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电动汽车动力电池剩余容量和续驶里程预测研究 摘要 随着能源的不断消耗和环境污染的日益加剧，发展新能源汽车特别是具有 零排放的纯电动汽车非常有必要，近几年来政府和企业都在积极的推动电动汽 车的发展。电池管理系统是电动汽车核心技术之一，而电池剩余容量预测又是 电池管理系统的重要内容。 本课题是以我校与某汽车公司联合承担的国家“8 6 3 ”合作项目为背景，对 某款电动汽车动力电池的剩余容量和电动汽车的续驶里程预测进行研究。首先 在分析动力电池特性的基础上，对某型号磷酸铁锂电池组进行大量的充放电实 验( 实验内容包括电池组在不同放电倍率下放电、不同s o c 下放电和循环工况下 放电) ，为更好的进行剩余容量预测打下基础。 然后在分析比较各种电池剩余容量预测方法的基础上，采用b p 神经网络 预测方法对磷酸铁锂电池的剩余容量进行预测。结合电池的实验数据，建立了 预测电池剩余容量的b p 神经网络模型。利用该模型对磷酸铁锂电池组进行剩 余容量预测，并与电池测试台实测的剩余容量结果比较，预测误差小于5 ， 满足设计要求。 最后在对电动汽车续驶里程理论分析基础上，用c r u i s e 软件对b p 神经网 络电池模型在某款电动汽车上进行续驶里程仿真，通过与实际值比较，误差精 度在5 以内，符合设计要求。 关键词：电动汽车电池剩余容量续驶里程 预测 f o r e c a s t i n gf o rb a t t e r yr e m a i n i n gc a p a c i t ya n d d r i v i n gr a n g e so fe l e c t r i cv e h i c l e a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sc o n s u m p t i o no fe n e r g ya n di n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fn e we n e r g yv e h i c l e s ，e s p e c i a l l yp u r ee l e c t r i cv e h i c l e w i t hz e r oe m i s s i o n si sn e c e s s a r y i nr e c e n ty e a r sg o v e r n m e n t sa n de n t e r p r i s e sa r e a c t i v e l yp r o m o t i n gt 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 t h eb a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e ma n dt h ep r e d i c t i o no fr e m a i n i n gb a t t e r yc a p a c i t yi sac o r et e c h n o l o g yi n e l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) t h et o p i ci su n d e rt h eb a c k g r o u n do f ”8 6 3 ”j o i n tc o m m i t m e n tb yo u rs c h o o l a n da na u t o m o b i l e c o m p a n yc o o p e r a t i o n ，f o r e c a s t i n g f o r b a t t e r yr e m a i n i n g c a p a c i t ya n dd r i v i n gr a n g e so fa ne l e c t r i cv e h i c l e f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r b a t t e r y ，d oal o to fc h a r g e - d i s c h a r g ee x p e r i m e n t sf o ra p a r t i c u l a rb a t t e r yp a c k ( i n c l u d i n gd i s c h a r g i n gu n d e rd i f f e r e n tc u r r e n tr a t e 、d i f f e r e n t s o ca n dc y c l em o d e ) w h i c hl a yf o u n d a t i o nf o rf o r e c a s t i n gr e m a i n i n gc a p a c i t yo f b a t t e r yp a c k a f t e ra n g l i c i z i n ga n dc o m p r i s i n gm a n ym e t h o d so f r e m a i n i n gb a t t e r yc a p a c i t y p r e d i c t i o n ，s e l e c t b pn e u r a ln e t w o r kt o p r e d i c t b a t t e r yr e m a i n i n gc a p a c i t y c o m b i n e dw i t ht h eb a t t e r ye x p e r i m e n t a ld a t a ，e s t a b l i s h e dt h eb pn e u r a ln e t w o r k m o d e lf o rf o r e c a s t i n gr e m a i n i n gc a p a c i t yo fb a t t e r y u s i n gt h i sm o d e lt of o r e c a s t t h er e m a i n i n gc a p a c i t yo fl i t h i u mi r o np h o s p h a t e b a t t e r yp a c k ，a n dt h e nc o m b i n i n g w i t ht h er e s u l to fb a t t e r yt e s tb e d ，i n d i c a t et h a tt h ep r e d i c t i o na c c u r a c yi si nt h e d e s i g n e dr a n g e ( 5 ) o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i so fe vd r i v i n gr a n g e s ，u s i n gc r u i s e s o f t w a r et os i m u l a t ed r i v i n gr a n g eo fb a t t e r ym o d e le s t a b l i s h e dw i t hb pn e u r a l n e t w o r ko n a ne v t h r o u g hc o m p a r i s o nw i t ha c t u a lv a l u e ，t h ee r r o ri sw i t h i n d e s i g n e dr a n g e ( 5 ) 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 yr e m a i n i n gc a p a c i t y ；d r i v i n gr a n g e s ； f o r e c a s t i n g 致谢 本文是在我的导师尹安东副教授的精心指导下完成的。他严谨的工作作风、 渊博的知识以及和蔼可亲的态度令我受益匪浅。在此衷心对尹老师表示感谢。 读研三年期间，尹老师在生活、学习、科研等方面给了我莫大的支持和帮 助，使我在思想意志、专业知识、为人处事等方面受益匪浅。这对我以后的人 生道路会产生深远的影响。 感谢课题组江吴老师在学习和科研上的支持，江老师渊博的知识、一丝不 苟的科研精神令我感动。 感谢我的室友朱金明、朱耀文、王锡锌在生活和学习上给我的帮助。 感谢张辉、田新新，冯瑞师兄，杨亚娟师姐，李宝辉、李领、朱云晓、谌 文文、尉进同学，学弟杨峰、李春林、宫闪闪、王欢、周翔，在平时学习和论 文撰写过程中给我的帮助。 感谢二十多年来一直给我物质和精神支持的父母。是他们的辛勤劳动创造 了我良好的学习环境，让我完成学业。 为审阅本论文付出时间和劳动的各位专家和老师，我表示衷心的感谢。 作者：张万兴 2 0 1 2 年4 月1 0 日 插图清单 图2 1 磷酸铁锂电池反应示意图一1 1 图2 2 电池组在不同放电倍率下放电1 2 图2 3 不同放电倍率电池组电压、放电容量变化图1 3 图2 _ 4 电池组在o 8 、0 6 、0 4 和o 2s o c 下不同倍率的放电曲线1 4 图2 5 不同倍率下放电能量随s o c 的变化曲线一1 5 图2 6 电池组中最大单体电压和最小单体电压电压差1 6 图2 7 单体放电电压曲线1 8 图3 1 单隐层神经网络2 4 图3 2 网络训练误差变化曲线3 0 图3 3 神经网络模型验证3 1 图3 4 线性回归分析3 2 图3 5 常温恒流放电剩余容量预测3 2 图3 - 6 不同s o c 放电下电池组s o c 预测3 3 图3 7 循环工况下电池s o c 预测3 3 图4 1 电动汽车模型3 8 图4 2 电池内阻与s o c 关系3 9 图4 3 电动汽车仿真循环工况一4 0 图4 - 4 循环工况下电动汽车仿真里程数4 l 图4 5 仿真过程中单位里程能量消耗量一4 l 图4 - 6 电动汽车仿真过程电流变化图一4 1 图4 7 仿真过程中电池电压变化图4 2 图4 8 剩余里程实际值与预测值4 2 图5 1 某型号磷酸铁锂电池组一4 4 图5 2 电源控制柜4 5 图5 3 前端采集系统4 5 图5 - 4 电池测试系统硬件连接示意图4 6 图5 5 电池测试系统信息流一4 6 图5 - 6 钳形电流表4 7 图5 7 实验总体布置图4 7 插表清单 表1 1 国外锂电池生产研发情况3 表2 1 几种动力电池特性比较8 表2 2 不同放电倍率下放电安时数1 2 表2 3 不同倍率下电池组的放电容量1 3 表2 4 不同放电倍率和不同s o c 下放电能量效率一1 5 表2 5 各阶段标准差系数计算结果1 7 表3 1 神经网络样本数据分组图一2 8 表3 2 训练及测试b p 神经网络样本数据一2 9 表3 3 恒流放电预测值与实际值误差3 3 表3 4 不同s o c 下放电预测精度分析3 4 表3 5 循环工况下放电预测精度分析3 4 表4 1 电动汽车参数3 7 表4 2 剩余里程预测值与实际值比较4 0 表4 3 电动汽车恒速不同s o c 下剩余里程预测4 2 表5 一l 电池组常温放电流程4 8 表5 2 电池组不同s o c 放电流程4 9 表5 3 电池组循环工况实验流程一5 0 第一章绪论 1 1课题研究意义 传统燃油汽车排放了大量的污染物和有害气体造成空气质量的日益恶化和 石油资源的渐趋匾乏，使汽车工业面临严峻的考验。随着人类生存环境的不断 恶化，发展绿色能源交通己刻不容缓，电动汽车是以电能为动力的交通工具， 凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。 自2 0 世纪7 0 年代开始，国外就开始了电动汽车的研究与开发。随着各种科 学技术的高速发展，电动车的许多技术难点逐渐得到了解决。世界各大汽车制 造商纷纷推出各自的电动汽车。但是，还有一些关键技术还没有很好的解决， 这也影响了电动汽车的发展和普及，电池及其管理技术就是其中关键技术之一 怛j 。目前，电池管理系统还存在着剩余容量预测不精确、电池一致性差等诸多 问题。 电池剩余容量预测是电池管理系统研究的热点，它对提高电池能量利用率、 延长电池的使用寿命、增加电动汽车续驶里程具有很大的意义。 1 2 动力电池及其管理系统发展概况 1 2 1 动力电池发展及其在汽车上的应用概况 ( 1 ) 铅酸蓄电池 法国人p l a n t e l8 5 9 年第一次制造出了铅酸电池，t r i b e 在18 8 2 年提出了铅 酸电池的“双极硫酸盐化”。1 8 9 0 年，管式电极被w o o d w a r d 等人发明，后来 一段时间在铅酸电池上得以应用。1 9 5 7 年德国的阳光公司实现了铅酸电池的跨 越，他将凝胶电解质用到铅酸电池中。2 0 世纪7 0 年代，高能量、免维护电池 出现。2 0 世纪9 0 年代，铅酸电池的能量密度得到很大提高，普遍采用双极性 结构。到目前为止，它是世界上广泛使用的一种化学电源，是世界上各类电池 中产量最大、用途最广的一种电池。现在铅酸电池在各类电池中占3 0 左右的 比例，第二次世界大战前铅酸电池更是占到了7 0 以上的市场份额。起初铅酸 电池生产主要集中在西欧、美国、日本等地区，后来由于竞争激烈和环保原因， 欧美的铅酸电池厂出现合并趋势，世界范围内的产业转移和企业整合现象日趋 明显，生产集中度进一步提高。到目前，中国、巴西、墨西哥等发展中国家和 地区成为主要的生产基地。铅酸电池虽然存在污染环境、循环寿命短等问题， 还具有价格优势，预计未来3 5 年仍然会占有很大的市场份额，尤其是在发展 中国家【3 1 。 ( 2 ) 镍氢电池 1 9 6 9 年，z i j l s t r a 等人第一次发现具有很大发展前景的贮氢合金，并于1 9 7 4 年发布了关于贮氢合金的研究报告，从此关于贮氢合金的研究和利用便大规模 展开。1 9 6 0 年，j u s t i 发现可以用电化学方法将贮氢物质进行可逆的吸收并能释 放出氢，之后关于镍氢电池的研究便迅速展开，各种镍氢电池方面的研究成果 在世界各地相继出现。1 9 8 4 年，贮氢物质在反应过程中容量迅速衰减的问题被 飞利浦公司解决，这标志着镍氢电池的相关研究进入了实用化过程。2 0 世纪8 0 年代末，o v o n i c 公司制造出镍氢电池，在随后的几年中，日本三洋、松下等企 业也相继开发出可以商品化的镍氢电池。我国在8 0 年代末成功研制出贮氢合金 并在9 0 年代成功研制出了镍氢电池。目前国外著名的镍氢动力电池厂商主要包 括松下和丰田合资公司p e v e 、美国的c o b a s y s 、德国的v a r t a 、法国江森的s a f t 、 美国e l e c t r oe n e r g y 以及韩国现代【4 1 。在新能源汽车上应用镍氢电池的两家典型 企业是日本的本田公司和丰田公司。本田公司i n s i g h t 混合动力汽车的电池包有 2 0 个电池模块组成，总电压大约为1 4 3 v 。每个电池模块由6 个单体组成，每 个单体容量是6 5 彳日。丰田公司的p r i u s 混合动力汽车电池包由3 8 个电池模 块构成，每个模块包含6 个电池单体，每个单体的额定电压是1 2 v ，电池组总 电压为2 7 3 v 5 1 。 国内镍氢电池厂商大致有：科霸电池、中炬森莱、春兰集团、湖南神州和 科力远等【6 1 。近些年来镍氢电池在新能源汽车上得到广泛应用，目前国内应用 镍氢电池的新能汽车包括：长安杰勋h e v s c 7 1 5 2 、华晨尊驰s y 7 1 8 1 c s e b b b 、 奇瑞a 5 s q r 7 1 3 0 a 2 1 7 a 、别克君越s g m 7 2 4 0 h a t 、一汽红旗c a 7 1 3 0 n 、奔腾 c a 7 1 3 0 n 等( 7 1 。 ( 3 ) 锂离子电池 自2 0 世纪9 0 年代出现锂离子电池，到目前已经过了几十年的发展。到目 前为止，锂离子电池在新能源汽车、航天等方面引起了许多企业的兴趣。锂离 子电池的初期为锂原电池，锂原电池的负极材料是锂，正极材料为m n o ，这种 电池可以进行反复充电，但经过多次充放电后电池内部容易形成晶体，从而导 致电池内部短路。1 9 9 1 年日本索尼公司成功研发出锂离子电池，这种电池的负 极材料为碳，正极材料为锂，在充放电过程中锂离子可以在电池正负极之间来 回运动，因此又被称为“摇摆电池”。近年来很多电池生产企业都在积极研发锂 离子电池，比较有代表性的有日本h i t a c h i 、s o n y 、p a n a s o n i c 和法国的s a f t 等。法国s a f t 公司从1 9 9 3 年开始就对锂离子电池进行研究，并且生产出了 1 0 5 vc l i n i 0 2 模块，这种模块的比能量和比功率可分别达到1 2 6 w h k g 和 2 6 2 w k g ，当时与其它电池相比，性能非常突出。目前，国外锂电池主要生产 情况如表1 1 所示p j 。 2 表1 1 国外锂电池生产研发情况 电池厂商 产品概要 d e g u s s aa g e n a x 2 0 0 5 年6 月，德国d e g u s s a 与如本e n a x 分别出资5 0 在中国成立锂离子电池电极生产与销售公司。 j o h n s o n c o n t r o l s s a f ij c s 是j o h n s o nc o n t r o l s 与s a i l 合并的公司，s a t f 与 a d v a n c e dp o w e rs o l u t i o n ( j e s ) 1 9 9 5 年开始研发电动汽车锂离子电池，j o h n s o nc o n t r o l s 在2 0 0 5 年开始给美国汽车厂提供锂离子电池。 n e cl a m i l i o ne n e r g y 2 0 0 6 年提供锰系锂离子，输出特性高。 s a n y o 电机 2 0 0 6 年3 月，日本德岛工厂提供1 0 0 0 组给汽车厂进 行使用，2 0 0 7 年量产。 p a n a s o n i ce ve n e r g y 2 0 0 5 年1 0 月t o y o t a 对p a n a s o n i ce ve n e r g y 出资从 4 0 提高到6 0 ，已将其纳入子公司，2 0 0 8 年具有外部 充电功能的锂离子电池在p r i u s 上使用。 g s y u a s a2 0 0 4 年3 月，开始销售电动汽车和不断电系统锂离子 电池。 日立v e h i c l ee n e r g y 公司与2 0 0 4 年6 月，由神户电 h i t a c h iv e h i c l ee n e r g y ，l t d 机、日立、日立m a c e l l 组成，专门生产电动汽车用锰系 锂离子电池。 2 0 0 6 年开发电动车驱动用锂离子电池组，装置与三 l i t e e l 菱c o l t - e v v 车上进行测试，充电续航里程为15 0 k m ，2 010 年时为2 4 0 k m 。 我国的锂储量非常大，大约占世界总储量的5 0 ，近些年来我国的锂电池 技术也得到了迅速发展，生产企业主要集中在深圳、天津、浙江、广东等地。 国内锂电池生产企业包括：比亚迪、天津力神、深圳比克、东莞a t l 、中信盟 固利、杭州万向、东莞a t l 和广州国光等。锂电池在新能源汽车上的应用也得 到了很快的发展。目前，锂离子电池在新能源汽车上也得到很多应用。在国外， 1 9 9 5 年，n i s s a nf e v 首次使用了锂离子电池，在接下来的a l t r a 和p r a i r ej o y 电 动汽车锂离子电池得到了更好的应用，并且a l t r a 电动汽车续驶里程达到了 1 9 0 k m ，最高车速1 2 0 k m h ；国内，应用锂电池的混合动力汽车主要有：比亚 迪q c j 7 1 0 0 a d m 用的是比亚迪公司的f a d m 0 7 3 0 9 磷酸铁锂电池、北京现代新 胜达和e l a n t r a 悦动l p i 用的是l g 化学的锂离子电池盒锂聚合物电池、上海大 众帕萨特s v w 7 5 5 3 f c v 用的是苏州星恒锂离子电池。在纯电动汽车上应用锂 电池的主要有：吉利熊猫l c e 、天津清源h a p p ym e s s e n g e r 、比亚迪f 3 e 等。 由于锂电池良好的性能和国内产业链的不断完善，需求的不断增加，锂离子电 池发展空间很大。 ( 4 ) 燃料电池 燃料电池是一种发电装置，它将燃料( 比如h 2 、c h 、c o ) 和氧化剂所带有 的化学能转化为电能，在转化过程中不存在燃烧现象。燃料电池是在1 8 3 9 年问 世的，g r o v e 博士从电解水的逆向过程中发现了燃料电池工作的基本原理，他 是利用铂电极在硫酸中电解可以产生氧气和氢气的原理，然后组成电池回路就 可以产生电流。1 8 9 6 年，j a c q u e s 博士把燃料电池的燃料用碳代替，但这会造 成一定的环境污染，致使最后并没有应用于实际生产【9 】。1 8 9 7 年，n e r n s t 发明 了固体氧化物燃料电池，这种燃料电池的电解质是氧化锆与其他物质的混合物。 1 9 0 0 年左右，b a u r 课题组一种新的燃料电池一熔融碳酸型燃料电池，随后又进 行了深入的研究。1 9 0 2 年，h a b e r 和他的团队发明了初期的固体聚合物燃料电 池，电解质为覆盖铂的玻璃片。1 9 5 2 年，f t b a c o n 发明了培根电池，这种电 池具有较强的实用性，电极为镍，电解质为氢氧化钾的溶液，燃料为氢气和氧 气，反映的产物是水。目前，燃料电池在航空航天、军事等方面得到了一定的 应用。在燃料电池汽车方面：美国在1 9 8 7 年就制定了燃料电池汽车的开发计划。 比林公司于1 9 9 1 年生产出燃料电池样车一l a s e rl e l lt m 。通用汽车公司在1 9 9 8 年制造出了轻型燃料电池汽车z a f i r a ，2 0 0 1 年通用公司又推出出了c h e v y s 一1 0 型燃料电池货车，并在2 0 0 5 年和美国政府签订合约，在未来5 年将制造4 0 辆 燃料电池汽车在各地运行。另外，福特公司、克莱斯勒公司等也相继推出了自 己的燃料电池汽车；日本在3 0 年前就鼓励燃料电池汽车的发展，到2 0 2 0 年保 有量达到5 0 0 万辆【l 。丰田公司在1 9 9 6 年开发出r a v 4 燃料电池汽车，并在 2 0 0 2 年宣布正式在美国、日本进行商业化销售。另外，本田、日产等汽车公司 也纷纷研发出燃料电池汽车【1 1 1 。德国的戴姆勒、加拿大的巴拉德等欧洲及北美 洲的汽车企业也进行着燃料电池的研究。 在我国，国家8 6 3 计划电动汽车项目中把燃料电池汽车放在重要位置。国 内从事客车燃料电池研究的单位主要是大连物理化学研究院和上海神力公司， 从事轿车燃料电池研究的主要是新源公司和神力公司。 2 0 0 1 年，由上汽集团、同济大学等几家单位和高校成立的科研小组，对燃 料电池动力系统进行研究。两年后，研制出了“超越一号”轿车，这是第一辆 锂离子电池和燃料电池混合使用的汽车。清华大学在国家8 6 3 课题中承担了“燃 料电池客车”的课题。我国计划在2 0 1 0 年到2 0 2 0 年实现燃料电池产业化【l 引。 1 2 2 动力电池管理系统发展概况 ( 1 ) 国外发展概况 在国外，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 ) 发展比较早，经 过长时间的摸索与改进，无论理论还是实践方面都得到了长期的发展。美国的 通用、福特以及日本的丰田汽车公司为它们的电动汽车和混合动力汽车都开发 了相应的电池管理系统。其中美国的电池管理系统走在个世界各国的前列。在 4 过去的许多年中，各国比较大的汽车公司对电池管理系统的研究都有较大的成 果【13 1 。 美国通用汽车公司在电动汽车方面技术相对成熟，并且在b m s 方面也是 较为成熟。美国著名专家g r e g o r y 博士提出估算电池剩余容量的方法基于折算库 伦效率的卡尔曼滤波法。美国v i l a n o v a 大学和u sn a n o c o r p 公司通过校企合作，对各 类动力电池的剩余容量进行了大量的研究。美国约翰逊技术公司通过可变阻抗器件来 对电池的温度进行实时监控。美国托莱多大学发明的b m s 包括电子控制器和电量均 衡器，电子控制器主要负责数据的采集、处理等，并且还对均衡器和充电器的工作状 态进行监控【1 4 j 。 在欧洲，法国由于对环境污染非常重视，其电力的8 0 来源于核能，电动 汽车发展也比较早，他们的电池管理系统实现了s o c 估计、电池寿命记录、电 池保护以及电池组的均衡，使电池的寿命大大提高。在德国，应用很广的是 b a t t m a n 系统，此系统是由德国b h a u c k 公司设计的；电池的各种工作状况 靠电池管理系统进行监控，然后在将监控的结果送到仪表盘或者是相应的监控 设备上，供驾驶员随时查看【l 副。 在日本，本田公司开发的电池能量管理系统比较全面包括，它在实现管理 系统传统功能的同时还具有车载充电器、惯性开关及当车辆发生碰撞或事故时 自动切断电池组，最大限度的保证安全。 ( 2 ) 国内发展概况 我国的电池管理系统发展至今，虽然与日本、美国等一些汽车强国之间还存 在较大差距，但从开发至今也取得了很大的发展，无论从国家总体政策还是相 关的企业、院校都投入了大量的人力和物力。分别在国家“8 6 3 ”项目和高科技 项目中都明确提到。比如在2 0 0 5 年国家“8 6 3 ”项目中就有北京理工大学、苏 州星恒有限公司、北京有色金属研究院等分别承担了相应项目的研发工作。他 们研发的产品在实际车辆上得到应用，比如：混合动力轿车( e q 7 2 0 0 h e v ) 的电 源管理系统、燃料电池汽车用高功率锂离子电池管理系统、混合动力公交车( 解 放牌) 。 国内的许多院校在电池管理系统方面也做了深入的研究，北京交通大学从 1 9 9 9 年就开始研究电池管理系统及其充电系统，其开发出来的系统具有剩余容 量估算、充放电电流检测、过充过放保护、电池均衡等。湖南大学研制的电动 汽车( e v - 3 ) ，采用了分布式的电池管理系系统。除此之外清华大学、北京航空 航天大学、北京理工大学、同济大学等一些学校也相应的开发出自己的电池管 理系统。 国内一些汽车生产商比如奇瑞、比亚迪、上汽等企业也积极研究，开拓自 己的市场。天津清源汽车公司是在这方面开发较早的企业，其开发的电池管理 系统用在天津夏利上面，续驶里程达到了2 2 0 k m ( 4 0 k m h ) ，并且最高车速超 1 2 0k m h 。，比亚迪汽车公司开发的e 6 纯电动汽车装备了自己生产的磷酸铁锂 电池，该车10 0k m 能量消耗为2 0k w h ，采用家庭用电2 2 0v 进行充电15m i n 就可以达到8 0 的电量，并且最高车速达到1 6 0k m h 。吉利公司生产的熊猫 l c e ，该车采用4 0a h 锂离子电池，使用2 2 0 v 家用电源充电，5 小时就可以 充满，如果快速充电时间只需1h 左右，最大续驶里程为8 0 k m ( 4 0 k m h ) ，最高 车速6 5 k m h 。奇瑞汽车公司生产的s 18 纯电动车也配备磷酸铁锂电池，其容量 为4 0a h ，续驶里程达到1 2 0 k m ，可以采用快速充电，半小时就达到总容量的 8 0 ，如果采用一般的2 2 0 v 家庭用电大概需要耗时4 - - - 6 小时即可以充满，最 高车速达到1 2 0 k m h 【1 6 j 。 虽然电池管理系统近些年发展迅速，在很多技术上取得了很大进步，但相 对与电机及其管理系统技术、整车开发、发动机技术等还存在较大差距。其在 s o c 估算精度、电流电压采集精度、电池的安全性保护及电池均衡等方面还存 在较大的改进空间。 1 3 课题研究的主要内容及要解决的问题 1 3 1 课题研究的主要内容 本课题是以我校与某汽车公司联合承担的国家“8 6 3 ”合作项目为背景，根 据现代电动汽车的发展方向及要解决的一些关键问题，有针对性的对某款电动 汽车动力电池的剩余容量和续驶里程预测做了研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 磷酸铁锂电池工作原理与性能分析； ( 2 ) 电池剩余容量预测方法分析； ( 3 ) 利用神经网络预测电池的剩余电量； ( 4 ) 纯电动汽车续驶里程的预测。 1 3 2 拟解决的问题 本课题主要解决的问题如下： ( 1 ) 对某磷酸铁锂电池组的性能作出分析评价； ( 2 ) 用适当的方法对动力电池进行剩余容量进行预测； ( 3 ) 纯电动汽车续驶里程的预测。 6 第二章电动汽车动力电池特性分析 充分掌握电动汽车动力电池特性是准确预测电池剩余容量的前提，因此在 试验基础上对磷酸铁锂电池组放电特性进行分析非常必要。 2 1 动力电池特性和性能指标 2 1 1 动力电池特性 ( 1 ) 铅酸电池 铅酸电池是目前应用最广泛的电池，它的技术成熟、价格便宜、安全性能 好，因此在电动摩托车和电动自行车上应用广泛。但由于它的体积比能量和质 量比能量都比较低、耐过充放电能力差，污染也比较严重，充电时间长，不能 满足电动汽车续驶里程的要求，因此在电动汽车上不能得到很好的应用【1 7 】。 ( 2 ) 镍氢电池 镍氢电池是一种绿色无污染的电池，它的比能量较高，没有记忆性，高倍 率放电性好、高低温性能好，在电动汽车上得到广泛的应用。但由于它在工作 时的电压较低，需要并联和串联大量的单体才能满足电动车功率和续驶里程的 需求，并且自放电率很高，因此近些年来使用量逐渐变少。 ( 3 ) 锂离子电池 锂离子电池包括磷酸铁锂电池、锰酸锂电池等多种，主要结构形式有三种： 方形、圆柱形和软包装结构。锂电池的能量密度非常高，大概是镍氢电池的1 5 倍；充电效率高，能量转换率远远高于镍氢电池；自放电率低，锂电池在第一 次充电时会在负极上形成电解质界膜，这层膜可以阻止电子通过，可以很好地 防止自放电；另外，锂离子电池还具有循环寿命长、无记忆性等优点，被越来 越多的应用在电动汽车上。 ( 4 ) 锌空气电池 锌空气电池负极材料为锌，正极材料为氧，电解液为氢氧化钾。锌空气电 池的充电方式与一般电池不同，是机械式充电模式，即更换电池的负极。锌空 气电池大电流持续放电能力较强、比能量大、性能稳定、充电时间快、成本低 等优点，但它对二氧化碳和空气湿度敏感，一旦空气湿度改变就会影响到电池 特性。锌空气电池比功率低，电流释放速度慢【1 8 】。 ( 5 ) 燃料电池 燃料电池的优点是：使用寿命长、能量转换效率高、能量密度大、污染小， 但燃料电池反应过程存在需要的金属铂价格昂贵、氢的制造和储存成本较高、 加氢站等设施不完善等诸多问题，所以燃料电池还有待进一步发展。 几种电池的特性比较见表2 1 所示【1 9 。2 0 】 7 表2 1 几种动力电池特性比较 2 1 2 动力电池的性能参数 表征电池性能的参数大体包括电池的机械性能、储存性能、电性能、密封 性能、外形几何性能等方面。这里主要讨论电池的电性能和储存性能，电性能 大体包括电池电压、容量、充电效率、功率、比功率和寿命，储存性能主要包 括自放电与电荷保持能力。 ( 1 ) 电池电压 电池电压主要包括开路电压、工作电压、额定电压和终止电压等【2 1 1 。 开路电压：电池开路( 断路) 时正负极之问的电压差，它与电池的材料、电 池s o c 相关。 工作电压：又叫负载电压或端电压，当电池加载放电时电池正负极之间的 电压差。端电压等于开路电压减去内阻消耗的电压。 额定电压：电池在规定条件下工作的标准电压。一般用于区别电池的类型。 ( 2 ) 电池放电容量 电池在充满电后放电至规定的条件所能放出的电量就是电池容量【2 2 1 。用符 号c 代表，它是放电电流和放电时间的积。单位一般为安时，符号4 删“h 。 电池容量主要包括理论容量、实际容量、额定容量和剩余容量等。 理论容量：根据电池的正负极材料计算出来的容量，当正负极材料全部参 加反应时放出的容量等于理论容量，在实际放电中受到很多条件限制实际放出 的容量要小于理论容量，可以通过法拉第定律计算得到。 额定容量：电池在一定条件下放出的电量。额定容量是厂家用来鉴定产品 合格与否的重要依据，它是在一定条件下电池放电的最低容量。 剩余容量：电池在经过一段时间使用后，在一定的放电倍率和温度下所能 放出的电量。 ( 3 ) 放电效率 8 电池在规定条件下放电，放电到终止电压时电池放出的容量与电池额定容 量的比值，表达式见( 2 1 ) 。 放电效率= 筹1 0 。 ( 2 - 1 ) ( 4 ) 比能量和比功率 比能量是指在一定条件下电池单位质量( 体积) 所能放出的电能。它决定了 电动汽车的续驶里程。比功率指在一定条件下电池单位质量( 体积) 下输出的功 率。比功率决定了电动汽车的加速度、最高速度和爬坡度。 ( 5 ) 使用寿命 通常定义为电池在一定放电条件当容量下降到到额定容量的8 0 时，电池 的充放电次数，它代表了电池的耐用性能。当电池成组后，受到一致性、环境 温度等方面的影响电池组的寿命明显下降，一般为单体寿命的5 0 - - - 8 0 。 ( 6 ) 电池的自放电和荷电保持能力 自放电指当电池处于开路状态时，由于电池内部或外部原因导致的容量损 失的现象。自放电分为化学自放电和物理白放电，物理自放电指电子从电池负 极经过电解液流到电池正极，构成回路造成能量损失。它与电池的工艺、材料、 储存条件等相关，受温度影响不大，最终可能导致电池的开路电压接近零。化 学自放电时电池正负极之间没有形成电流回路，由电池内部化学反应引起。一 般来说，通过对电池进行充放电，可以将损失的容量补充回来。 ( 7 ) 电池内阻 电池内阻经常用来衡量电池带负载能力，它是电流在流经电池时遇到的阻 力。电池的内阻包括极化内阻和欧姆内阻，欧姆内阻与电池电解液、隔膜、材 料及各连接部分问的电阻有关，它遵守欧姆定律。极化内阻是由于电池的负极 与正极在反应时产生的，它与电池的放电电流和工作温度有密切关系，一般来 说大电流和低温容易使极化内阻变大。当电流量变化相同时，电池的欧姆内阻 变化相同，但极化内阻变化不同，最终导致电压差不同。在电池的寿命初期内 阻很小，一般只有几十毫伏，随着电池使用的不断深入内阻也逐渐变大，直到 电池的能量基本消耗在内阻上而很难放出来，这时电池基本报废【2 3 。 ( 8 ) 放电制度 电池放电性能的评价与放电制度有密切关系，同样的电池在不同的放电制 度下所表现出来的性能不同。放电制度大致包括：放电倍率、放电终止电压、 放电时间和放电温度。 1 ) 放电倍率：放电倍率大小等于电池容量的倍数，指电池在一定的时间下 放出容量所需要电流值的大小。假设放电倍率是z ，则放电倍率的计算公式为： z = i c x ( 2 - 2 ) 其中：，一放电电流：c y x 小时率放电容量。 c y x 小时率额定容量，电池在恒流放电情况下，用x 个小时放电到终止 9 电压时放出的容量。i x x 小时率放电电流。 l 2 e x( 2 - 3 ) 2 ) 放电时间：电池在一定条件下放电到终止电压所需要的时间，单位为小 时( h ) 。如果用t 表示放电时问，则 f = c t i( 2 4 ) 其中：c t 小时率放电容量；i 一放电电流。 3 ) 终止电压：当电池在一定条件下充放电时，电池的最高或最低电压。当 电池达到终止电压后，如果继续充放电就会造成电池的过充或过放，造成电池 负极性能的下降，影响电池性能及寿命。不同的电池有不同的终止电压，要根 据不同电池的性能特征确定相应的终止电压。一般来说，放电电流越大或温度 越低则终止电压要定的低些，因为此时电极上的活性物质反应不完全，电压下 降较慢，反之应将终止电压定的高些。 4 ) 放电温度：又称环境温度，指电池放电时外界环境的温度。放电温度对 电池的特性有较大的影响。当电池刚开始放电时的环境温度又称作初始温度。 5 ) 放电深度( d e p t ho fd i s c h a r g e ，d o d ) ：电池在一定条件下放电时，放出 的容量与电池额定容量的比值。 2 2 磷酸铁锂电池工作原理 磷酸铁锂电池性能的好坏是由电池的正负极材料来决定的，它具有比容量 大、放电效率高、工作温度范围广、高温性能良好、安全性能好、可快速充电 等优点，近年来在电动汽车上得到广泛应用2 4 1 。磷酸铁锂电池的正极材料为 l i f e p o 。由耳铝箔与电池正极连接，负极材料为碳( 石墨) ，通过耳铜箔与电池的 负极相连，中间是聚合物隔膜，此隔膜是具有半透状的结构，它只允许l i + 通过， 不允许电子e 一通过。当充电时，l i + 从正极中脱离出来，穿过中间聚合物隔膜 到达负极，此时正极的磷酸铁锂就变成磷酸锂，电池的负极处于富l i + 状态，正 极处于贫l i + 状态，电子通过正极铝箔、外围电路、负极铜箔后到达电池的负极， 从而保持电荷平衡。当电池放电时，l i + 从负极的晶体中脱离出来，经过中间电 解质，到达电池的正极，电子则经过负极铜箔、外围电路到达正极【25 1 。当充放 电反应时电池的正负极表面材料不会遭到破坏，只是表面的材料间距发生变化 【26 1 。反应示意图如图2 1 所示，反应式如下所示： 正极反应式： 塞塑； l i 凡p d 4 三l - x ) f e p 0 4 + x l i + + x e ( 2 - 5 ) 1 矿 负极反应式： 壅皇 6 c + x l i + + x e 。l i 。c 6 ( 2 6 ) 1 矿 1 0 总反应式： 壅皇 l i f e p 0 4 + 6 c 。l i o - , ) f e p 0 4 + l i x c 6 1 矿 m _ 懿鼢囝 图2 1 磷酸铁锂电池反应示意图 ( 2 - 7 ) 2 3 磷酸铁锂电池组放电特性分析 本文基于a v l 电池测试系统针对某型号磷酸铁锂电池组进行大量的充放 电试验( 试验内容见第五章介绍) ，分析总结如下。 2 3 1 电池组不同放电倍率放电能力分析 电池组在不同放电倍率下的放电条件和步骤见章节5 3 。 电池组在1 0 0 s o c 条件下以1 3 c 、1 c 、2 c 和3 c 放电倍率进行放电，放 电过程中电压随放电容量的变化如图2 2 所示。从图中可以看出电池组的放电 容量随着电压的降低而不断增加。电池组在放电初期出现电压急剧下降，然后 到达一个平台期，放电电流越大平台越低，这主要与电池的内阻有关。在内阻 相同情况下放电电流越大内阻消耗的电压就越大，电池的端电压就越低。在电 压平台期内剩余容量变化范围大致在5 a h 一- 4 0 a h ，可以达到额定容量的8 0 以上，放电后期又会出现电压的急剧下降。这正符合锂离子电池的放电规律。 由表2 2 ，随着放电倍率的增加，电池组的放电容量逐渐变小。电池组在3 c ( 1 4 5 a ) 大电流下放电时，放电安时数与额定容量误差仅为一4 5 ，说明电池组的大电流 放电能力较强，可以满足电动汽车高速行驶的需求。 图2 2电池组在不同放电倍率下放电 表2 - 2 不同放电倍率下放电安时数 放电倍率 安时数( a h )与额定容量误差( ) 1 3 c4 6 8 + 4 4 1 c4 4 70 2 2 c4 4 5 0 7 3 c4 2 84 5 2 3 2 不同s o c 下电池组放电能力 电池s o c ( s t a t e o f - c h a r g e ) 是指