫和关键。 ( 2 ) 充放电效率。电动汽车中动力电池的高充放电效率是对保证整车效率具有至 关重要的作用。 ( 3 ) 使用寿命。由于电池的价格非常昂贵，电池的使用寿命直接决定了电动汽车 1 0 江苏大学硕士学位论文 的应用及市场化程度。 ( 4 ) 容量。纯电动汽车因为只有电池作为唯一能量来源，所以对电池容量的要求 相当高。 ( 5 ) 相对稳定性。电动汽车电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下 保持性能的相对稳定。 综合了以上几种电池的特点及电动汽车对电池的要求，本设计采用了动力锂电池。 选取的是山东海霸7 2 v 、1 0 0 a h 磷酸铁锂电池组，由2 4 块锂电池串联而成，如图2 1 所示。 圈2 l 磷酸铁锂电池组 l r 唱u r e 2 1 p h o s p h 丑t e j l 口l i t h i u m b a n 唧 2 3 锂电池的概述 2 31 锂电池基本工作原理 锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱出锂离子的化合物作为正负极构成 的二次可充电池。充电时锂离子从正极材料的晶格中脱出，经过电解液后嵌入到负极材 料的层状晶格中：放电时锂离子从负极材料的晶格中脱出，经过电解液后嵌入到正极材 料的晶格中。在充放电过程中，锂离子在正极和负极之间来回转移。在正常充放电情况 下，锂离子在正负极材料中嵌入和脱出，只引起晶格间距变化，不会破坏晶体结构。从 充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。充放电原理可以表示 成下面( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 的反应方程式。 江苏大学硕士学位论文 正极：l i m o y = l i l - x m o y + x l i + + x e 负极：n c + x l i + + x e = =魄g 电池总反应：l i m o y + n c a v - - - - - ，- l i t - x m o y + l i x q 2 3 2 锂电池主要性能指标 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 1 电压 ( 1 ) 电动势一电池正极负极之间的电位差e 。 ( 2 ) 额定电压一电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。 ( 3 ) 工作电压( 负载e g 玉, 、放e ge g 玉, 广在电池两端接上负载r 后，在放电过程中 显示出的电压，等于电池的电动势减去放电电流i 在电池内阻r 上的电压降，u = e - i * r 。 ( 4 ) 终止电压一电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐 降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。当电池的电压下 降到终止电压后，再继续使用电池放电，化学“活性物质”会遭到破坏，减少电池寿命。 2 电池容量( a h ) ( 1 ) 理论容量根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定理计算出的最高理论值， 一般用质量容量a h m 或体积容量a h 压来表示。 ( 2 ) 实际容量在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。 ( 3 ) 标称容量一用来鉴别电池的近似安时值。 ( 4 ) 额定容量一按一定标准所规定的放电条件下，电池应该放出的最低限度的容 量。 ( 5 ) 荷电状态( s o c ) 一电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量 的比值。反映电池容量的变化。 3 能量删h ，k w 宰h ) 电池的能量决定电动汽车的行驶距离。 ( 1 ) 标称能量一按定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量，电池的标 称能量是电池额定容量与额定电压的乘积。 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 实际能量一在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电池的实 际容量与平均电压的乘积。 ( 3 ) 比能量( w h k g ) - - 动j - j 电池组单位质量中所能输出的能量。 ( 4 ) 能量密度( w h u 一动力电池组单位体积中所能输出的能量。 4 功率帆k w ) 在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量，电池的功率决定e v 的加 速性能。 ( 1 ) 比功率( 、7 帆g 广动力电池组单位质量中所具有的电能的功率。 ( 2 ) 功率密度州d 一动力电池组单位体积中所能输出的能量。 5 电池内阻 电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。由于电池 内阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时充电的端电压高于电动 势和开路电压。 锂电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻。极化内阻反应了电池在不同放电深度和放 电电流下电池极化的程度，在电池放电过程中正是由于它的变化才引起电池工作电压的 变化。人们利用电池放电过程中电池内阻的变化与剩余电量等相关量的对应关系，对电 池状态进行分析和判断。 6 寿命 电池以充放电的循环次数或使用年限来定义电池寿命。有时用s o h 来表示。循环次 数：蓄电池的工作是一个不断充电放电充电放电的循环过程。在每一个循环 中，电池中的化学活性物质发生一次可逆的化学反应，随着充放电次数的增加，化学活 性物质老化变质，使电池充放电效率降低，最终丧失功能，电池报废。电池的循环次数 与很多因素有关：电池充放电形式、电池温度、放电深度、电池组均衡性、电池安装， 等等。循环次数是衡量电池寿命的重要指标。s o h ( s t a t eo f h e a l t h ) ：则反映电池的预期 寿命。 7 放电速率( 放电率) 一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。， 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 时率( 时间率广电池以某种电流强度放电，放完额定容量所经过的放电时间。 c 的下脚表示放电时率。 ( 2 ) 倍率( 电流率广电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的倍数。例 如，放电电流为0 1c ，对于1 2 0 a 牛h 的电池，即以0 1 1 2 0 - - 1 2 a 的电流放电。 8 自放电率 自放电率一电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池的容量损 失的速度，自放电率用单位时n ( j 目年) 内电池容量下降的百分数来表示。 2 4 电动汽车对电池管理系统的要求 现代电动汽车的b m s 有如下几个方面的要求【5 】： 1 1 基本的管理能力。防止过充电与过放充、避免深度放电、电池电压和温度等信 息的高速采集、s o c 和剩余行驶里程的预测。 劲较强的热量管理能力。电池在大功率充放电时，电池组发热，在电池箱内形成 一定的温度梯度，使得各个单体电池工作时的环境温度不一致，将会削弱各单体电池间 的均衡性，降低电池组的充放电能力。针对这样的情况，b m s 必须具备先进的热量管理 能力，维持电池模块间温度的平衡，并控制电池的工作温度在合理范围内。 3 ) 高压电安全管理能力。电动汽车的动力电池的高达数百伏的高压电，可能危及 生命及车辆安全，为了确保电动汽车高压电安全，b m s 需要实时监控高压电路的电气状 态、通断状态及高压电路的接通过程，在发现异常状况后能立即通过状态线输出故障状 态并做出相应的动作，在危险的情况下能自动切断高压电的输出。 钔车载c a n 通讯功能。b m s 作为电动汽车的一个子系统，在监控电池组的同时， 通过总线，必须实时的将电池状态告知车载动力总成系统和其他相关分系统，实现信息 共享。 5 ) 较好电磁兼容皿m q 能力。电池管理系统( b m s ) 管理的对象是电动汽车动力系 统的电池，面对动力电池在电动汽车上工作时的苛刻的充放电状况，因此需要满足十分 严格的汽车电磁兼容性要求。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 5 系统的总体设计 电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，对电池的电压、电流、温度 进行时刻检测，同时还应进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余 容量、放电功率，报告s o c 强s o h 状态，还根据电池的电压、电流及温度，用算法控制最 大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过c a n 总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。 但是，根据实际的情况，本