（车辆工程专业论文）基于模糊神经网络镍氢电池容量预估与电池管理系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 为了解决汽车尾气所带来的空气污染，以及汽车快速增长后，石油消耗量导 致国家能源安全问题，美国、日本、欧盟都制订了长期的混合动力汽车发展规划， 我国政府在8 6 3 重大专项中也对混合动力汽车开发做了大量的资金和政策支持。 混合动力汽车由电池提供辅助能源，因此混合动力汽车所使用电池组的剩余 电量( s o c ) 的准确估算、电池组故障预测与报警、与整车控制器( h c u ) 的通 讯等技术对混合动力整车开发具有至关重要的作用，因为本文的研究具有重要的 理论意义和实用价值。 本文针对该课题的实际需要，进行了以下几个方面的研究工作： 介绍了镍氢动力电池相关的电化学基本概念，对镍氢动力电池在整车实际工况 下进行了相关实验。在此基础上，对实验数据进行了分析与处理，得出了影响镍 氢动力电池性能的因素。 建立了模糊神经网络模型，利用电池实验数据对该模型进行了模糊规则的修正 与隶属度函数的调优。提出了变电流的方法，针对电池在不同放电条件下的动态 s o c 进行了验证。 针对电池管理系统的具体要求，进行了电路原理图与p c b 图设计。在此基础上， 开发了基于p i c l 8 f 4 5 8 单片机的电池管理系统硬件部分的实物，并对硬件部分的 电气连接进行了检测与调试。 完成了电池管理系统的软件编写，包括：系统初始化子程序、2 秒延时子程序、 电池参数监测子程序、c a n 通讯予程序、串口通讯子程序、剩余电量( s o c ) 算 法子程序以及主程序等。在此基础上利用p i c 单片机开发环境m p l a b 软件对采 集电路板与主控制电路板相应的源程序进行仿真调试，通 过 w a t c h 功能窗口对相 关寄存器值的变化迸行观察，找出其中不合理之处，并修改源程序。 搭建了测试电池管理系统的实验台，对电池管理系统采集电路板的电池参数检 测功能、采集电路板与主控制电路板的c a n 通讯功能以及主控制电路板上的串 口功能进行了测试。 本文通过变电流的方法对模糊神经网络模型进行了验证，网络预测s o c 值与 实验真实s o c 值误差较小，达到了预期效果。对电池管理系统进行了相关的实验， 结果表明，电池管理系统能够把电池的相关数据发送到p c 机上，并对该系统申请 了发明专利。 关键词：混合动力汽车，镍氢动力电池，荷电状态( s o c ) ，电池管理系统( b m s ) 英文摘要 a b s t r a c t t or e s o l v et h ea i rp o l l u t i o nc a u s e db ya u t o m o b i l ea n de n e r g ys a f e t y , t h eu n i t e d s t a t e s ，j a p a na n de u r o p e a nf e d e r a t i o nh a v ee s t a b l i s h e dt h o ro w nl o n g t e r mp r o g r a m t od e v e l o pt h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) t h es m t i er e s e a r c hi sd o n ei nc h i n a o u r g o v e r n m e n th a sp u tal o to f m o n e yi n t ot h er e s e a r c ho f h e vi n “8 6 3 ”i t e m b a t t e r y p r o v i d e sa c c e s s o r i a le n e r g yf o rh e v s ot h ep r e c i s em e a s u r eo fs t a t eo f e h a r g e ( s o c ) ，p r e d i c t i o nm a l f u n c t i o no fb a t t e r ya l a r ma sw e l la sc o m m u n i c a t i o nw i t h h c ua r ea l lv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e s e a r c ho fh e v s oi ti si m p o r t a n tb e t w e e nt h e o r y a n dp r a c t i c et od ot h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f p r a c t i c e ，w eh a v ef i n i s h e ds o m ea s p e c t s ，f o l l o wa s ； ( ) i n t r o d u c i n gs o m ee l e c t r o c h e m i s t r yc o n c e p t so fn i - m hb a t t e r y , a n dd oap e r t i n e n t e x p e r i m e n tf o rn i m hb a t t e r yu n d e rp r a c t i c a lw o r k i n gc o n d i t i o no fh e y b a s e do n a b o v e dw o r k ，a n a l y z i n ge x p e r i m e n td a t u mo fn i - m i - ib a t t e r ya n ds u m m a r i z i n gs o m e c o n c l u s i o n so np e r f o r m a n c eo f n i - m h b a t t e r y ) b u i l d i n gu pt h em o d e lo ft h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k , u s i n ge x p e r i m e n td a t u mo f n i m hb a t t e r yt oa m e n dt h ef u z z yc o n t r o lr u l e sa n do p t i m i z et h em e m b e r s h i pf u n c t i o n v a l i d a t i n gd y n a m i cs o cu n d e rd i f f e r e n td i s c h a r g ec o n d i t i o no fn i m hb a t t e r yb y u s i n gv a r i a t i o n a le l e c t r i cc u r r e n t t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) w o r k i n go u t e l e c t r o e i r c u i td r a w i n ga n dp c bd r a w i n g w o r k i n go u th a r d w a r eo fb m sb a s e do n p i c l8 f 4 5 8a n d c h e c k i n go u ta n dd e b u g g i n ge l e c t r i c a lc o n n e c t i o n 廷) f i n i s h i n gs o f t w a r ed e s i g no fb m s ，i tc o n t a i n ss o m ea s p e c t s ，f o l l o wa s - 2s e e s d e l a y , p e r t i n e n tp a r a m e t e r st e s t ，c a na n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n , a r i t h m e t i co fs o c a sw e l la s m a i np r o g r a m b a s e do na b o v e dw o r k ，m p l a b s o f t w a r ef o rp i cm i c r o c o m p u t e ri s u s e dt od e b u gp r o g r a mo ft h ec o l l e c t i o ne l e c t r o c i r c u i ts u b s y s t e ma n dt h eh o s tc o n t r o l e l e c t r o c i r c u i ts u b s y s t e m , w a t c h f u n c t i o na r eu s e dt oo b s e r v et h ev a l u eo fp e r t i n e n t r e g i s t e r sa n ds o m em i s t a k e sa r ea m e n d e d ( 量) b u i l d i n gu pe x p e r i m e n tb e n c ho fb m st e s t , c h e c k i n go u ts o m ep e r t i n e n tf u n c t i o n s o fb m s s u c ha sc o l l e c t i o nf u n c t i o no fb a t t e r yp a r a m e t e ro fc o l l e c t i o ne l e c t r o c i r e u i t s y s t e m ，t h ec a n c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o l l e c t i o ne l e c t r o c i r e u i ts y s t e ma n dt h eh o s t e l e c t r o c i r e n i ts y s t e m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o no f t h eh o s te l e c t r o c i r c u i ts y s t e ma n ds oo n f i n a l l y , u s i n gv a r i a t i o n a le l e c t r i cc u r r e n tm e t h o dt oc h e c kt h em o d e lo f t h ef u z z y m 重庆大学硕士学位论文 n e u r a ln e t w o r ki nt h i sp a p e r t h ee r r o rb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o n a ls o ca n dr e a ls o c s a r i s f 3 ，r e q u i r e m e n t d o i n gp e r t i n e n te x p e r i m e n tf o rb m s ，i tc a l ls e n de x p e r i m e n t d a t u mo f b a u c r yi n t op cs u c c e s s f u l l ya n dt h ea u t h o ri nt h i sp a p e rh a sa p p l i e dap a t e n t f o r t h e b m s k e y w o r d s ：h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v ) n i m hp o w e rb a t t e r y , t h es t a t eo f c h a r g e ( s o c ) ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) 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及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盔堂 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谢意。 学位论文作者签名：蜀劫邑 签字日期： 2 叼年6 月琴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：高志黾 签字日期：2 。刁年月涉日 导师签名：中匆 签字吼1 年占月矿日 f 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 回顾2 0 世纪人类发展的历史，可以看到汽车扮演了促进经济发展和社会进步 的重要媒介，它的出现极大地改善了人们的生活。但人们在享受汽车文明的同时， 也必须面对汽车带来的负面影响：环境污染和过度使用能源。 在2 0 世纪的最后十几年，节能、环保、新能源等字眼越来越紧密地与汽车联 系在一起。研制开发更节能、更环保的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。 由于电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e 简称e v ) 使用过程中具有良好的环保性能，并可利用 煤碳、水力等其它非石油资源来转化为电能。因此，开发电动汽车无疑是解决汽车 节能、环抱问题的有效途径之一。但作为电动汽车关键部件之一的电池因受其能量 密度、循环使用寿命、价格等方面因素的制约，使得电动汽车的性价比无法与传统 的内燃机汽车相抗衡，过高的成本使其难以商品化。在这种环境下，融合内燃机汽 车和电动汽车优点的混合动力电动汽车【l - 2 ( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，简称h e v ) 异军 突起，在世界范围内成为汽车开发的热点。这种混合动力装置既发挥了燃料发动机 持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二 者“并肩战斗”，取长补短，汽车的油耗可提高2 0 以上，废气排放可降低5 0 以 上。在电动汽车的储能部件一电池没有根本往突破以前，使用混合动力电动汽车是 解决节能、环保问题最具现实意义的途径之一。 因此，为维护我国能源安全，改善大气环境，提高加入w t o 后我国汽车工 业的竞争力，科技部在“十五”国家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专项。专项将 从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技 创新的主攻方向。 作为新一代电动汽车家庭的一员，无论是纯电动汽车( e v ) 还是混合动力汽 车( h e v ) ，都离不开动力电池组，且动力电池组性能的好坏将直接影响整车的性 能指标。因此，对动力电池组的选择至关重要。 m h - n i 电池是最近几年飞速发展起来的高科技产品，它具有比容量与比功率高 【3 】、可高倍率充放电、循环寿命长以及无记忆效应、无污染、可免维护、使用安全 等特点，被称为绿色电池。在能源紧张、环境污染严重的今天，显示出广阔的应用 前景。 根据各类电池的比功率与放电深度的关系，可以看出，m h - n i 电池的比功率在 现有电池中最高，能够满足混合动力汽车的加速性能和最高车速要求。 循环寿命长【4 】也是m h - n i 电池的一个重要特征。在1 0 0 的放电深度下m h - n i 重庆大学硕士学位论文 电池具有1 0 0 0 次循环寿命，在3 0 的放电深度下具有1 0 0 0 0 次以上的循环寿命。 在混合动力汽车的实际使用中，一般电池的放电深度约为8 0 ，在这种放电条件下， 根据数学模型预测m h n i 电池的寿命可达2 0 0 0 到3 0 0 0 次循环。m h - n i 电池在1 c 充电倍率下，1 5 r a i n 内可充至6 0 的容量，l h 内可完全充满，在常温下即可工作， 而且无环境污染。虽然m h - n i 电池的成本较高，但是根据有关资料可知：从总体 性价比上，镍氢电池被证明是最适合混合动力电动汽车的动力蓄电池。因此，本研 究采用m h n i 电池为研究对象。 本课题来源于国家“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项课题“i s g 型混合动力长安 轿车整车匹配”( 批准号：2 0 0 3 a a 5 0 1 3 0 0 ) 、重庆市科委科技攻关重大项目“长安 混合动力汽车技术与产业化”( 批准号：c s t c2 0 0 6 a a 6 0 0 6 ) 、国家自然科学基金 “c v t 混合动力系统再生制动的理论研究与试验模拟”( 批准号：5 0 4 7 5 0 6 7 ) 、国家 自然科学基金“轿车c v t 无级变速混合动力多能源动力系统的物理模拟及性能优 化”( 批准号：5 0 3 0 5 0 3 7 ) 。本课题以镍氢动力电池为研究对象，作为h e v 上一个 重要的部分，其性能的好坏直接决定h e v 的性能好坏。因此，本课题研究具有重 要的理论意义和实用价值。 1 2电池管理系统发展现状【5 棚 镍氢电池是以串联方式构成电池组作为电动汽车的能源，限于串联工作方式的 特点，为保证电池工作的可靠性、安全性以及电池使用寿命等，就必须对电池组的 充放电过程进行监测、管理和控制。因此车载式电池组均衡充放电及充放电管理控 制技术作为电动汽车的关键技术之一，受到研究人员的极大重视。在上述问题的研 究方面，国内外均取得了一定进展。 目前，国内外研究团队在此领域做出大量的工作。德国柏林工业大学光电研究 所研制的b m s 7 1 具有动力电池均衡及实时监测功能，硬件方面采用了基于西门子公 司生产的微处理器8 0 c 1 6 7 c r 的d l c u 技术，并且可以对电池历史数据进行非遗失 存储，值得一提的是此系统把采集到的电池数据储存在非遗失性存储器里，然后根 据电池的实时数据估算出电池当前的荷电状态s o c ，并且前后两次采样时间可以用 p c 机通过c 程序编程。在电压采集方面使用了电压扫描仪通过对每一个模块隔离 采样的方式采集电压，其中使用模拟转换网络来实现每一采集通道与a d 转换器的 连接，最终通过串行的方式将数据发送到经过光电隔离的微处理器。 德国a a c h e n 大学光电研究所a n d r e a sl o h n e r 等人研发的电池管理系统b m s i s 主要由电压模块监测系统( v m u ) 与电流、温度模块监测系统( c m u ) 两个子系 统组成，v m u 与c m u 之间的数据传送是通过装配在环形物上的光纤传送系统实 现，这样通过电气隔离减小了电磁噪音，电压测试模块测量范围从o 3 v 到1 6 v ( 其误 2 1 绪论 差小于o 1 5 1 ，电流测试模块测量范围0 a 到3 0 0 a ，在电压测试模块( v m u ) 方面， 当接受到来自于d a u 的触发信号时，它会通过一个转换开关从休眠状态转向工作 状态，v m u 的电源提供直接来自于被测试的电池，这样降低了通过外加辅助电源 给系统带来的复杂性，同时简化了电气连接数量，使电流测量装置v m u 安装容易。 值得一提的是在此模块中，电压的采集使用了一种修正的“d u a l s l o p ”方案，其基本 原理是：整个电压采集电路中有两个地( 一个是被测电池的地，另一个是a d 转换 器的测试地) ，测试地的电压比电池地的电压低1 5 v 。当测试各路电压时，把测试 地作为参考点，然后v m u 通过测试到的每一级电池电压减去电池地端的电压计算 出每一路电池端电压，这样做的好处是减少了单级电池的测量误差并且提高了测试 的稳定性。在电流、温度测试模块( c m u ) 方面，电流采集通过电阻转换成电压的 形式经运算放大器和a d 转换器最后到达微处理器，而温度采集使用数字式温度传 感器。 日本v i i t s s u b i s l f i 公司生产的b m s 【9 1 在电池均衡方面采用的是电池组间电容均 衡。其基本原理是：一个电容通过转换开关与并联的电池组相连，当电池1 电压大 与电池2 电压，电池1 通过转换开关对电容充电，直到电池1 电压等于电容电压。 之后转换开关与电池2 相连的电容对电池2 充电，直到电容电压等于电池2 电压。 这样做的好处是实现了电池间能量高的部分向能量低的部分转移，从而实现了电池 组间能量均衡，不会造成多余能量的浪费。 加拿大多伦多大学t h o m a ss m a r t 、x i a o p e n g w a n g 等人研发出的b m s 1 0 l 在电压 采集方面通过四个电压局部采集模块分别可对4 8 组电池进行采样，每个局部模块 采用独立的地，当中包含了一个多路开关、一个a d 转换芯片、一个微处理器以及 两个独立的缓冲器( 分别作为接收和发送数据) 。当各个组的电池电压采集后，经 多路开关、a d 转换芯片到达微处理器，最终通过串行数据线把采集到的数据信号 发送到中心模块单元的中央处理器，其中四个电压局部采集模块与中央处理模块分 别采用不同的五个独立地，这样做的好处是四个电压局部子模块之间以及局部采集 模块与中央处理模块之间互不干扰，并且使模拟信号地与数字信号地隔离开，从而 增强了整个采集系统的抗干扰性。此外，该系统还具有以下特点：整个系统模块 化降低了布线的复杂程度；利用储存在程序寄存器里的自动校核程序对电压、电 流进行校准，提高了电压、电流采集精度；所有模块间均采用c a n 2 0 b 串行通 讯，使用方便、可靠性高；当电池处于静置状态，电池管理系统b m s 进入个 低工耗模式并且记录下静置时间，有利于对下次电池的荷电状态做出一定补偿。 在国内方面，一些相关的科研院校也在这个领域作出了一定的成绩北方工业大 学研制的b m s ”j 功能大致包括以下7 个模块：充电控制模块；放电控制模块； 放电时s o c 的估算；充电时s o c 的估算；停车时s o c 的估算；s o c 的 重庆大学硕士学位论文 综合预估；续行里程数的预估。充电控制模块保证充电过程中对电流的限制，使 电池组里的每节电池避免过充，同理放电控制模块保证放电过程中对电流的限制， 使电池组里的每节电池避免过放，电池在h e v 实际工况中( 起车、加速助力、刹 车制动) 电池s o c 的估算靠放电时s o c 的估算模块、充电时s o c 的估算模块、 停车时s o c 的估算模块，最后通过综合预估模块估算出s o c ，以及根据电池的s o c 判断出汽车续驶里程数。 北京航空航天大学7 0 2 室研制出的b m s 【1 2 - 1 3 主要有以下功能组成：采集功 能( 包括对单组电池电压、电池总电压、充放电电流、电池温度的采集) ；电池荷 电状态s o c 估算；保护功能( 充电保护、放电保护) ；均衡功能；电池历史 数据信息的非易遗失性存储；与整车通讯功能；信息显示功能。该系统中，多 个功能单元彼此之间相互协调，有机地组成在一起。其中，电池测量及传感单元对 电池的电压、电流、温度等进行测量或传感，并将数据传递给主控c p u 单元。主 控c p u 单元负责电池数据的分析，电池荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 的估算， 均衡控制和充放电控制策略的实现，当电池出现故障时及时给予故障诊断。主控 c p u 单元还将根据电池的状态提示驾驶员在适当的时候对电池充电和均衡的维护， 并对充电过程和均衡过程实施控制。存储单元用来存储电池的电量、故障原因、循 环寿命、使用历史等重要的信息。通讯单元包括c a n 总线通讯和r s 2 3 2 串口通讯， 其中c a n 总线负责与整车和多能源系统通讯，将电池信息传递给多能源系统和车 辆的其它系统，也可接收整车的控制指令，r s 2 3 2 串口通讯负责与上位机监视系统 通讯，电池的所有信息都可在上位机的可视化界面显示，数据可保存和查询。信息 显示单元用于系统的调试和电池信息的可视化监视与查询。低压控制单元负责电池 成组继电器的控制，当电池出现故障时及时切断电池充放电回路以确保电池安全。 台湾c h u n gh s i n g 工业研究所y u h - f w uc h o u 等人研发出的电池管理系统 b m s d 4 能够同时对1 2 只额定容量为4 5 a h 的电池进行管理，其主要功能有：监 测和显示系统采集到的电池相关数据：使每只电池在工作范围内能量均衡：高 效率的安全保护策略；通过电池的端电压和充、放电电流估算s o c 。该系统由采 集模块、数据处理模块、功能执行模块、通信模块等构成。在采集模块中：首先， 电池在工作时的电压、电流以及温度等模拟信号经过相应的传感器、多路转换开关； 然后，把采集的模拟信号经过滤波处理后送a d 转换器，把模拟量转换为数字量； 最后，把经过a d 转换后的数字量送入c p u 的i o 口。在数据采集模块中：c p u 与相应的数字电路控制多路开关的选择、数据锁存以及均衡模块电源线的开、关； 此外，经过a d 转换的数字信号还同时被存入静态r a m 数据存储器，作为电池的 历史数据供监测电池状态使用以及送入p w m 控制器，作为脉宽调制信号，c p u 通 过r s 2 3 2 串口与p c 机串口通讯。在功能执行模块中：它主要负责使能均衡模块的 4 1 绪论 电源部分，电源线通过一个由c p u 控制的开关继电器导通。当电池处于非正常状 态，继电器将被断开从而提高电池在充、放电状态过程中的寿命。 北京交通大学研制的电池管理系统b m s ”惧有以下功能：测量功能( 在每 节电池上安装有电池测试模块，每个模块以p i c l 6 f 6 2 8 为核心构成分布式测控系统 的一个工作节点，以主监控板上的8 0 c 1 9 6 k b 芯片作为分布式测控系统的核心，检 测模块通过d s l 8 8 2 0 数字半导体传感器测量电池温度，通过d s 2 4 3 8 芯片测量电池 工作电压，然后p i c l 6 f 6 2 8 单片机存储所检测到的数据，当主监控板上的8 0 c 1 9 6 发出查询指令时再将数据通过2 0 m a 电流环电路上传) ；预警功能( b m s 将所测 试的电池电压、温度、电流等参数送入专家诊断程序中处理，有专家诊断程序对电 池组品质下降的电池作出提前预测，通过显示电路和上位机的r s 4 8 5 通讯程序报 警；s o c 估算功能( 8 0 c 1 9 6 作为主控c p u ，将由分布式节点测量得到的电池电 压、温度数据，以及c s 5 4 6 0 a 测量得到的电流数据送入专家系统处理程序，得出 电池放电电流系数、电池充电电流系数以及电池容量温度函数，通过测量得到电 池瞬时放电电流和瞬时充电电流，最后输入电池电流、累积安时数、平均温度、累 积使用时间等多参数形式综合智能补偿算法得出系统当前的s o c ) ：通讯功能的 实现( 系统中主监控板通过2 0 m a 电流环与各分布式测控节点通讯，得到每一节电 池的电压、温度数据，同时通过r s 4 8 5 通讯将所测到的数据发送给p c 机，最后通 过c a n 总线将数据发送给主控单元( e c u ) ；均衡功能( 每个电池检测模块上都 有均衡充电电路，根据p i c l 6 f 6 2 8 所接到的主控制c p u 的指令利用模块中的电感 作为储能元件，在开关管的开通和关断控制下，将端电压高的电池的部分能量转移 给其它电池，从而使该电池电压降低，而其他单体电池的电压升高，达到串联电池 组的自动均衡) 。 哈尔滨工业大学研制出的电池管理系统b m s 1 6 】主要有以下构成：系统管理 节点模块( 负责整个电池管理单元的控制管理以及汽车多功能单元的通讯，节点由 高性能微控制器以及相关外围电路构成，主要完成电池温度、电压、电流信号的采 集、散热控制以及c a n 总线通讯；电压测量及均衡模块( 4 0 只单体电池构成的 电池组用导线分别接入到相应的均衡电路板上，均衡电路采样单体电池的电压并传 送到电池管理系统的处理器中，管理系统通过自身的电压采样接口获得动力电池组 的总电压，当相邻单体电池的电压差超过系统定义的允许工作区间时，均衡电路开 始工作，以保持整个电池组中所有单体电池的电压达到平衡；电流测量模块( 采 用霍尔元件测量电池组总的充、放电电流，电流采集通过在电池充、放电回路中串 联一个毫欧姆级的精密电阻，采取测量电阻两端的电压的方式间接测量电流) ； 温度测量模块( 在电池组中设置8 个温度传感器，实时监测电池组的温度，当电源 温度高时控制风扇工作，当温度过高时发出报警，当温度超出系统规定的上界温度 重庆大学硕士学位论文 时强行关闭动力电源系统) ；c a n 通讯及显示模块( b m s 通过c a n 总线与电动 汽车的中心电控系统进行数据和控制通讯，在电池状态数据显示方面，采用了一个 1 2 8 6 4 点阵l c d 显示器，显示内容包括单体电池的电压、电池组的总电压、充放 电电流、温度检测点的温度、动力电池的s o c 状态、预测的续驶里程以及相应的 故障显示) ；保护模块( 当电池出现过压、过流、欠压时，c p u 通过控制继电器 断开，从而使电池脱离整个电路，保证电池安全) 。值得一提的是，该管理系统在 控制策略上有可借鉴之处：在电压监测方面一充电过程中，当单体电池电压超 过4 2 5 v 或电池组总电压超过1 7 0 v 时，b m s 发出一级报警，当单体电池电压超过 4 5 v 或电池组总电压超过1 8 0 v 时，b m s 发出二级报警，并发出切断回路信号； 放电过程中，当单体电池电压低于2 7 5 v 或电池组总电压低于1 1 0 v 时，b m s 发出 一级报警，当单体电池电压低于2 5 v 或电池组总电压低于1 0 0 v 时，b m s 发出二 级报警，并发出切断回路信号；在温度监测方面当温度达到6 0 。c 时发出一级 报警，当温度达到8 0 时发出二级报警，并发出切断回路信号；在剩余容量监测 方面在放电过程中，根据电池的特性曲线不断地计算电池组中的剩余容量，并 通过c a n 总线传送到显示系统，当剩余容量达到总容量的2 0 时发出一级报警， 当剩余容量达到总容量的5 时发出二级报警。b m s 根据电池容量的衰减情况，计 算电池组的寿命，并通过c a n 总线传送到b m s 的数据存储器。 总之，从国内外对电池管理系统b m s 的研究状况来看，电池管理系统b m s 是一项实践性非常强的的研究，它应该具备采集功能( 包括对单组电池电压、电池 总电压、充放电电流、电池温度的采集) ，电池荷电状态s o c 估算，保护功能( 充 电保护、放电保护) ，均衡功能，电池历史数据信息的非易遗失性存储，与整车通 讯功能，信息显示功能等。现有的b m s 对电池s o c 的预估的精度还存在一定的距 离，对动力电池s o c 的预估成为当今b m s 的研究与发展具有重要的理论及实际意 义。因此，本文在借鉴国内外b m s 优点的基础上，研究了电池s o c 的预估方法与 b m s 硬、软件的开发。 1 3 本文主要研究内容 本文作为国家自然科学基金轿车c v t 无级变速混合动力多能源动力系统的 物理模拟及性能优化( 批准号：5 0 3 0 5 0 3 7 ) 的重要组成部分，针对电池管理系统 的硬、软件开展了研究，本论文的主要研究内容如下： 介绍了镍氢动力电池相关的电化学基本概念，对镍氢动力电池在整车实际工况下 进行了相关实验。在此基础上，对实验数据进行了分析与处理，得出了影响镍氢动 力电池性能的因素。 建立了模糊神经网络模型，利用电池实验数据对该模型进行了模糊规则的修正与 6 1 绪论 隶属度函数的调优。针对电池在不同放电条件下的动态s o c 进行了验证。 针对电池管理系统的具体要求，进行了电路原理图与p c b 图设计。在此基础上， 开发了基于p i c l 8 f 4 5 8 单片机的电池管理系统硬件部分的实物，并对硬件部分的电 气连接进行了检测与调试。 完成了电池管理系统的软件编写，包括：系统初始化子程序、2 秒延时子程序、 电池参数监测子程序、c a n 通讯予程序、串口通讯子程序、剩余电量( s o c ) 算 法子程序以及主程序等。在此基础上利用p i c 单片机开发环境m p l a b 软件对采集 电路板与主控制电路板相应的源程序进行仿真调试，通过 w a t c h ”功能窗口对相关寄 存器值的变化进行观察，找出其中不合理之处，并修改源程序。 搭建了测试电池管理系统的实验台，对电池管理系统采集电路板的电池参数检测 功能、采集电路板与主控制电路板的c a n 通讯功能以及主控制电路板上的串口功 能进行了测试。 7 2 镍氢动力电池的性能分析 2 镍氢动力电池的性能分析 动力电池是混合动力汽车重要的组成部分，动力电池性能 1 7 - 2 1 1 的好坏直接影响 混合动力汽车性能好坏。本章介绍了化学电池的基本特性；并在整车实际工况下， 对电池的相关性能实验所得到的数据进行处理；分析了电池性能有影响的因素。 2 1 镍氢电池的基本原理【2 2 】 镍氢电池正极的活性物质为n i o o h ( 放电时) 和n i ( o h ) ：( 充电时) ，负极板的活 性物质为日：( 放电时) 和d ( 充电时) ，电解液采用3 0 的氢氧化钾溶液，电化学反应 翟忑极反应：m ( d 日) ：+ d 日一磐f d 船县d + 。 ( 2 1 ) 充电 电池正极反应：肘+ 1 - t 2 0 + 口= 3m h + o h 一 ( 2 2 ) 充电 诗由 电池总反应：m + n i ( o h ) ，笛n i o o h + m h ( 2 3 ) 充电 膨为储氢合金，m h 为吸附了氢原子的储氢合金在正常工作状态下，正极电极 发生的电化学反应与镉镍电池正极所发生的电化学反应相同。负极发生的电化学反 应与燃料电池负极所发生的反应相同，放电时氢气被氧化成水，充电时水被电解， 氢气又被生成。电池总反应过程发生后，除了氧化镍被氢气还原生成氢氧化镍或相 反过程之外，没有水量的变化，也没有氢氧化钾k o h 量的变化，因而氢氧化钾k o h 溶液的浓度也不变。 m h - n i 电池的制造主要包括贮氢合金制备、正负极成型、极片组装等方面。其 正极采用c d - n i 电池中使用的氢氧化镍( 简称镍电极) ，负极则是由贮氢合金作为 活性物质的m h 电极，两极之间用聚酰胺布等隔膜材料隔开，电解质为k o h 碱液。 m h - n i 电池正极生产工艺继承c d - n i 电池的先进研究成果上有了新的进展。目 前主要采用改进烧结工艺及浸渍参数来提高烧结式镍正极的体积比容量，改进后的 烧结式镍正极体积比容量可达5 0 0 m a h e r a 3 ，而普通c d - n i 电池的烧结式镍正极体 积比容量仅4 0 0 m a h c m 3 。贮氢合金负极的制备一般采用涂膏式，即将贮氢合金与 粘结剂按一定比例混合调成膏状，涂覆到泡沫镍基体或镀镍穿孔钢带上烘干，滚压 制成负极。 2 2 镍氢动力电池的选取 9 重庆大学硕士学位论文 本文选用的镍氢动力电池是由广东中炬森莱高技术有限公司提供的型号为 6 0 q n y 6 5 的1 , 2 v 6 5 a h 镍氢电池，该电池组是由6 0 只1 2 v 6 ，5 a h 镍氢电池组串 联而成，具体结构如图2 1 所示。 图2 1 镍氢动力电池组外形结构图 f i g 2 1 f o r mc o n f i g u r a t i o no f n i - m hp o w e rb a t t e r i e s 电池组采用不锈钢的外壳，内部安装有1 0 组( 6 只组) 的单元电池、三个温 度传感器、一个快速熔断器，外部安装有三个冷却风扇、一个电池电压、温度信号 传输连接器。相关说明如下： 每个7 2 v 6 5 a h 电池组内安装有3 个温度传感器，可及时向管理模块提供电池组 内部温度变化的情况； 每个7 2 v 6 5 a h 电池组带有3 个冷却风扇，风扇由管理模块控制，根据需要可及 时对电池组进行通风冷却； 电池组内部安装有快速熔断器，以确保电池组的使用安全。 表2 1 为6 0 r v 6 5 镍氢动力电池的相关技术参数： t a b l e 2 1 t e c h n i c a l p a r a m e t e r s o f 6 0 q n y 6 5 n i - m h p o w e r b a t t e r i e s 额定容_ 量a h6 5 a h 标称电压1 | 2 v 比能量舢l ，k g l 5 1 4 2 比功率a v k g - i7 6 0 ( 平均) 、9 2 0 ( 最大) 寿命 经2 0 a 充放1 0 5 0 0 0 次后容量衰减为6 2 3 a h ，衰减 后容量为初始容量的9 5 8 5 ，寿命测试后电池未发生冒 碱等现象，可以满足整车行驶1 0 0 0 0 0 公里。 工作温度| c5 5 7 0 2 3 镍氢动力电池的性能参数 1 0 2 镍氢动力电池的性能分析 镍氢动力电池性能参数【1 7 1 2 0 - 2 4 主要有：开路电压和工作电压、电池内阻、电 池的容量与比容量、电池的能量和比能量、电池的功率和比功率、电池的荷电状态 和放电深度。下文结合介绍镍氢动力电池性能参数，并通过试验数据分析了镍氢动 力电池的性能。 2 3 1电池开路电压和工作电压 开路电压是指外电路没有电流流过时电极之间的电位差( 【k ) ；工作电压( u t ) 又称放电电压或负荷电压，是指有电流通过外电路时，电池两极间的电位差。工作 电压总是低于开路电压，因为电流流过电池内部时，电池内阻( 愚) 上有一部分压 降。 工作电压：坼= c 么- - i 局= l k f 限n 手震j ( 2 4 ) 或以= 一玑一叩一一= 纵一纯一 ( 2 5 ) 式中：极正极极化过电位： 玑一负极极化过电位； 仉一正极电位；纯一负极电位； i 一工作电流；r 。一欧姆电阻； 研一极化电阻；飓一电池内阻。 电池的工作电压与放电参数有关，即放电时间、放电电流、环境温度、终止电 压等都影响电池的工作电压。 放电方法：放电方法分恒流放电和恒阻放电两种。此外，还有连续放电与间歇放 电。连续放电是指在规定放电条件下，连续放电至终止电压。问歇放电是指电池在 规定的放电条件下，放电间断进行，直到所规定的终止电压为止。 终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电 压。一般在低温或大电流放电时，电极极化大，活性物质不能得到充分利用，电池 电压下降较快。终止电压低些。小电流放电时，电极极化小，活性物质能得到充分 利用，终止电压可高些。 放电电流：在谈到电池容量或能量时，必须指出放电电流大小或放电条件，通常 用放电率表示。 放电率指放电时的速率，常用“时率”和“倍率”表示。时率是指以放电时间( h ) 表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数。例如，电池的 额定容量为6 5 a h ，以6 5 a 电流放电，则时率为6 5 a n 6 5 a = 1 ，称电池以l 小时 率放电。 “倍率”指电池在规定时间内放出其额定容量所输出的电流值，数值上等于额定 容量的倍数。例如，2 “倍率”的放电，表示放电电流数值为额定容量的2 倍，若电 池容量为6 5 a h ，那么放电电流应为2 x 6 5 = 1 3 a h ，也就是2 c 放电。换算成小时率 则为6 5 a h 1 3 a h = 1 2 小时率。 重庆大学硕士学位论文 电池放电电流( i ) 、电池容量( c ) 、放电时间( t ) 的关系为： ，= 孚 2 3 2 电池内阻 电池内阻有欧姆电阻( r n ) 和电极在电化学反应时所表现的极化电阻( r i ) 。 欧姆电阻和极化电阻之和为电池的内阻。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔膜电阻 以及各部分零件的接触电阻组成。隔膜电阻是当电流流过电解液时，隔膜有效微孔 中电解液所产生的电阻j k 。 r m = 以。d( 2 7 ) 式中：一隔膜电阻； 店_ 溶液比电阻； ，_ 表征隔膜微孔结构的因素等。 结构因素包括隔膜、孔率、孔径、孔的弯曲程度。 极化电阻r ，是指电化反应时由极化引起的电阻，包括电化学和浓差极化引起 的电阻。为比较相同系列不同型号的化学电源的内阻，引入比内阻( r ：) ，即单位 容量下电池的内阻。 r ! = 兰i( 2 ，8 ) c 式中：耳一比内阻，q 乜 ) ； c 一电池容量，彳j j l ： 足一电池内阻，q 。 2 3 3 电池的容量与比容量 理论容量( c o ) 活性物质的理论容量( c o ) 为： c o = 2 6 8 n m 膨o = i 1 聊。 ( 2 9 ) 式中：c o 一理论容量； m 。一活性物质完全反应的质量； 肼活性物质的摩尔质量； 万一成流反应得失电子数； 口活性物质电化当量。 实际容量(