（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车用电池管理系统的研制.pdf

e立窑塑厶笠亟迨塞 a b s t r a c t a b s i r 茂c n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe v ( e l e c t r i c a lv e h i c l e ) ，t h eb a t t e r yt h ep o w e rs u p p l yo f e vh a sb e e nt h eo b s t r u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to f e v s ot h eb a t t e r yt e c h n i q u ea n d b m sa r et h ek e ys o l u t i o no ft h ep r o b l e m m o r ea n dm o r ep e o p l ei s s u et h es t u d yo f b m s t h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fb m si sap a r to fp r o j e c t - t h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l eb a s e d o ns r m ” t h et h e s i si n t r o d u c e sp o w e rb a t t e r y , a n dc o m p a r e ss o m ek i n d so fb a t t e r i e sw h i c h a r eu s e di ne v p o p u l a r l y t h e no f f e ra n e wk i n do fb m s s c h e m e i n - - d i s t r i b u t i n g s a m p l e & c o n e c t t i n gm a n a g e t h a ti ss a m p l i n gp a r a m e t e r so fe v e r yb a t t e r yc e l l ，t h e n s e n d i n gt h s e sd a t a s t ob m sc o n t r o lc h i p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p ) w h e r es o c o t h e r i n f o r m a t i o na r ew o r k e do u t c a nb u sc a r r y so u tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb m sa n d e vc e n t e rc o n t r o l l e r t h et h e s i sf o c u s e so nt h eh a r e d w a r ed e t a i lc i r c u i t si n c l u d i n gt h el e a s ts y s t e m d e s i g nb a s e d o i lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p , v o y a g e ，c u l r e n t ，t e m p e r a t u r es a m p l i n gc i r c u i t s ， c a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ，a n dt h er e l a t i v eh a r e d w a r ed e s i g n ss u c ha s d i s p l a y , s a f es w i t c h b e s i d e s ，t h ek e ya p p a r a t u sc h o i c ea n dp a r a m e t e rd e t e r m i n ea r e d i s c u s s e di nt h et h e s i s i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ec o n f i g u r a t i o no fi n t e rr e s o u r c eo f d s pi si n t r o d u c e d ，a n dt h r o u g hf l o wc h a r t sp r e s e n tt h em a i np r o g r a ma n do t h e r s u b r o u t i n e s f i n a l l y , c o n n e c t i n gt h el e a d a c i db a t t e r yw i t hb m se x p e r i m e n td e v i c e s ，d e b u gt h e w h o l es y s t e mi n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h er e s u l tp r o v e st h a tt h i sb m s d e s i g n e di nt h i st h e s i sc o u l di m p l e m e n ts i g n a l ss a m p l e ，s o cc o m p u t a t i o na n dd i s p l a y k e y w o r d s ：e l e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) ；b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ；d s p ；c a nb u s c l a s s n o ： j e立 銮适盔堂亟 迨窒 致谢 本论文的工作是在我的导师王艳副教授的悉心指导下完成的，王艳、殷天明 老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的影响。三年来，在他们的悉 心培养下，我迅速地成长成熟起来。在此衷心感谢王老师与殷老师对我的关心和 指导。 在此还要感谢三年中曾经给与过我指导的电气学院的各位师长，你们渊博的 学识、高尚的人品和对电气事业的贡献使我深深感到作为一个电气学子的骄傲与 肩负的重担。感谢你们对我的教诲。 在实验室工作及撰写论文期问，2 0 8 实验室的焦洋、李彩虹、吕海臣、梁洁同 学以及师兄、师姐、师弟、师妹们对我的研究工作给予了热情帮助。那些无私的 指导、激烈的讨论、默契的合作，还有精神上的鼓励支持，成为我人生的巨大财 富。在此向他们表示最诚挚与最衷心的谢意。除此之外，特别要感谢黄庆新、漆良 波、李忠桥、牟富强等同学，在我课题研究最困难的时候给与了我巨大的帮助。 使我越过障碍继续前行。 最后，感谢我的家人，你们的全力支持使我能够在学校专心完成我的学业。 你们是我的精神支柱与坚强后盾。 t基銮遁鑫芏亟堂焦迨塞 i l主 1 引言 能源枯竭，节能工业的发展要求，社会对于环保的呼吁，使得零排放电动汽 车( z e r oe m i s s i o nv e h i c l e ) 的研究得到了越来越多国家政府的大力支持。电动汽车的 各种特性又依赖于它的动力源一蓄电池。蓄电池管理可以提高电池工作效率， 保证电池以最佳状态安全正常工作，有效延长电池寿命。 1 1 电动汽车 目前世界上各种汽车的保有量超过6 亿量，汽车的石油消耗量每年达到6 0 7 0 亿桶，约占世界石油产量的一半以上。经过长时问的现代化大规模开采，石油 资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上石油资源如果按目前的消耗水平，仅仅可 维持6 0 1 0 0 年左右。内燃机汽车所需的石油资源逐渐枯竭是必然趋势。电能来 源广泛，人们对电力的使用也积累了丰富的经验，2 1 世纪电能必然会成为各种地 面运载工具的主要能源，发展电动汽车是交通工业发展的必然趋势，也是汽车工 业发展的总趋势。 从原油提炼成石油制品再经过各种运输工具运输、分配、销售等环节消耗， 这些消耗约占石油能量的3 0 左右。通常内燃机有效效率为3 0 左右，传动系统 的有效效率约为2 1 。 图1 - 1 电动汽车与内燃机汽车的综合效率对比”1 f i g1 - 1t h ee f f i c i e n c yc o n t r a s tb e t w e e ne va n dm e c h a n i c a ld r i v i n gv e h i c l e 如图1 - 1 所示，电动汽车比内燃机汽车效率要高l 倍左右。 电动汽车行驶不会排放有毒气体，即零排放电动汽车( z e r oe m i s s i o nv e h i c l e ) 。 目前大气污染特别严重，有相当一部分是由内燃汽车排放尾气造成。例如，上海 市1 9 9 5 年市中心城区内机动车的c o 、c x h y 、n o x 排污负荷分别占该区域内排污 总量的7 6 、9 3 、4 4 。除了有害气体，还有铅( p b ) 和碳( c ) 有害微粒。 在汽油中添加铅化合物可以改善汽油品质，提高汽油抗暴性能。汽油燃烧后，直 e 塞至壅叁堂 亟：量迨垄 径小于0 2um 铅微粒排于大气中，铅是有害重金属，人吸入含铅的空气会损害人 类神经系统。 由于电动汽车的显著特点和优势，各国都在大力发展电动汽车。 中国：我国早在“九五”期间，就将e v 列为重大科技产业工程项目。在广东 汕头市南澳岛设立了示范区。清华大学、华南理工大学、粤海汽车改装厂，北京 客车总厂等单位都参与了电动汽车的研发工作。并有丰田汽车公司和通用汽车公 司提供样车和技术支持，在示范区进行试验。 德国：吕根岛实验基地是德国联邦教育、科学研究和技术部( t h eg e r m a n f e d e r a lm i n i s t r yf o re d u c a t i o n ，s c i e n c er e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y ) 资助的最大的e v 和h e v 实验计划，由梅赛德斯一奔驰汽车公司( m e r c e d e s b e n z ) ，大众汽车公司 ( v w ) ，欧宝汽车公司( o p e l ) ，宝马汽车公司( b m w ) 和m a n 汽车公司提 供的6 4 辆e v 和h e v 进行试验。汽车有轿车和客车，多种不同的驱动系统。采用 不同电池。 法国：拉罗歇尔( l a r o c h e l l e ) 市成为第一个设置e v 系统的城市。设置1 2 个充电站，其中3 个为快速充电站。标志、雪铁轮和p s a 集团都参与到了电动汽 车建设中。法国政府给予e v 和h e v 用户2 0 的补贴。 日本：在大阪市、大发汽车公司、日本蓄电池公司和大阪电力公司共同建立 了e v 和h e v 实验示范区。以大发h i j e t 型、排量0 6 l 的微型面包车为实验车 辆。大发脚一j e t 型电动汽车外形尺寸3 2 9 5 1 3 9 5 1 7 9 0 ，整车质量1 0 8 5 k g ，乘 客2 4 人，总质量1 3 9 5 1 4 0 5 k g 。采用铅酸电池堆，8 个1 2 v ，1 5 0 a h 电池堆， 总电压9 6 v 。直流电动机工作电压9 0 v 功率1 4 k w 。用2 0 0 v 、2 0 a 的车载充电机， 充电时间8 1 0 h 。一次充电续时里程1 0 0 k i n 。“1 1 2 电动汽车用蓄电池 根据汽车的使用特点，其使用的动力电池一般应具有比能量高、比功率大、 自放电少、工作温度范围宽、能快速充电、使用寿命长和安全可靠等特点。目前 电动汽车选用的动力电池有很多，但前景比较好的主要是铅酸蓄电池( l a b ) ，镍 氢蓄电池( m h - n i ) ，锂离子电池( l i i o n ) ，其它还有：镉镍蓄电池( c d n i ) 、 铁镍蓄电池( f e - n i ) 、金属氢化镍蓄电池( m h n i ) 、钠氢化物蓄电池( z e b r a ) 、 钠硫蓄电池( n a s ) 、锌空气蓄电池( z n a i r ) 、铝空气蓄电池( a l - a i r ) 。它们的 性能指标比较见表1 。“1 其中，铅酸电池的技术比较成熟，有很多研究的经验，也是最安全的动力电 池。锂离子电池在比能量和比功率方面优于其他蓄电池体系。除此之外还有单体 e豆銮逢盘堂亟生焦迨塞i l壹 电池的输出电压高( 3 6 v ) 、使用温度范围广、充电效率高、没有“记忆效应”、 不需要维修等优点。作为一种新型的动力电池，锂离子电池已经成为世界公认的 电动汽车动力电池的研发重点。 表l 各种主要电动汽车动力蓄电池的性能对比 f 绝1t h ec h a r a c t e rc o n t r a s to f p o w e rb a t t e r yf o re v 性能 比能量能量密度比功率功率密度循环寿命价格 商品化程度 电池病吣 ( 1 g ) ( 研l l ) c 1 k g ) ( w l )( 次)( 美元m o l a b3 5 - - 5 06 5 9 01 0 0 1 5 01 2 05 0 0 8 0 08 0 大量生产 c d - n i5 0 6 08 0 - - 1 1 01 6 0 2 0 01 0 0 01 3 0 批量生产 f e 州i5 0 5 01 6 0 2 0 08 0 0 1 0 0 02 0 0试验 埘一n i7 0 - - 1 0 01 3 5 1 5 01 8 0 - - 2 5 01 6 01 5 0 0 - - 2 0 0 03 0 0 - - 4 0 0小量生产 z n - n i7 0 - - 8 51 7 0 一2 2 03 0 0 - - 4 0 01 5 0试验，芷应用 z e b r a1 0 0 1 2 01 3 22 0 0 - - 2 5 01 0 0 03 0 0 - - 4 0 0 试验 n a s1 0 0 - - 1 2 01 5 01 3 0 一1 5 03 0 01 1 0 01 0 0 0 试验，正应用 m - i o nt 0 0 - - 1 2 01 7 0 一2 5 0 3 0 01 2 0 0 5 0 0 - - 6 0 0小量生产 z n i r1 8 0 1 5 0 1 0 01 0 0 - - 1 5 0试验，芷应用 a 1 - i r2 0 0 2 5 01 0 0 5 0 01 0 0 1 5 0试验 汽油发动机4 0 05 4 05 0 万l c m5 0丈量生产 1 3 电池管理系统( b m s ) 目前制约电动汽车发展的一大瓶颈就是电池的问题：价格高，一次性充电续 驶里程短，受到循环寿命的限制等。电池价格受到其材料成本和技术成本的限制。 即使价格最便宜的铅酸电池，每个电池组也需要几万元。这样整车的价格就会大 大超出已有汽油车的价格，很难推广。为解决电动汽车商业化问题，研究人员主 要从两个方面应对电池技术的挑战：一方面，从产品角度，开发满足电动汽车要 求的新型电池。寻求技术上的突破，降低电池成本。另一方面，从使用角度，采 用电池管理系统优化电池使用，充分发挥现有电池性能，如果可以更安全、节约、 合理、有效地使用电池能量，也就是延长了汽车一次性充电的续驶里程，延长了 电池寿命。 随着电动汽车的发展，对先进电池的需求和对电池能量管理系统的要求也日 益提高。根据电池特性，对电池组实施有效的管理，对于确保电动汽车的安全、 3 e 丞垄遭 塞鲎亟迨塞 保持电池组性能、延长电池组寿命、提高电池使用效率有重要意义。 电动汽车的电池能量管理系统比较复杂，需要针对特定的动力电池专门研究。 电池能量管理系统主要包括：数据采集、电池状态估计、能量管理、热管理、安 全管理和通信功能。图l 一2 为电池管理系统功能图。 、i 眦由且eli 士厶4 些；堋i 电 、 l i俯m 一圳一 。 接 一 池 组 电压 电流：l 数据 状态计算l - 温度 采集 譬 能量管理r口 - 均衡 j 地熊i ml 电路 7 ix ￥目扫二厂 b m s 图1 - 2 电动汽车电池管理系统功能示意图 f i g1 - 2f u n c t i o n so fb m s f o re v ( 1 ) 数据采集。电池管理系统的所有算法都是以采集的数据作为输入，采样速 率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系 统的采样速率一般要求大于2 0 0 h z ( 5 0 m s ) 。 ( 2 ) 电池状态计算。电池状态计算包括s o c 和s o h 两方面。s o c 告诉驾驶员 电池剩余多少电量，还可以行驶多少里程。s o h 告诉驾驶员电池的寿命。 ( 3 ) 能量管理。以电流、电压、温度、s o c 、s o h 为输入完成：控制充电过程； 用s o c ，s o h 和温度限制放电电流。 ( 4 ) 安全管理。监视电池电压、电流、温度是否超过正常范围；防止电池过充 过放，特别是防止个别电池单体过放电。 ( 5 ) 热管理。对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热管理尤为必 要。热管理的功能是使电池单体温度均衡，并保持在合理范围内。对高温电池进 行冷却，对低温电池进行加热。 ( 6 ) 通信功能。电池管理系统与车载设备或非车载设备的通信是其重要功能之 一，根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、p w m 信号、 c a n 总线或1 2 c 串行接口。 ( 7 ) 人机接口。根据设计的需要设置显示和控制按键、旋纽等。 ( 8 ) 均衡电路。电池单体之问存在差异，电池组的工作状态是由最差电池单体 j 立奎道厶堂 亟 茔 僮迨 塞i l 蛊 而决定的。在电池组各个电池之问设置均衡电路使各个电池充放电的工作情况尽 量一致。 下面介绍几种典型的电池管理系统。 ( 1 ) 德国柏林大学研制的电池管理系统4 1 柏林大学设计的电池管理系统总体结构如图所示。系统包括：显示模块、速 度调节模块、温度调节模块、上位机诊断模块，还有为电池模块配备的平衡器。 总体控制方案中，采用c a n 总线方式，微处理单元采用西门子公司的 m i c r o c o n t r o l l e r 8 0 c 1 6 7 c r 。 图1 3 柏林大学电池管理系统结构图 f i g l - 3b m sd e s i g n e db yb e r l i nu n i v e r s i t y 该电池管理系统是目前国际上功能比较全、技术含量比较高的电动汽车用电 池管理系统，其主要功能包括：防止电池过充过放、电池模块加平衡器实现均衡 充电、电池组热管理、基于模糊专家系统的剩余电量估计、用神经元网络辨识电 池( 为了电池诊断和维护工作保存一定的历史数据) 。 ( 2 ) 韩国大宇公司d e v 5 - 5 电动汽车用电池管理系统“ 韩国大宇公司和韩国先进工业研究所研制的用于d e v 5 - - 5 电动汽车的电池管 理系统的主要功能有：数据采集、优化充电、s o c 估计与显示、热管理、安全管 理、能量管理、电池管理和故障诊断功能。 电池管理系统由电池控制单元( b c u ) 、主充电器、辅助充电器、热管理系统、 s o c 计算、电池报警装置、模块传感器装置和安全模块构成，其中b c u 发挥核心 功能。b c u 实时监测电池工作状态。向各子程序系统发送正确的指令以使动力电 池正常工作。 5 j e 鏖窆迪盔坐 亟：生迨塞 ( 3 ) 北京交通大学研制的电池管理系统h 1 该电池管理系统是北方交通大学在国家“8 6 3 ”计划支持下完成的用于动力镍 氢蓄电池监测及管理的装置，该项目于2 0 0 2 年1 2 月通过了科技部的验收。系统 实现了对电池的运行状态监控、剩余电量估计、故障早期诊断及自动均衡充电， 从而最大限度地延长电池组的寿命。 显示 按键 历史 纪录 日历 时钟 主控制器 ( 8 0 c 1 9 6 ) 专家诊断系统 电流环通讯网络 远程监控 输出接口 电流检测 爿嗣矧需 冒圈母一匿 该电池管理系统除了上图所表示出的几个功能单元还包括电池均衡电路。整 个系统分别安装在“二汽”的混合动力大巴以及汕头国家电动汽车运行试验示范 区的纯电动中巴上，无论是系统的检测精度还是抗干扰能力都取得了较为满意的 结果。 2 0 0 6 年，该系统经过进一步改进，应用于北京1 2 1 路电动公交车上。同时监 控由1 0 0 多块单体锂电池组成的动力电池组。 1 4 本论文的主要内容 本课题的主要研究内容是针对电动汽车用铅酸蓄电池组，完成系统整体方案 的设计，底层电压、电流、温度的采集方案，完成了硬件的设计和调试，并在此 进出上尝试了b m s 系统，a h 算法和负载电压法的软件实现。为下一阶段电池管 j e立窆垣 盔堂亟堂焦迨塞i f直 理系统算法的进一步研究提供原始数据和基础平台。本课题在硬件方面的工作较 多，也有一些软硬件结合的内容，涉及d s p ，c a n 通信，多通道的隔离电压采集。 有代表性地完成一个c a n 节点的数据采集系统的设计。 本硕士学位论文试验的测试对象是1 2 v 铅酸电池。电动汽车动力电池一般由 多个单体电池串联组成一个电池模块，加上微控制器为核心的电池管理系统组成 一个车用电池组。本课题串联1 8 个电池单体为2 2 k w 开关磁阻电机提供能量。本 课题实现了b m s 控制器对电池电压、电流、温度参数进行采集，为进一步实现完 整的电池管理系统提供原始数据和软硬件平台。 7 e 丞窑适盔堂亟鲎鱼迨塞虫丝筐理丕统选让 2 电池管理系统设计 与动力电池组相关的管理控制设备称为电池管理系统( b m s ) ，作为一 个整体在电动汽车中发挥作用。b m s 的作用主要可分为两个方面：保证电池安全： 合理高效地使用电池储存的能量。 电池能量管理系统是一个监控系统，所以在研制它之前首先要对所监控的对 象非常熟悉。所有的电池管理系统都是针对一种电池甚至是一个品牌一个型号的 电池而言的，而不是通用于所有电池。所以在介绍电池管理系统之前先对动力电 池进行简单的介绍，便于后面电池管理系统原理的说明。 2 1 动力电池 并不是所有的蓄电池都能够作为电动汽车用蓄电池。必须选择特殊的“动力 蓄电池”。动力电池就是可以长时间大电流放电，储能高，安全性好的蓄电池。以 铅酸蓄电池为例，启动用铅酸电池、牵引用铅酸电池与电动汽车用铅酸电池各不 相同。电动汽车用动力蓄电池的标准见下表“1 ： 表2 - 1 电动汽车蓄电池标准 f i 9 2 - 1t h ec r i t e r i o no fb a t t e r yf o re v 项目试验方法技术要求 容量( a h )完全充电电池在温度为3 0 - - 4 - 2 c 的环境下静置3 h 率容量，第一 1 巧h ，然后以1 3 ( a ) 簦j 电流恒流放电到终止电压为 次不低于8 5 9 9 v 终止 大电流放电符合3 h 率容量要求的电池完全充电后。在温度为放电时间不低 a 3 0 2 的环境中静置l s h ，然后以3 b ( a ) 的电流 于3 0 r a i n 恒流放电到9 v 终止 1 8 放电符合3 h 率容量要求的电池完全充电后，在温度容量不低于 为- 1 8 2 的环境中搁置2 0 h ，以1 3 ( a ) 放电 4 0 过放电 符合3 h 率容量要求的电池完全充电后，以初始电 容量不低于额 流3 1 3 ( a ) 的电阻，定电阻连续放电2 1 d ，然后以1 5 v 定值的7 5 恒压限流充电2 4 h 过充电符合3 h 率容量要求电池完全充电，在温度为2 5 c外观无变形、 e立窒迪厶堂亟迨塞 5 的环境，以o 3 1 3 ( a ) 的电流连续充电4 8 小时漏酸、3 h 率容 量不低于9 0 密封反映 经过过充电的电池，再以0 0 1 51 3 ( a ) 的电流连续应不低于9 0 教率充电2 9 小时，并从第2 5 h 开始收集气体5 h 经过计 算反应效率 充电接受 3 h 率容量合格电池，完全充电后1 巧h ，以o 3 1 3 ( a )不低于0 3 1 3 电 能力的电流放电2 5 h ，立即将电池放入温度为o c 2流a 的低温箱内保持2 0 h 从低温箱中取出。在1 r a i n 内以1 4 4 v 恒压充电，记录l o m i n 时的电流 水损耗 3 h 率窖量合格电池，完全充电后，擦砖称重，精度 6 a h 每体积 ( w 型电池)到0 0 5 ，放在4 0 0 2 的水浴中，蓄屯池上缘 为i g ( a 露出水面不得超过2 5 m m ，蓄电池之问与水浴壁 之间的距离不得少于2 5 r a m ，蓄电池用1 4 4 v + o 1 v 充电5 0 0 h ，充电结束后立即称重，计算每a h 水损耗 荷电保持 得到初容量c 。的电池，完全充电，擦拭干净，在环不低于8 5 能力境2 5 c 2 开始搁置2 8 h ，不经充电，按3 h 率放 电得容量c c ，按c c g 计算荷电能力 循环耐久 蓄电池以i 3 b ( a ) 的电流放电l h ，然后以0 3 h 4 0 0 次 能力的电流充电5 h ，组成一个循环。连续循环，每到4 9 次充放电循环后，第5 0 次按3 h 率检查容量当检 查放电容量低于额定值8 0 时，( 可重复二次) 确 认寿命终止 安全性 完全充电蓄电池以0 7 1 3 ( a ) 的电流连续充电5 h ，无漏液，破裂等 然后目测检查现象 耐震动性完全充电蓄电池，以芷立状态禁固在振动台上以容量不低于额 自由落体方式，频率为1 1 7 t l z + o 0 3 比，振幅为 定值，无漏液。 l o m m + l m m ，垂直振动3 h ，振后进行容量检查破裂现象 限压阀阀控蓄电池限压阎开启压力为5 0 l o k p a e 立垄亟盘堂亟堂僮迨塞堕迪管理丕统遨让 注：1 3 指放电被率为3 时的放电电流。例如电池容量为c = 9 0 a h ，3 h 率放电， 放电电流为9 0 3 = 3 0 a 。 2 1 1 蓄电池主要性能指标 1 电压 ( n 电动势一电池正极负极之问的电位差e 。 ( 2 ) 开路电压电池在开路时的端电压，一般电池的开路电压与电池的电动 势近似相等。 ( 3 ) 额定电压电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。 “) 工作电压( 负载电压、放电电压) 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 ( 5 ) 终止电压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，当电池再不宜继续放电时，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 k g 或体积容量a h l 来表示。 ( 2 ) 实际容量一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 ) 标称容量用来鉴别电池适当的近似安时值，由于没有制定的放电条 件，指标明电池的容量范围而没有确切值。 ( 4 ) 额定容量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 ) 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( w h 、k w h ) 电池的能量决定电动汽车的行驶距离。 ( 1 1 标称能量一按一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。 ( 2 ) 实际能量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 1 1 e立銮堕叁堂亟迨奎 的实际容量与平均电压的乘积。 ( 3 ) 比能量( w h k g ) 动力电池组单位质量中所能输出的能量。 ( 4 ) 能量密度( w h 几) 动力电池组单位体积中所能输出的能量。 4 功率( w 、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( w k g ) 动力电池组单位质量中所具有的电能的功率。 ( 2 ) 功率密度( w l ) 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。 铅酸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( s o c ) 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。人们利用铅酸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一放电一充电一放电的 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。第一章介绍各个动力电池的性能时有详细的数值说明。 使用年限：有时也用“使用年限”来表示电池寿命。在具体产品的生产销售 中常见。 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。是相对量，定义如下： s o h ；生 c n 其中，是蓄电池预测容量；c 是蓄电池标称容量。 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。 ( 1 ) 时率( 时间率) 电池以某种电流强度放电，放完额定容量所经过的 a e 夏銮适盔翌亟堂焦迨塞塑丝笪堡丕筮遮让 放电时间。汽车用蓄电池一般用2 0 h 率容量 ( 2 ) 倍率( 电流率) 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 1 ，对于1 2 0 a h ( c 2 0 ) 的电池，即以o 1 1 2 0 = 1 2 a 的电流放电。c 的下脚表示放电时率。 8 自放电率( a h ( t ) - 1 ) 自放电率一电池在存放时间内，在没有负荷的条w f 自身放电，使得电池 的容量损失的速度，自放电率用单位时间( 月，年) 内电池容量下降的百分数来表 示。 自放电率：a h , - a h 5 1 0 0 4 吃f 式中：彳吃电池储存时的容量( a h ) ； 瓴电池储存若干小时以后的容量( a h ) ； t 电池储存的时间( 天或月) 。 除此之外，成本也是一个重要的指标。电动汽车发展的一个瓶颈就是蓄电池 价格高。电动汽车用动力电池组的价格往往是整车价格的2 3 左右。 2 1 2 铝酸电池 本系统主要以铅酸蓄电池为监控对象。在此对它的工作原理和特性作简单的 介绍。 铅酸电池也称铅蓄电池。1 8 5 9 年由普兰特( g p l a n t e ) 发明，2 0 年之后，1 8 8 2 年葛拉斯顿( j h g l a n d s t o n e ) 和特瑞比( a t r i b e ) 提出了解释苏电池成流反应的 “双硫酸盐化理论”至今仍广为应用。 照这一理论，铅酸电池的电极反应和电池反应如下： 负极反应：p b + h s o a 一一p 6 s d + 日+ + 匏 _ r叶 正极反应：p b 0 2 + 3 日+ + n s 0 4 一十勉一p 6 觋+ 2 h 2 0 电池反应：肋+ 肋q + 2 h + + 2 h s 0 4 2 p b s o a + 2 h 2 0 硫酸在电池中是反应物。随着放电的进行，硫酸不断减少，与此同时电池中 有水生成，这样就使电池中的电解液浓度不断降低。反之充电中，硫酸不断生成， 因此电解液浓度不断增加。这就是可以用比重计方便地测量硫酸的密度，从而估 计铅酸电池荷电状态的原因。 e瘟至遁盔堂亟：蔓迨 塞 按照电化学，热力学的方法，电池反应确定之后，应用特能斯( n e r n s t ) 公 式即可计算电池电动势。 e ；e 一一墨三觑笠 n f a 。 式中 e “标准电动势( v ) ： ，z 电池反应中得失的电子数； ，法拉第常数，f = 9 6 8 7 c ； r 摩尔气体常数，r = 8 3 1 j ( k m 0 1 ) ；1 2 温度( k ) ； a 电池反应产物( 以d ) 的活度； a 。电池反应作用物( n 2 s o , ) 的活度。 充放电时，铅酸蓄电池的电压变化曲线如下图： 图2 - 1 铅酸蓄电池充放电电压变化曲线 f i 9 2 1s c h e m a t i co fd i s c h a r g e - c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el e a d a c i dc e l l 图中a e 段为放电过程中表示了电池正负极电压的变化情况；e f 段为充电过 程中表示了电池正负极电压的变化情况。上图也说明，对于单体铅酸电池( 2 v ) ， 正常的工作电压范围是【1 7 5v ，2 7 0v l 。 2 2 电池管理系统的功能 j e 塞銮堕鑫堂亟堂焦迨塞电丝筻堡丕缝邀让 国际电工学会( i e c ) 在1 9 9 5 年制定的电池管理系统标准中给出的电池管理 系统应该有主要功能包括： 显示核电状态( s o c ) ： 提供电池温度信息，电池高温报警； 电池性能异常早期报警； 提供电池老化信息； 记录电池关键数据。 国家“十五”“8 6 3 ”电动汽车重大专项对电池及其管理系统的要求：电池荷 电量预估误差 7 5 ，循环寿命 1 5 0 0 次( 对e v 车用) ，一致性为 0 0 5 v ( 1 2 v 标称电压的电池模块) ；动力电池组系统需通过国家级检测中心测试。 从设计的角度出发，一个完整的电池管理系统，需要做好包括以下几个方面 功能：电池充电管理、电池容量及寿命的预测、电池的均衡问题、电池的状态检 测。 2 2 1 充电管理 充电管理主要是选择合理的充电方法，监控电池状态保证充电效率和电池安 全。放电管理则是实时检测电池状态进行安全监控、电池容量估计。电池状态检 测和容量计算将在后面详细介绍。这里主要介绍几种充电方式。 1 恒压充电：在电池两端加上恒定电压，则充电电流为：i = ( v e ) r 。 v 充电电压；e 电池端电压；r - 电池内阻。 图2 - 2 恒压充电电压电流变化曲线图 f i 9 2 - 2 s c h e m eo f c o n s t a n tv o l t a g ec h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so f v o l t a g ea n dc u r r e n t 充电初期电池电动势比较低，充电电流很大，随着充电过程的进行，电池电 动势上升，充电电流下降，直到充电终止。由于充电后期电流减小，很容易控制 过充电。这种充电方法使充电电流与电池电动势联系起来，而电池电动势又是电 池内部物理、化学状态的反映。因此，这种充电方法是有效的，对于恒流充电而 言有着更多的优点。 但恒压充电有很多不足之处：充电初期电流非常大，而充电末期，由于电池 电动势的回升使得充电电流又非常小，充电设备容量难以充分利用。而且充电电 压微小变化会引起充电电流很大变化。电动势变化所反应的电化学过程与充电电 流之间不仅仅是线型关系，因而仅仅以线型关系来描述并不理想。 2 恒流充电：恒流充电法是调整充电装置输出电压和改变与蓄电池串联电压 的方法，保持充电电流不变的充电方法，如图2 3 。控制方法简单，但由于电池的 可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多 用于电解水，产生气体，使出气过甚，因此，常选用阶段充电法。 图2 - 3 恒流充电电压电流变化曲线图 f i 9 2 - 3 s c h e m eo f c o n s t a n tc u r r e n tc h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so f v o l t a g ea n dc u r r e n t 3 恒压恒流充电：恒压充电开始时电流很大，温度升高过快，会对电池造成 危害，为了防止电流过大，一般在充电过程中限制电流在一定值，这样的充电方 式便称为恒压恒流充电方式。在其恒流阶段，实际上是以限流值为恒值的恒流充 电，所以也称恒压限流充电方式。电压电流变化如图2 4 。 恒压恒流充电方式是大多数电池厂商推荐的充电方式，而且低压限流充电对 于蓄电池来说更加有利。由于蓄电池充电电压较低，充电后期电流很小，因此， 电解液中产生的气泡很少，可以节省电能、降低蓄电池的温升，避免损坏电池的 极板。所以其充电电压一般设在2 2 7 v 左右，限流值设为0 1 c l o 。 j g 立窒亟盔堂亟堂芷迨塞电丝鳘堡丕筮遮进 图2 - 4 恒压恒流充电电压电流变化曲线图 f 9 2 - 4s c h e m e o f c o n s t a n t v o l t a g e & c u r r e n t c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c s o f v o l t a g ea n dc u r r e n t 恒压恒流充电是一种非常有效的充电方法，如果加上过充判断，浮充控制、 温度补偿等，就形成了一个简单的电池管理系统，蓄电池可以在这个系统控制下 更好的工作。 4 涓流充电：在蓄电池组放电过程结束之后，为了使得电池化学物质有个恢 复的过程，希望在这种状态下以相对较小一点的电流充电，等电池端电压上升到 一定数值之后，再采用大电流的恒压恒流充电方式，这种充电过程称为涓流充电 过程。涓流充电事实上是一种近似的恒流充电方式，它要保持充电电流稳定而且 很小，随着电池状态的恢复，整流器的电压必须逐渐升高。 涓流充电过程执行的时间和电池放电深度有关，是否涓流充电的判断根据是 电池端电压，而终止依据是电池端电压或涓流充电时间。 5 脉冲充电：脉冲充电是一种大家比较认同的快速充电方法。充电过程中适 当的暂停充电可以迅速有效地消除各种极化电压，从而提高充电速度。 2 2 2 容量预测( s o t ) 电池荷电状态( s o c - - s t a t oo f c h a r g e ) 的计算，始终是b m s 的难点和重点。 因为我们很难预测电池的工作环境，e v 的工作过程也是一个多变过程，电池本身 的状态还要受到其寿命的影响。目前已有很多s o c 的估计方法，但都不能够达到 人们预期的效果。 1 放电实验法 放电实验法是最可靠的s o c 估计方法，采用恒定电流进行连续放电，放电电 流与时间的乘积即为剩余电量。放电实验法在实验室中经常使用，适用于所有电 池，但它有2 个显著缺点： e瘟奎遵盔 鲎亟 迨 童 需要大量时间： 电池进行的工作要被迫中断。 放电实验法不适合行驶中的电动汽车，可用于电动汽车电池的检修。 2 a l l 计量法 a l l 计量法是最常用的s o c 估计方法。如果充放电起始状态为s o c o ，那么当 前状态的s o c 为： 1 ， s o c = s o c o f 1j = 叩肋 一 其中，c 。为额定容量；，为电池电流；叼为充放电效率，不是常数。 a h 计量法应用中的问题有：电流测量不准，将造成s o c 计算误差，长期积累， 误差越来越大；要考虑电池充放电效率：在高温状态和电流波动剧烈的情况下， 误差较大。电流测量可通过使用高性能电流传感器解决，但成本增o h ；解决电池 充放电效率要通过事前大量实验，建立电池充放电效率经验公式。a l l 计量法可用 于所有电动汽车电池，若电流测量准确，有足够的估计起始状态的数据，它是一 种简单、可靠的s o c 估计方法。 3 开路电压法 电池的开路电压在数值上接近电池电动势。铅酸电池电动势是电解液浓度的 函数，电解液密度随电池放电成比例降低，用开路电压可估计s o c 。下表描述了 铅酸电池开路电压、剩余容量和电解液密度的关系。m h n i 电池和锂离子电池的 开路电压与s o c 关系的线性度不如铅酸电池好，但其对应关系也可以估计s o c ， 尤其在充电初期和末期效果较好。 表2 - 2 电池荷电状态( s o c ) 与h 2 s 0 4 密度及开路电压的关系【6 j t a b l e 2 2s o c - 1 2 s md e n s i t y - v o l t a g eo fo ft h el e a d a c i dc e l l 荷电状态( )h 。s o , 密度( g c m 3 )电池开路电压( v ) 1 0 01 2 6 0 2 1 1 8 7 1 2 4 02 0 9 7 5i 2 2 0 2 0 7 6 21 2 0 02 0 5 5 01 1 8 02 0 3 3 71 1 6 02 0 l 2 51 1 4 01 0 0 1 21 1 2 01 9 7 0i 1 0 01 9 5 j t 立銮遵太芏亟主鲎位延塞电渔笸理丕统遮让 开路电压法的显著缺点是需要电池长时静置，以达到电压稳定，电池状态从 工作恢复到稳定，需要几