（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车蓄电池管理系统.pdf

北京交通人学硕士研究生论文 法来估算剩余电量s o c ，以及一种新颖的串联蓄电池组自动均 衡装置。该系统现已应用于8 6 3 计划资助课题混合动力汽车 用镍氧动力电池组及其管理 ( 2 0 0 1 a a 5 0 1 5 3 3 ) 和 ( 2 0 0 2 a a 5 0 1 6 3 1 ) 中，目前运行良好。 关键词：电动汽车( e v ) ，蓄电池管理系统( b m s ) ，剩余电量 ( s o c ) ，删一n i 电池( m t t n i ) ，均衡充电 北京交通大学硕上研究生论文 b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m f o re l e c t r i cv e h i c l e 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 d b ya u t o m o b i l ea n de n e r g y s a f e t y ，t h eu n i t e ds 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 e e s t a b l i s h e dt h e i ro w n l o n g t e r mp r o g r a mt od e v e l o pt h ee l e c t r i c v e h i c l e s t h es a m er e s e a r c hi sd o n ei nc h i n a b a t t e r yp r o v i d e sa l l t h ee n e r g yo rp a r te n e r g yf o re l e c t r i c v e h i c l e s s ot h e p r e c i s em e a s u r eo fs t a t eo fc h a r g e ；p r e d i c t i o n m a l f u n c t i o no f b a t t e r ya n da l a r m ；c h a r g ee q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e ； f a s t c h a r g et e c h n i q u e a r ea l l v e r yi m p o r t a n t b e c a u s e t h e s e t e c h n i q u e sd e t e r m i n et h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s r a n g e 、s e c u r i t y o fe v 、l i f eo ft h e b a t t e r ya n dc o s to f t h ee v s o m eo ft h e p e r t i n e n t c h a r a c t e r i s t i c so f b a t t e r y a r e i n t r o d u c e df i r s ti nt h i st h e s i s t h e na c c u r a t ea n dr e l i a b l es t a t eo f c h a r g e ( s o c ) m e a s u r e 、p r e d i c tm a l f u n c t i o no f b a t t e r y 、a n o v e l 3 北京交通大学顾十研究生论文 c h a r g ee q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e a r e i n t r o d u c e d b y d i s c u s st h e e x i s t i n gt e c h n i q u e s ，t h i s t h e s i ss u m m a r i z ean e w b a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e mo fm h n iu s i n gi ne l e c t r i c v e h i c l ew h i c h i n c l u d e m u t l i p a r a m e t e ri n t e l l i g e n t s o ce s t i m a t i o n m e t h o d s ； c h a r g ee q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ea n dd i s t r i b u t e dm e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e m t h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e di n8 6 3p r o g r a m ( ( b a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m f o rm h n ii n h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( 2 0 0 1 a a 5 0 1 5 3 3 ) & ( 2 0 0 2 a a 5 0 1 6 3 1 ) a n dr u n n i n gp e r f e c t l y k e yw o r d s ：e l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) ，b a t t e r ym a n a g e m e n t s y s t e m ( b m s ) ，s t a t e o f c h a r g e ( s o c ) ，m h n ib a r e r y ( m h n i ) ， c h a r g ee q u a l i z a t i o n 4 北京交通大学硕l 研究生论史 1 1背景介绍 第一章概述 汽车工业蓬勃发展的百年历史记载了人类文明飞跃发展的光辉历 程，然而，汽车保有量的不断增长存促进世界经济飞速发展和给人们提 供便利的同时又将能源与环境问题推到了日益严重的处境，“能源、环境 和安全成为2 1 世纪世界汽车工业发展的3 大主题”。 环境问题的表现形式为空气污染，据环境部门统计，日前，大气污 染的4 2 来源于变通运输，随着人们生活水平的提高，汽车保有量会迅 速增加，这一比例也会相应提高预计2 0 1 0 年汽车尾气排放将占空气污 染源的6 4 。由于大气状况严重恶化引起的一系列异常的自然现象，比 如：光化学烟雾、酸雨以及厄尔尼诺、城市热岛效应等严重破坏和影 响到人类赖以生存的地面生态系统。特别的，全球范围内，温室，e 体 c o ，的排放量引起人们的极大关注，i p c c 技术报告显示，在过去的 几百年内，地球表面平均气温上升了0 3 0 6 。c ，若对c o ，气体排 放不加限制的话，到2 l 世纪末，地球表面平均气温将再上升2 。c ，海平 面将再上升大约5 0 c m ，严重威胁到人类有限的陆地生存空间。 目前，汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油的制成品，根据已探明 的世界石油总储量估计，全世界的石油资源仅能供人类充分使用4 3 年左 右，而且世界范围内的石油产量将在2 0 1 0 年前后达到峰值，考虑到随着 石油资源的逐渐匮乏，产量的逐渐降低，开采成本的逐渐升高，实际的 石油资源有效使用年限将会更短。目前，我国在用汽车量为1 7 0 0 多万辆， 7 北京交通人学硕士研究生论文 随着我国经济实力和人均收入的逐步增长，预计近几年汽车保有量的增 长幅度将达9 5 i 0 5 ，对石油燃料的需求也将大幅度增长，估计到 2 0 1 0 年，我国汽车燃油需求量将达7 6 5 5 8 0 5 5 万吨。2 0 0 0 年我国进口 石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过l 亿吨，相当于科威特一年的总 产量。有限的石油资源逐步成为汽车工业可持续发展的瓶颈。 显然，进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源 安全和环境保护造成巨大的压力。结合我国实际国情，发展清洁汽车， “尽快遏制我国众多大、中城市大气污染日趋恶化的势头己刻不容缓”。 另外，2 0 0 8 年北京夏季奥运会以及2 0 1 0 年上海世博会的成功申办，给 我国城市大气环境质量提出了更高的要求。 目前，电动汽车主要有三种类型：电池电动车( b e v ，b a t t e r ye l e c t r i cv e h i c l e ) ，混合电动车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 和燃料电 池电动车( f c e v ，f u e lc e 1e l e c t r i cv e h i c l e ) 。 电池电动车( b e v ) 以车载电池为动力电源，可实现零排放，彻底解决 汽车尾气污染。但由于目前可用的电池比能量低，充电时间长，一次充 电行程短，造价高，电池成本约占电动车成本的4 0 ，尚不能推广应用。 混合电动车( h e y ) 的动力系统包括电池组和内燃机，兼有电动车和内 燃机汽车的优点。混合电动车有串联型( s 型) 和并联型( p 型) 两种，串 联型电动车由内燃机驱动发电机，发电机给电池充电，电池给电动机供 电，电动机直接驱动汽车。并联型的内燃机和电动机都可直接驱动汽车， 在郊外长途行驶时用内燃机驱动，汽车启动后和市区行驶用电池驱动， 既提高了内燃机效率，又大大降低了污染物排放，缺点是不能彻底解决 汽车对环境的污染。日本丰田公司自1 9 9 7 年以来己批量生产p r i u s 串联 型混合电动车，年产量现已达3 万辆。美国福特公司、法国p s a 标致一 雪铁龙集团也都在研制、生产混合电动车。 8 北京交通大学硕上研究生论冀= 燃料电池电动车( f c e v ) 效率高，排污少，性能好，有可能成为未来 汽车豹主流茹耱之一。【2 5 1 2 ( ) 世纪9 0 年代以来，世界各困存电动汽车整车设计上采用了薪技 术、新材料、新结构，电动汽车用电池性能也在不断改善，使电动汽车 走向实爆他方向迈进了大步。表l 一7 列出了霆外几大汽车公司的电动 汽车性能。中圈生产的电动车性能见装卜8 。 我嚣致麝已裁定强裁性法疆要求2 0 0 3 等麓瑟车熬污荣麓潞漆开簸 执行相当于欧洲3 号的标准。同样，世界范围内，汽车尾气排放法规也 制定誉霸趋严格，萁中，目本、美雷帮数盟静簿藏法甄实箍和计剜实施 情况如表1 1 。 表1 i日本、美溺和欧缀国家的摊放法规实施情况一览表 年份 9 69 79 89 90 00 10 20 30 40 50 60 7 日本 汽油车短期控制法规辫长期控制法规 浆涟苇长期控l 波艇薮短期控镕l 法螺薪长期 加卅 l e vl e v i i 美国 联帮政麝 n l e ￥t i e r 2 欧盟e u r 0 2e u r 0 3e u r 0 4 汽车节能方面，美国提出了碧 2 0 0 4 年或2 0 0 5 年，新生产小轿车的酉 公里演耗平筠德要达鹜1 9 9 4 年的三分之一；欧洲各莺掇 蟊了到2 0 0 5 年轿 车的百公里油糕均值柴油机车不应超过3 l 、汽油机车不应超过4 l ；日本 也有类似目标。 掰世纪人们呼吁并期待羞、关注着清洁、节汽车技术妻孽发展弱广 泛应用。 北京交通大学硕上研究生论史 1 2当前需要重点解决的主要问题 由于电动汽车和混合动力车特定的工作方式对动力电池提出了特 殊的要求：良好的充电接受能力( 再生制动、补充充电) ，高的功率密度 和比功率，高的循环效率和低的内阻( 功率均衡) ，良好的一致性，低的 白放电率和高的能量密度和比能量( 保证零排放行驶旱程) 等。阀控铅 酸电池、高功率镍氢电池、锂离子电池成为电动汽车和混合动力汽车的 主要选择。为弥补电池组功率密度的不足，超级电容器、超高速飞轮在 混合电动车辆上得到了应用。 另外，对电池组实施智能化的管理对提高电池寿命、为多能源管理 控制系统提高准确的电池组状态很有必要，是决定电池组足否能实现车 辆行驶功率均衡的关键。 目前，能量管理系统中电池电量状态普遍采用剩余电量s o c ( s t a t e o fc h a r g e ) 表示，也称为荷电状态s o c 。采用的主要算法有：安培时间 积分法、开路电压法、负载电压法、内阻法等单参数算法以及安时一内 阻法、等效电压预测电池名义内阻修正模糊推理算法，多参数输入( 电 池电流、累积安时数、平均温度、电池组中单个电池最低温度) 双层神 经网络算法，双模糊推理算法，带有自校正规则的模糊推理算法，基于 平均放电电流的计算算法、基于定值参考电流的计算算法、基于两者的 综合改进算法，开路电压一内阻测试、电池寿命状态s 0 1 修正算法，对 电池阻抗特征值进行频谱分析而建立起的模糊推理算法，卡尔曼滤波器 算法等智能化的多参数算法。 由于不同电池的反应机理、不同温度下的充放电特性、自放电率、 使用寿命等诸多因素都不相同，因此对不同电类型的池需要建立不同的 剩余电量估算方法。另外，即使是相同类型的电池，由于贮氢合金的组 1 0 北京交通人学硕士研究生论史 成、电池的组装工艺、隔膜选择、电解液的选择等都将影响电池的电化 学特性。冈此，对不同型号的电池也要找到适合其内在规律的剩余电量 估算方法。 由于电池组就象一根链条，每只单体电池是其中的一节。链条的强 度取决于其巾最弱的一节，电池组的品质也同样取决于由其中质量最差 的一只。一只电池特性变差不仅影响了整个电池组的性能，还会引起恶 性的链锁反应。凶此在实际工况下如何迅速、准确地判断和预测电池组 中某些电池的故障将有效地延长整组电池的使用寿命，因而能有效降低 电动汽车的运行成本。 在电动汽车有限的空间内，既要安装多组电池、还要考虑散热、通 风、测控单元的检测维修、数据采集的抗干扰等问题。因此，需要研制 一种适合于电动汽车的电池电压、温度测试系统。 在电动汽车内较大的干扰情况下，如何可靠、高效地实现蓄电池管 理系统与车上其他设备的通讯也是需要重点解决定问题。 由于此课题是8 6 3 计划资助课题混合动力汽车用镍氢动力电池组 及其管理( 2 0 0 1 a a 5 0 1 5 3 3 ) 和( 2 0 0 2 a a 5 0 1 6 3 1 ) ，本课题具体需要解 决的问题有以下几点： 1 、单节电池电压测量及其方案的选择。 2 、单节电池温度的测量。 3 、电池组充放电电流的精确测量。 4 、适合于混合动力车运行工况的系统电源设计。 5 、分布式测量系统的通讯方案设计。 6 、均衡充电方案设计。 7 、预测电池故障以及实时计算电池剩余电量的专家诊断系统设计。 8 、与车上其他设备的通讯。 北京交通人学硕l ：研究生论文 第二章化学电池的基本知识 由于本文中人量涉及到蓄电池性能方面的许多概念，因而在此集中 作简要说明： 2 1电池内阻 电池内阻有欧姆电阻( r 。) 和电极在电化学反应时所表现的极化 电( r ，) 。欧姆电阻和极化电阻之和为电池的内阻( r ；) 。欧姆电阻由 电极材料、电解液、隔膜电阻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r 。 极化电阻r ，是指电化学反应时由于极化引起的电阻。包括电化学 极化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，引入比电阻( r ，) ，即单位容量下电池的内阻。 n ：旦( 2 1 ) c 式中：c 一电池容量，a h ；r 一电池内阻，q 。 2 2开路电压和工作电压 开路电压是外电路没有电流流过时电极之间的电位差( u 。) ，一般 开路电压小于电池电动势。工作电压( u 。) 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，必须克服极化电阻和欧姆内阻所造 北京交通人学硕十研究生论文 成的阻力。 工作电压：u 。= e ir 。= e t ( r 。+ r ，) r n 池的工作电j _ f i 受放电制度影响，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： 放电方法按放电电流可分为恒流放电和匾阻放电两种，按照放电时 问可分为连续放电与间歇放电。连续放电是在规定的放电条件下，连续 放电至终止电鹾。间歇放电是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，终止电压低些。因为这种情况下， 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。小电流 放电时，终止电压规定高些。因小电流放电，电极极化小，活性物质能 得到充分利用。 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，或讲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3 0 a h ，以2 a 电流放电，则时 率为3 0 a h 2 a = 1 5 h ，称电池以1 5 小时率放电。 倍率是指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数 值上等于额定容量的倍数。例如，2 倍率的放电，表示放电电流数值的2 北京交通人学硕二l 研究牛论文 倍，若电流容量为3 a h ，那么放电电流应为2 3 = 6 a ，也就是2 倍率放 电。换算成小时率则是3 a h 6 a = 1 2 小时率。 电池放电电流( i ) 、电池容量( c ) 、放电时间( t ) 的关系为 i c t 2 3 电池的容量和比容量 ( 2 2 ) 电池容量是指在1 定的放电条件下可以从电池获得的电量，分理论 容量、实际容量和额定容量。 理论容量( c 。) c 。一z 。- s 噜2t 口 沿s ， 式中：c 。一 理论容量； m 。一 活性物质完全反应的质量； m 一 活性物质摩尔量； n 一 成流反应得失电子数； g 一 活性物质电化当量。 电池的理论能量为 w o 2 c o e ( 2 4 ) 式中： 一 理论能量； e 一 电池电动势。 o 实际能量 电池放电时实际输出的能量。 1 4 j 塑堕壁燮墼 w=cu a v ( 2 5 ) 式中：w 一 实际能量： u 。电池平均工作电压。 比能量 单位质量或单位体积的电池所提供的能量，称质量比能量或体积比 能量，也称能量密度。比能量也分理沦比能量w 1 。和实际比能量w t ：王甲 论质量比能量根据正、负两极活性物质的理论质量比容量和电池的电动 盯沪器肚嚣e q + + q 一 坷， 式中： 吼，q 一正、负极活性物质的电化当量，g ( a h ) ： 芝吼 正极、负极及参加电池成流反应的电解质的电 化当量之和。 实际比能量是电池实际输出的能量与电池质量( 或体积) 之比， w 2 警或警。吲研vl z ，j 式中：m 一一一电池质量，k g ； v 一一一电池体积。f 2 - 4 电池的功率和比功率 电池的功率是在一定放电制度下，单位时间内电池输出的能量( w 或 北京交通人学硕l 研究生论殳 k w ) 。比功率是单位质量或单位体积为电池输出的功率( w 呔g 。1 或wq 。) 。 比功率的人小，表示电池承受工作电流的大小。 电池理论功率p 。为 p 。：堕一c o e i t e ：e ( 2 8 ) 。ttt 实际功率p 为 p i u = i ( e - - i r 。) = i e - - 12 r ( 2 l 9 ) 将( 1 - - 9 ) 对i 微分，并令d p d i o 因为 所有 ( 2 1 0 ) r 。2r e ( r e 为外电阻) ，而且，de p d 1 2 0 ，所以，当r ，= r p 时 电池输出的功率最大。 2 5 可应用于电动汽车和混合动力汽车的蓄电池 目前，国内外研究开发的电动汽车动力电池主要有铅酸电池、镉一 镍电池、金属氢化物一镍电池( 心一n i ) 、锂离子电池、聚合物锂离子电 池、高温钠电池( n a n i c l ：和s o d i u m - s u l f u r ) 、锌空气电池( z i n c a i r ) 。 正在开发研究的能量存储装置有超级电容( s u p e r c a p a c i t 。r ) 、飞轮电池 ( f l y w h e e d ) 、燃料电池( p e m f c 和d m f c ) 和太阳能电池。 下面简要介绍电动汽车中常用的铅酸电池、一n i 电池以及锂离子 1 6 北京交道大学颂l 研究生论文 电池。 2 。5 。1 锈酸电漉 镪酸电漶怒1 8 5 9 零由酱兰特( p i a n t e ) 发嚷戆一次电遗。由于其有 技术成熟价格低廉，原料易得，使用可靠，又可大电流放电等优点，因 瑟，一矗是纯学电源嘻 产量大应瑶范溺，“静产麓。但滗熊量仅 3 5 w h 妇，循环寿命约4 0 0 次，一次充电行程不到1 6 0 公里。1 2 s l 锻酸蓄电池的电化学表达式为 ( 一) p b 】h ：s o 。| p b ( + ) 锈酸蓄邀涟是典登弱二次亳泣，麓潢是二次电淹瓣如下条件： ( 1 ) 电极反应可逆 ( 2 ) 只慕用一种电解藏溶液，避免因采鞠不同静电解质而造成电韶 质之问的不可逆扩散。 ( 3 ) 放电产生难溶于电解液的固体产物。可避免充电是过早生成枝 晶秘两极产物斡摆互转移。 铅酸蓄电池的正极活性物质是p b o ：，负极活性物质是海棉状金属 铅，电解滚跫稀硫酸。 正极：p b 0 2 一卜3 l + 十u s o ；一p b s o 一t - 2 h20 负极： p b 十h s o ：一2 e p bs o 。十h + 总反应：p b 十p b02 十2 h + 十2 h s o ；一2 p b s o 4 十2 1 t2 0 北京交通人学硕十研究生论文 电池的实际容量与放电制度( 放电率、温度、中止电压) 和电池结 构有关。放电率低，放电电压下降缓慢，放出的实际容量高。放电率与 容量的关系如下表所示： 表2 1 启动型电池放电率与容量关系 放电率d 时率 2 01 051i 2 实际放电容量为额定容量的百1 0 09 28 15 54 7 分数 1 2 v 电池丁作电压u v1 1 8 51 1 7 51 1 5 51 1 4 01 0 8 5 单体电池平均电压0 v1 9 81 9 61 9 31 9 01 8 7 温度对放电容量也有显著影响，温度高，放电容量大，如3 0 8 4 型 起动蓄电池，以1 0 小时率放电，4 0 摄氏度时是1 1 4a h ，零下2 0 度是只 有5 9 8 h h 。 铅酸蓄电池的理论比能量为1 7 0w h k g 。因此，为了提高电池的 实际输出能量，必须提高活性物质利用率，减少电池质量和体积。 2 4 】 2 5 2 心_ n i 电池 高能量旧一n i 电池比能量可达9 5 w h k g 一，高功率m h n i 电池的比 功率可达9 0 0 w 姆，循环寿命超过1 0 0 0 次( 8 0 d o d ) ，工作温度为一 3 0 5 5 o c ，高低温工作能量损失小，高功率的m i n i 电池技术已经逐步 走向成熟，成为混合动力车的主要动力电池。 m h n i 电池正极的活性物质为n i00h ( 放电时) 和n i ( o h ) 2 北京交通大学硕十研究生论史 ( 充电时) ，负极板的活性物质为m h 即吸附了氢原子的储氢合金( 放电 时) 和m 即储氢合金( 充电时) ，碱性电解液( 如3 0 的氢氧化钾溶 液) ，电化学反应如下： 正极：n i ( on ) 2 十0h 一一e n i00h 卜h 2 0 负极： m + h 20 卜e m h 十0 总反应：m + n i ( o h ) ，一n ooh + m h 从方程式看出：充电时，负极析出的氢贮存在储氢合金中，正极由 氢氧化亚镍变成氢氧化镍( n i o o h ) 和h ，o ；放电时氧在负极被还原， 正极由氢氧化镍变成氢氧化亚镍。 从以上各反应式可以看出，m h n i 电池的反应与镍镉电池相似， 只是负极充放电过程中生成物不同，从后两个反应式可以看出镍氢电池 可以做成密封型结构。镍氢电池的电解液多采用k oh 水溶液，并加入 少量的l i o h 。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。为了防止 充电过程后期电池内压过高，电池中装有防爆装置。 2 0 m h n i 电池的其它性能如下： 1 、循环寿命 m h n i 电池的工作电压与镍镉电池完全相同，均为1 2v ，因此 完全可以取代镍镉电池。m h n i 电池与同体积的镍镉电池相比，容量 可以增加一倍，并且充放电循环次数达到5 0 0 次以后，m h - - n i 电池的 容量并无明显减少。通常充放电循环次数可达到1 0 0 0 次。m h n i 电 池中，不用价格很昂贵的有毒物质一金属镉，因此，m h n i 电池生产、 使用以及废弃后，均不会污染环境，因而被称为绿色电池。1 2 0 】 北京交通人学硕士研究生论文 最高放电容量w h - n i 电池的循环寿命 循环次数 0 2 0 04 0 0 6 0 08 0 0 1 0 0 0 图2 1m h n i 电池的循环寿命 2 、充电特性 m h n i 电池充电曲线与c d n i 电池相似，但充电后期m h n i 电池充电电压比c d n i 电池低。温度与充电速率对充电电压有明显的 影响，温度高，充电电压低；充电速率快，充电电压高。 电池电压( v )不同温度下的充电曲线 1 5 1 4 1 3 1 2 1 1 o j _ _ _ 一么多 7 厉多 2 0 4 5 ， 0 充电电流 0 3 c 充电容量 2 , 55 07 51 0 01 2 51 5 0 图2 2 不同温度下的充电曲线 2 0 们 北京交通大学硕十研究生论文 电池电压( v ) 不同充电电流下的充电曲线 1 5 1 4 1 3 1 2 1 - 1 1 c 一一乡乏 | 厉 0 3 c 0 1 c r 温度 2 0 充电容量 o2 55 07 51 0 01 2 51 5 0 图2 3 不同充电电流下的充电曲线 3 、放电特性 m h - - n i 电池的放电电压与c d n i 电池相似，但放电容量几乎是 c d n i 电池的两倍。电池放电过程中的容量和电压与使用条件有关，如 放电率，环境温度等。一般，放电倍率越大，放电容量与放电电压越低。 电池电压( v )不同倍率下的放电曲线 1 i4 1 3 1 2 1 1 1 0 人 心 、- - 一 、| 心 、 、 l _ ) u 1 c o 充电条件： 0 3 c ，5 h ，2 0 0 2 c 2 04 06 08 01 0 0 图2 - - 4 不同倍率下的放电曲线 放电容量a 北京交通大学硕十研究生论文 4 、温度特性 在不同的环境温度f ，通过研究电池电压与充电容量的曲线可知： 在各种环境温度下，当充电容量接近标称容量的7 5 时，由于阳极板产 生的氧气使得电池电压升高，充电容量达标称容量的百分之百时，电池 电压达最大值。随后，出于电池的自热，导致电池电压的降低。引起这 种现象的原因是因为电池电压有。个负的温度系数。由于充电效率依赖 于温度，因此，在较高的温度下充电时，电池的放电容量会降低。 0 2c 一 l 、舭 充电条件： 0 3 c ，5 h ，2 0 。c 放电电流： 0 2 c 1 0 c 温度t6 c 图2 5 不同温度下的放电容量 5 、自放电特性 应当说明，m h n i 电池的自放电率很小，在常温下，m h n i 电 池充足电后，放置2 8 天，电池容量仍能保持在标称容量的7 5 8 5 之 问。 z o 】 但m h n i 电池的自放电比c d n i 电池大。引起电池自放电的因 素很多，其中贮氢合金的组成、使用温度、电池的组装工艺是主要因素。 温度越高，自放电越大。 贮氢合金的析氢平台压力偏高，则吸收的氢气易从合金中逸出，从 北京交通大学坝上研究生论文 而引起电池的自放电。为此，要求贮氢合金的析氧平台压力在 1 0 一- 0 1 m p a 之间。 隔膜选择不当，组装不合理，循环中合金粉的脱落，微枝晶的形成 均可引起自放电，甚至电池短路。 m h - - n i 电池白放电引起的容虽损失足可逆的，k 期贮存的m h n i 电池，经过3 次小电流充放电后可使电池容量恢复。因此通常说m h - - n i 电池无记忆效应。 保持容量 不同温度下的自放电特性 循环条件： 充电，o 2 5 c 3 2 h 放电：1 0 c ， o 放电到1 0 v j 弋 温度：2 04 c 1 l 2 0 。c 4 5 。c 篓母 从 琏 | | | | | 4 ，i e 1 01 2i 土 电压iv ) 21 2 i j ol $ 0 0l j o2 4 0 0寡量鼻囊4 4 0 i 1 0 01 7 口pi o2 2 0 0 ( t 舯 赣d 、 4 0 0 2 l 廿，02 l o舒o标准啦藏m 0 垂 ，一e，* s，- l，s觉氇 时娥b ， ，一8 | 1 0 0l t b 0l o n2 抽垂 快速啦巍f - 柏 l 鑫0 7 0 7 07 0竞电时阿t 耐蚺7 0 io ，l4 + ，1 7 ，i7 5 r 疃 直径 ；9 5i 4 ：3高i s m ，4 4 js ； l ，j ， 霸量t l l2 北京交通大学硕上研究生论文 结论： a m h - - n i 电池充、放电内阻较小，具有较高的充放电效率； b ，m h n i 电池具有较高的比能量； c ，m h n i 电池充电过程中，为了避免电池内部温度过高损坏电池 循环使用寿命，对电池温度的控制很有必要； d m h n i 电池性能优越，但是对于应用于混合动力汽车和电动汽 车时，在电池的一致性、比能量、成本等方面还存在一定的问题。 【9 1 2 5 3 锂离子电池 锂离子电池由于具有比能量高，自放电小，循环寿命长，无记忆 效应和对环境污染小等优点，是u s a b c 实现中期目标的电动汽车用动力 电池之一。高能量的l i b 的比能量超过1 0 0 w h k g ，循环寿命超过1 0 0 0 次 2 5 1 。 锂离子电池分为液态锂离子电池( l i b ) 和聚合物锂离子电池 ( p l i b ) 。液态锂离子电池自1 9 9 0 年开发成功以来，由于它具有比能量高、 工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染、安 全性能好等独特的优势，现已广泛用作袖珍贵重家用电器如移动电话、 便携式计算机、摄像机、照相机等的电源，并已在航空、航天、航海、 人造卫星、小型医疗仪器及军用通讯设备领域中逐步替代传统的电池。 聚合物锂离子电池除具有液态锂离子电池的优点外，由于采用不 流动电解质，还具有安全性能更好的优点，因此，可以制成任意形状和 任意尺寸的超薄形电池，因而更适合用作微型电器的电源，应用范围更 北京交通人学硕士研究生论文 广。 自1 9 9 9 年聚合物锂离子电池实现产业化以来，已部分替代液态锂 离子电池。【2 5 1 北京交通大学硕十研究生论文 第三章蓄电池管理系统概述 3 1蓄电池管理系统的主要要求 当前，在混合动力汽车的研制与产业化推广过程中，动力蓄电池 的问题成为最主要的制约因素。这些问题主要表现在如下几个方面： 1 动力蓄电池在制造过程中，由于制作工艺的差别，即使同一批次 的电池，也不可避免的存在着差异，即容量上的差异。这种差异直接表 现在电池的端电压上。在充电过程中，容量小的电池电压上升比较快， 即当其它电池尚未充满时，容量小的电池已经充满，继续充电将造成容 量小的电池处于过充电状态。这种差异的直接后果是，容量小的电池在 充电过程中经常处于过充状态，在放电过程中处于过放状态，致使其寿 命明显缩短，带来整组蓄电池寿命降低。 2 蓄电池组在运用过程中，经常出现单只电池损坏的情况，这种情 况若未能及时发现，将导致其它蓄电池的性能受到严重影响，进而造成 整组蓄电池的损坏。因此必须对蓄电池组可能存在的故障情况做出早期 预测与报警。 3 蓄电池的实际容量受到多种因素地制约，特别是与使用的状况有 直接关系。因此必须实时监测蓄电池组的使用状况，使其达到优化的状 态。 综上，为了优化蓄电池组的使用状况，延长蓄电池组的使用寿命， 迫切需要一种能够实时反映电池剩余电量( s o c ) 、快速找出故障电池、 提高整组电池寿命的设备。另外，该设备应能够补偿由于不均衡造成的 电压差异，从而进一步延长电池组寿命。 北京交通人学顾i 研究生论文 电动汽车的蓄电池管理系统( b m s ) 担负着测量、预警、估算、通 讯、均衡这五部分主要功能。 测量是指在电动汽车有限的空间内，综合考虑测控单元的安装、维 修、数据采集的抗干扰等诸多问题后给出一种适合于电动汽车的电池电 压、温度测试系统。 预警是指蓄电池管理系统根据测得的电池电压、温度、电流等参数 对电池组中品质下降的电池做出提前预测和报警，从而有效地延长蓄电 池的使用寿命。 估算是指根据电池电压、温度、充放电电流、电池循环使用情况、 电池老化情况、自放电等诸多冈素，估算蓄电池的剩余电量( s o c ) 通讯是指在电动汽车内较大的干扰情况下，可靠、高效地实现蓄电 池管理系统与车上其他设备的通讯。 均衡是指通过均衡电路，使蓄电池组中的每一节电池的容量达到基 本一致，从而尽量避免某些品质较差的电池出现过充电和过放电。 蓄电池管理系统的具体要求有： 1 、 单只电池的电压、温度的测量及显示； 2 、 电池组总电压、充放电电流的测量及显示； 3 、剩余容量( s o c ) 的预测及显示； 4 、 电池电压、温度异常报警； 5 、 电池故障早期预测与报警； 6 、 发送电池数据信息到上位机进行监控及保存记录与分析： 7 、通过输出接口送信息给车上其他设备： 8 、对电池组进行均衡充电。 北京交通大学硕士研究生论文 3 2 蓄电池管理系统的基本工作原理 图3 1 电池管理系统框图 北京交迥大学硕，l + 研究生沦文 i 三控制器 图3 2 检测模块原理框阉 蓄电池管理系统的工作原理如下所述： 一、测量功能匏实瑷 为了保证蓊电池剩余电量的准确估算以及即时地预测电池组的故 漳，菸猿对电滚缝中煞每一节电洼熬滚电压、檄桂温嶷俸帮时、准确豹 测量，系统采用分布式测控系统来完成这部分功能。 在每节电浚上安装有电酒检测模臻。每个禳块甄p i c l 6 c x x 系列的低 功耗8 位c m o s 单片机p i c l 6 f 6 2 8 为核心构成分布式测控系统的一个r 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。 检测模块遇过d s l 8 8 2 0 数字半导体传感嚣测量电漶极柱澄度；遂过 d s 2 4 3 8 芯片测摄电池工作电压，然后p i c l 6 f 6 2 8 单片机存储所检测到的 数据，当圭监控援上黪8 0 c 1 9 6 发塞查询豢令潜霉将数据逶遭2 0 积电滚 环电路上传。 在模块褪始纯薅，已经为每个电溜检测模块设定了不同静编号，因 此在8 0 c 1 9 6 对某个模块发出查询指令时，只脊对应编号的模块会应答。 北京交逝大学硕士研究生论文 电池组工作电流经过分流器转换为最高7 5 m v 的电压信号，由主监控 叛上戆c s 5 4 6 0 a 专鼹苍跨溅量。 二、预警功能的实现 蓄电洼管爨系统释辑滚霉的电港电愿、温度、电浚等参鼗送入专家 诊断程序中处理，有专家诊断襁序对电池组中品质下降的电池做出提前 预测，通过爱示电路和与上位税舶4 8 5 通讯程序报警。 三、估算功能的实现 8 0 c 1 9 6 作为主控c p u ，将出分布式节点测嚣得到的电池电压、温魔 数据，以及c s 5 4 6 0 a 测褥到电滚数据送入专家系统处理程序，褥崽 a ( f )蓄电池放电电流系数 声( f )蓄电池充电电流系数 q ( 零)蓄毫、遂容量，懑震嚣嚣数 通过测凝得到： ，o )蓄电池瞬时放电电流 )雷电洼瞬时充魄宅流 然后采用多参数输入( 电池电流、累积蜜时数、平均濑度、累积使用时 间) 综合智能补偿算法得出系统当前的s o c 。 四、通讯功能的实现 系绞中主鼗控援逶遘2 0 m a 逛滚嚣与各分蠢式溅整节轰逶 鬣，褥至每 一节电池的电愿、温度数据。同时，通过4 8 5 通讯将所测得到数据发送 给上位辊；通过c a n 总线将数锵发送给圭控单元( e c u ) 。 北京交通大学顾士研究生论文 五、均衡功能的实现 在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 的指令利利用模块中的电感作为储能元件，在丌关管的开 通和关断控制下，将端电压高的电池的部分能量转移给其他电池。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。 下面给出系统的软件框图和软件流程图： 图3 3 系统的软件框图 北京交通人学硕士研究生论文 图3 4 系统的软件流程图 对系统软件流程图的说明如下： 1 、系统初始化 3 2 北京交通大学硕+ 研究生论文 系统上电之后，主控制器( 8 0 c 1 9 6 k b ) 进行系统初始化。随后杏询 是否有按键输入( 如预设定电池组$ 0 c 、切换显示状态等) ，如果有将执 行相应的服务子程序，了程序执行完毕后返蚓。 2 、与电池检测模块通讯 系统采用循环方式与电池组中的每个电池检测模块通讯，电池检测 模块采用p c 1 6 c x x 系列的低功耗8 位c m o s 单片机p i c l 6 f 6 2 8 ，电池极 柱温度采用采用数字温度传感器d s l 8 8 2 0 测量，它具有无需a d 电路， 调理电路简单：独特的单线通讯方式，接口设计比较容易，安装简甲方 便等优点，在一1 0o c 至8 5o c 之间的测量误差只有0 5o c ，满足系统的 测量要求。 电压、电流、功率和能量测量采用的是专用集成芯片c s 5 4 6 0 a 。其 内部具有2 4 位的a a d 转换器，可以实时测量电流并进行计算，输 出电流的瞬时值和有效值。由此可以保证电流测量在全范围内具有同等 精度。 电池检测模块将电池电压、电池极柱温度、当前的充放电电流等数 据记录到非易失r a m 转换插座中，记录时间可达3 0 分钟，足以为专家 诊断程序提供必需的数据。 3 、 电池温度、电压故障报警 当有电池的温度超出设定值或者电压偏离正常范围，则在显示电池 故障( l e d 闪烁) 的同时将故障情况通过通讯接口发送给上位机。 4 、 电池检测模块故障报警 如果与某个电池检测模块通讯3 次后都得不到正确的返回数据，则 在电池管理系统主机的面板上用l e d 提示检测模块故障，同时故障情况 通过通讯接口发送给上位机。 北京交通人学硕士研究生论文 5 、预测电池组的剩余电量( s o c ) 在与电池组中的每个电池检洲模块通讯之后，根据电池电压、电池 极柱温度、当前的充放电电流等数据预测电池组的剩余电量( s o c ) 。 对于电池组剩余电量的估计，以对电流的精确测量为基础，采用电 流积分法作为基本结果。系统每秒钟读取由c s 5 4 6 0 a 产生的电流在该秒 内的积分值，与原累计值相加，并计算当前的s o c 值。同时，建立了电 池的温度补偿、老化补偿、自放电补偿函数，对积分结果进行修正。 当电池充电时且出现一定时间内的电池温度骤升，程序根据当前的 s o c 值作出判断；如果s o c 值很高，则认为电池充电并已经充满，这时 将s o c 置为1 0 0 。s o c 的自动置位功能，将很大程度上消除测量累积误 差对s o c 测量准确性的影响。 6 、根据专家诊断系统的推理机制对电池故障进行早期预测与报警。采用 电压异常、温度异常作为依据，实行分级报警，方便保养、维护或更换。 7 、采用2 0 m a 电流环和c a n 通讯两种可选方案将电池组的状态信息传送 给上位机及车上其他设备。 8 、根据每块电池的当前状态，主c p u 控制均衡电路进行均衡充电。采用 一个单体电池对应一个均衡模块，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他 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。 北京交通大学颂十研究生论史 第四章蓄电池管理系统的硬件电路 电动汽车的蓄电池管理系统( b m s ) 担负着测量、预警、估算、通 讯、均衡这l 部分主要功能。而完成这些功能大硬件电路丰要有电池检 测模块和丰峪控板及其外围电路。下面分别阐述其工作原理和电路实现。 4 1 电池检测模块部分的原理及电路实现 电池检测模块安装在每一节电池上，负责采集电池电压与电池极柱 温度，并在主监控板发出读取命令后将数据传送上去。 电池检测桓块1 图4 1 电池检测模块工作框图 4 1 1 电压测量方案的选择 对于多只蓄电池串联( 2 3 只) ，在测量电压需要解决的问题中，最 北京交通大学硕上研究生论文 主要问题是电压的戈地问题。由于下面电池的正极和它上面电池的负极 相连，因此在测量时，各组电池电压存在不菇地问题，对于该问题有如 下的解决办法： ( 1 ) 采用电阻分压的办法 该方案的原理如4 2 所示。采用该种方