（机械设计及理论专业论文）电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究.pdf

y 州1 91 0 3 帆31 7 眦 中南林业科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：彳给三蕈 仂1 1 年莎月卅阳 中南林业科技大学 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 件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林业科技 大学可以将本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和汇编本 学位论文。 本学位论文属于： 1 、保密口 2 、不保密 ( 请您在 作者签名：鄙毛益 砂叩年口月叩 导师签名： 如l 用本授权书。 硕士学位论文 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 摘要 随着全球环保意识增强和能源问题突出，汽车发展也面临着能源消耗及环境 污染等一系列严峻挑战。一直以来，传统的汽车发展以消耗燃油为基础，但这种 发展模式正在发生改变，电动汽车将逐渐成为发展绿色车辆的一种理想车型。目 前，发展电动汽车仍存在大量技术瓶颈，动力电池成为影响电动汽车发展的关键 因素。动力电池的性能、电池能量的合理管理对车辆的动力特性至关重要，它们 直接决定着电动汽车的连续行驶里程、加速性能以及最大爬坡度等。因此，开发 专门的动力电池能量管理系统、设计合理的电池能量管理策略对于充分利用车载 能量，实现节能环保具有十分重要的意义。 本文在已有的研究基础上对电池管理系统中的难点问题：动力电池剩余容量 的估计进行了进一步的研究。首先，介绍了电动汽车的国内外发展现状、动力电池 管理系统的技术状况以及传统的电池剩余容量的预测方法；通过对比分析三种常 用的电动汽车动力电池的优缺点确立锂离子动力电池为研究对象。文章论述了电 池的工作原理，通过建立电池模型对电池电压、电流、温度以及内阻等主要特性 进行了仿真分析，在此基础上，应用人工神经网络理论建立了r b f 神经网络来预测 电池剩余容量，通过仿真验证了方法的可行性，是一种易于实现且有较高精度的 预测方法。 最后，文章进行了电池管理系统的硬件设计和软件设计。硬件方面，详细分 析了各个模块的主要功能、原理及结构，采用s t c 8 9 c 5 2 r e 为核心控制单元对电 池管理系统进行能量管理，给出了各部分的软件流程图、部分程序代码。软件采 用置顶向下的方法进行设计，提高了运行速度，保证系统的实时性与可靠性。 关键词：电动汽车；电池管理系统：荷电状态：神经网络；硬件设计；软件设计 a bs t r a c t a st h ei n c r e a s i n ga w a r e n e s so fg l o b a le n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n do u t s t a n d i n g e n e r g yi s s u e s ，t h ed e v e l o p m e n to fv e h i c l e i sa l s of a c i n gs e v e r ec h a l l e n g e s - - e n e r g y c o n s u m p t i o n 、e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n do t h e r i s s u e s f o ral o n gt i m e ，t h ev e h i c l e s t r a d i t i o n a ld e v e l o p m e n ti sa l m o s tb a s e d0 no i lc o n s u m p t i o n ，b u tt h i s m o d e li s b e c o m i n gc h a n g e d ，a st h eg r e e nv e h i c l e s ，e l e c t r i cv e h i c l e sw i l lg r a d u a l l yb e c o m ea n i d e a lm o d e lo ft h eg r e e nv e h i c l e sd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e ss t i l lh a sal o to ft e c h n i c a lb o t t l e n e c k s ，t h eb a t t e r ye n e r g ym a n a g e - m e n ti sak e y f a c t o ri nt 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 ep e r f o r m a n c eo fb a t t e r ya n dt h e e n e r g ym a n a g e m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fv e h i c l e ，a n d d i r e c t l yd e t e r m i n e st h e e l e c t r i cv e h i c l e sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h ec o n t i n u o u s m i l e a g e 、a c c e l e r a t i o na n dm a x i m u mg r a da b i l i t y t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n t o fb a t t e r y e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h er e s e a r c ho fb a t t e r ye n e r g ym a n a g e m e n tm e t h o d h a v eag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ee n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n w i t ht h ed i f f i c u l tp r o b l e m si nb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，f u r t h e rs t u d i e do ft h e b a t t e r yr e m a i n i n gc a p a c i t ye s t i m a t eh a db e e nd o n ei nt h 。i sp a p e r f i r s t l y , t h ea r t i c l e i n t r o d u c e st h ee l e c t r i cv e h i c l e sd e v e l o p m e n ts t a t u s ，t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m t e c h n o l o g ys t a t u sa n dt h et r a d i t i o n a le s t i m a t em e t h o d so fb a t t e r yr e m a i n i n gc a p a c i t y t h r e ee l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r i e sa r ec o m p a r e da n dl i t h i u m - i o nb a t t e r yi sr e s e a r c h e d i n t h i sp a p e r ，t h eb a t t e r yw o r k i n gp r i n c i p l ei sa n a l y z e d ，b ye s t a b l i s h i n gt h eb a t t e r ym o d e l ， t h ev o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r e ，i n t e r n a lr e s i s t a n c ea n do t h e rm a j o rc h a r a c t e r i s t i c so f b a t t e r ya r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d ，b a s e do nt h e s e ，t h ep a p e ra p p l i e sa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kt h e o r ya n db u i l d u pt h er b fn e u r a ln e t w o r kt op r e d i c tt h eb a t t e r yr e m a i n i n g c a p a c i t y , t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h i s m e t h o d sf e a s i b i l i t ya n ds h o wt h a tt h i s m e t h o di se a s yt oi m p l e m e n ta n dh a sag o o dp r e d i c t i o na c c u r a c y f i n a l l y ，t h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew o r ed e s i g n e d f o rt h eh a r d w a r e ，d e t a i l e da n a l y s i so fm a i nf u n c t i o n s ，p r i n c i p l e sa n ds t r u c t u r eo fe a c h m o d u l ea r eg i v e n ，u s et h ec o r ec o n t r o lu n i ts t c 8 9 c 5 2 r ct om a n a g et h eb a t t e r y e n e r g y ：t h es o f t w a r e sf l o wc h a r ta n dp a r tp r o g r a mc o d ea r eg i v e n t h et o p d o w n a p p r o a c hm e t h o dd u r i n gt h es o f t w a r ed e s i g ne n s u r e s t h es y s t e m ss p e e da n dr e l i a b i l i t y 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 ym a n a g e m e n ts y s t e m ；s t a t e o fc h a r g e ； n e u r a ln e t w o r k ；h a r d w a r ed e s i g n ；s o f t w a r ed e s i g n 硕士学位论文 电动汽车动力电池剩余电置预测系统的研究 目录 第1 章绪论1 1 1 电动汽车的发展现状现状1 1 1 1 国外电动汽车发展现状1 1 1 2 国内电动汽车发展现状2 1 1 3 国内电动汽车发展趋势3 1 1 4 电动汽车的研究意义3 1 2 电动汽车电池管理系统研究现状4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究现状5 1 2 3 电动汽车电池管理系统研究的重点与难点5 1 2 4 电动汽车电池管理系统研究的基本功能6 1 3 本文研究的主要内容：7 第2 章电动汽车用锂离子电池工作原理及性能仿真分析8 2 1 电动汽车对动力电池的基本要求8 2 2 常用动力电池性能比较8 2 3 锂离子动力电池工作原理1 0 2 4 锂离子动力电池性能仿真分析1 0 2 4 1 电池性能参数1 0 2 4 2 电池性能仿真分析1 1 2 5 本章小结1 7 第3 章动力电池剩余容量、s o c 的定义及估算方法1 8 3 1 剩余容量的影响因素与计算1 8 3 2 电池s o c 的定义与估算方法1 9 3 3 本文s o c 估算方法的提出2 0 3 4 本章小结2 1 第4 章r b f 神经网络2 2 4 1 神经网络理论2 2 4 1 1 神经网络简介2 2 4 1 2 人工神经元模型及激活函数2 3 4 1 3 神经网络的工作过程。2 5 4 1 4 神经网络的学习2 5 硕士学位论文电动汽车动力l 乜池剩余电量预测系统的研究 4 2r b f 神经网络结构与工作原理2 7 4 3r b f 神经网络学习策略2 9 4 3 1 固定中心随机选择法2 9 4 3 2 中心监督选择法。3 0 4 3 3 中心自组织选择法3 1 4 3 4 正则化严格插值法3 l 4 4 本章小结3 3 第5 章基于r b f 神经网络的动力电池s o c 预测3 4 5 1 动力电池s o c 仿真。3 4 5 2 基于r b f 神经网络s o c 仿真结果分析：3 5 5 3 本章小结3 6 第6 章电池管理系统硬件设计3 7 6 1 电池管理系统硬件概述：3 7 6 2 电池管理系统数据采集3 8 6 2 1 电压采集模块3 8 6 2 2 电流采集模块3 9 6 2 3 温度采集模块4 1 6 3 d 转换模块4 2 6 4 液晶显示模块4 4 6 5 本章小结4 5 第7 章电池管理系统软件设计4 6 7 1 电池管理系统软件设计概述j 4 6 7 2 数据采集程序设计4 9 7 3 温度模块程序设计5 1 7 4 液晶显示模块程序设计5 3 7 5 通讯模块的软件设计5 6 7 6 本章小结5 7 2 右论5 ； 参考文献5 9 至变谢6 8 硕士学位论文 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 第1 章绪论 1 1 电动汽车的发展现状现状 1 1 1 国外电动汽车发展现状 能量是社会发展的动力，随着世界经济的高速前进，能源需求不断增加，其 供需矛盾日益凸显，加之环境的不断恶化以及环境保护意识的增强，节能减排成 为全球汽车产业的主旋律。电动汽车作为新能源汽车的代表相比传统燃油汽车具 有无可比拟的优点：污染物排放低；能源多样化；能效高、汽车噪声低等，随着 电动汽车动力电池技术水平的提高，电动汽车的市场前景广阔，是2 1 世纪最有开 发潜力的交通工具，也是汽车工业发展的主要方向【l - 3 】 在国际上，电动汽车的兴起代表着新能源汽车产业的改革。从上世纪中期开 始，以美国、日本、法国等发达国家为代表的世界各国都在加紧研制各类电动汽 车，相继建立专门的研发机构以及颁发新的条例、法规及政策来促进新能源汽车 的发展1 4 1 2 0 0 9 年北美和日内瓦车展上欧美汽车厂商共计推出了多达2 6 种新能源汽 车，在全球范围内掀起了新能源研究热潮。 二十世纪九十年代初，美国通用汽车携手其他汽车巨头共同研发高能电池并 应用在新式电动机车上。随后，通用又搭建了纯电动轿车e v l 的总装线，虽然生 产效率不高，却标志着美国在新能源汽车研究领域迈开的重要一步【5 1 。到2 0 0 7 年， 混合动力汽车在美国市场得到畅销，达3 5 万辆：由于金融危机的影响，2 0 0 8 、2 0 0 9 年度美国混合动力汽车销量有所下跌，但随着经济的复苏，截止2 0 0 9 年年底，混 合动力汽车销量同期上涨，涨幅高达4 2 1 6 j ；在发展战略上，美国政府力推插电 式混合动力汽车的发展并将其作为刺激汽车工业发展的动力，同时大量投入资金 对混合动力汽车动力电池等关键部件进行自主研发和生产，力图将国家全年汽车 燃油经济性翻一番。预计到明年，插电式混合动力汽车在政府购车中份额将高达 5 0 ，本土投入使用的车总量预计达9 0 万量l7 1 ，实现混合动力汽车的较大面积使 用覆盖率。 由于资源匮乏，作为岛国，日本最早参与到混合动力汽车的研发生产，从九 十年代中期开始，日本将电动汽车的研发列入国家重大研发项目，是最先开发研 究发展电动汽车的国家。1 9 9 6 年，日本汽车巨头丰田汽车公司研制的燃料电池动 力汽车的生产样车成功下线，并于1 9 9 7 年投入市场化生产，其中以丰田p r i u s 的 批量生产为标志，在世界范围内成为新能源汽车的开拓者。随后，日本陆续推出 丰田p r i u s 的第二代、第三代。截止2 0 0 8 年6 月初，丰田p r i u s 全球总销量突破 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 月在上海汽车展上，日本亮相了混合动力汽车i n s i g h t 力汽车h i c t 、锂离子电池电动汽车f te v 、氢燃料 电池电动汽车f c h va d v 以及f c xc l a r i t y 燃料电池电动汽车。其中以f c xc l a r i t y 燃料电池电动汽车最具代表性，由于该车的排放物只有水，被汽车界称为“环保 车的终结者 9 - n l 。日本的日产、三菱等其他汽车公司也纷纷加入到电动汽车的 研究、生产热潮之中，使日本成为电动汽车开发生产领域的领跑者。 法国拥有丰富的电力资源，在能源利用战略上十分重视电动汽车的发展。法 国政府投资建设了2 0 0 余座电动汽车充电站，通过完善电动汽车使用基础设施， 放宽汽车使用政策，颁发鼓励、优惠条例等一些列措施，成功形成了以研发、生 产、应用、技术配套和政策支持为核心内容的新能源汽车产业体系1 1 2 d 引。目前， 法国已经有超过1 万辆电动汽车投入日常使用。使法国的电动汽车业飞速发展。 1 1 2 国内电动汽车发展现状 我国电动汽车发展始于上世纪九十年代。“十五 计划中，国家将电动汽车 的发展提上日程，通过制定发展规划、设立国家重大科研项目、投入资金以及出 台政府支持条令等一系列积极措施推动电动汽车产业的发展。 以清华大学、中科院为代表的几十家科研单位以及众多汽车企业将新能源汽 车及其相关部件列入重点研发项目，同时对汽车研发、使用等主要技术路线进行 跟踪并培养一批能力较强的研发人员，在电动汽车的自主研发上取得了阶段性的 成果【1 5 d7 1 ，主要包括：一汽集团成功研制的解放牌混合动力城市客车、红旗牌混 合动力汽车；东风集团成功研制的电动客车、神龙富康纯电动轿车以及“楚天一 号”燃料电池电动汽车等；上汽集团研制成功的“超越一号 和“春晖一号两款燃 料电池混合动力轿车等；2 0 0 8 年1 月及2 0 0 9 年初在日内瓦和北美国际车展上亮相 的比亚迪f 3 插入式混合动力轿车和e 6 纯电动汽车【1 。在国家政策的大力支持下， 电动汽车车型进一步扩宽，涵盖普通混合动力车型及插电式混合动力车型，有轿 车、客车、清扫车等多达4 7 个品种1 1 2 1 。在电动汽车自主创新能力方面，国内汽车 企业及汽车零部件生产企业强强联合，技术水平与国际先进水平的差距正在逐步 缩小。自2 0 0 9 年以来比亚迪e 6 、奇瑞s 1 8 、吉利熊猫、众泰2 0 0 8 e v 等自主电 动车相继下线，自主创新能力明显提高，为新能源汽车产业的发展奠定了良好的 基础。 我国政府在政策上也十分重视和支持新能源汽车的发展，2 0 0 9 年国家财政部 斥资超过1 0 亿人民币投入新能源汽车产业，截止同年年底，我国新能源汽车新增 销售数量超过5 6 0 0 台，产业吸纳超过4 0 亿元的社会投资，涉及新能源电池、汽 车零部件和整车等环节【1 3 1 ；在电动汽车投入使用进程中，通过设立北京、上海、天 津、武汉以及株洲等使用示范点，采用小规模、批量化的模式实现对整车的运行， 2 硕士学位论文电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 同时，在北京奥运会期间，由一汽、东风、上海大众、长安、奇瑞、中通、北汽 福田和京华客车共八家企业生产的5 0 0 1 1 8 之o 】多辆节能与新能源汽车为奥运会提供 服务，从技术、产品和运行经验等方面保障了新能源汽车的进一步推广。 1 1 3 国内电动汽车发展趋势 随着中国成为全球最大的汽车销售市场，中国汽车业也将进入发展新阶段。 经过两个五年计划的不断努力发展，2 0 1 0 年1 0 月，科技部牵头的电动汽车科 技发展“十二五 专项规划【2 1 j 制定完毕，小型化和汽车电气化是中国汽车未来 发展的两大方向，2 0 1 5 年中国电动汽车保有量计划达到1 0 0 万辆，动力电池产能 约达1 0 0 亿瓦时。 为此，我国计划推动电动汽车产业链发展，动力电池、电机、电控成为未来 发展的核心，其中，鉴于电池技术及产能成为制约电动汽车普及的关键，“十二 五 期间，中国将大力发展电力电池模块化，使汽车电池成本将降低一半；同时， 大力扶持传统燃料的节能环保汽车、以纯电动汽车为主的新能源汽车，及支持研究 开发混合燃料、氢燃料等汽车。具体包括：第一，2 0 1 5 年前，将大力扶持发展节能 与新能源汽车的关键零部件的发展。在电机、电池等核心零部件领域，力争形成3 至5 家动力电池、电机等关键零部件骨干企业，产业集中度超过6 0 。第二，实现 普通混合动力汽车的产业化，力争中重度混合动力乘用车保有量达到1 0 0 万辆以 上；自主品牌汽车将成为中国汽车业做大做强的基石，至2 0 1 5 年，中国自主品牌 汽车市场比例将进一步扩大，在国内市场自主品牌乘用车份额欲超过5 0 ，其中 轿车份额超过4 0 ，超过1 0 自主品牌汽车将依靠出口扩宽汽车市场。 产 在实现战略上，国家将促进汽车产业与关联产业、城市交通基础设施和环境 保护协调发展，坚持以市场为主导，鼓励具有比较优势的骨干企业，通过强强联合、 兼并重组困难企业和落后企业，达到资源向优势企业集中，加快淘汰落后生产能力， 提高产业集中度，未来计划形成2 至3 家产销规模超过3 0 0 万辆的大型汽车企业集 团，4 至5 家产销规模超过1 5 0 万辆的汽车企业集团。提倡通过兼并重组、淘汰落 后产能来解决结构性产能过剩问题心引。 1 1 4 电动汽车的研究意义 我国发展电动汽车对整个汽车行业，乃至对于坚持走新型工业化道路，建设 资源节约型、环境友好型的社会意义重大而且是多方面的，重点体现在：第一， 是应对节能减排重大挑战的需要。我国2 0 0 9 年汽车保有量达至1 1 7 6 1 9 万辆，石油消 费量3 9 3 亿吨，约2 亿吨供汽车消耗，单车年消耗超过2 3 吨。2 0 1 5 年我国汽车保有 量将超过1 亿辆，2 0 2 0 年预计达到2 亿辆，按目前的燃油经济性计算，我国石油消 费量分别达n 4 2 亿吨和8 4 亿吨，届时石油进口依赖程度高达7 7 心钔。第二，汽车 3 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 产业跨越式发展是提升国际竞争力的需要。我国的传统汽车和国外相比还是比较 落后的，在汽车开发方面始终没有原始创新的东西。但在电动汽车领域，我国和 发达国家是站在同一个起跑线上，我国有机会在新能源汽车领域与西方发达国家 在一个平衡的层面上创新【州。第三，有利于建设生态环保城市，优化能源消费结 构。目前全国各城市的机动车保有量都较大，机动车尾气排放成为各城市大气污 染负荷的主要来源之一，电动汽车的推广，有利于节能减排，建设城市宜居环境，同 时减少对传统能源的依赖，实现资源的节约和综合利用p j 。 虽然电动汽车已成为绿色车辆最主要的发展方向之一，但制约电动发展的核 心问题依然是动力电池。如何延长电池使用寿命、提高电池的能量效率和运行可 靠性，是e v 产业化必需解决的问题，其中以荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ，简称s o c ) 的预测最为关键和困难【2 刚。动力电池是驱动电动车辆的唯一能量，准确计量s o c 是动力电池安全和优化控制充放电能量的保证1 2 7 j 。 s o c 是电流、电压、电阻、温度、循环次数等多种因素复杂的非线性函数， 不能利用单一指标来估算s o c ，而必须对电池进行大量试验、建模，系统地反映电 池容量随使用时间或次数的退化【船2 9 l 。因此，寻求新的神经网络应用于动力电池 s o c 预测模型的方法与途径，就有可能对s o c 进行较高精度的估算。显然，这样 的研究结果将丰富发展动力电池s o c 的预测理论和手段，并广泛应用于各类电动 车、机电设备等装置蓄电池管理系统中，前景广阔【3 0 3 2 j 。 1 2 电动汽车电池管理系统研究现状 1 2 1 国外研究现状 电动汽车电池管理系统( b m s ) 是电动汽车中一个越来越重要的关键部分，我国 在这方面的研究正在逐步加强，以美国为代表的汽车工业发达国家对电池管理系 统的研制工作也不完善。 美国在电动汽车的电池管理系统的研究方面走在世界各国的前列。通用汽车 公司的b m s 采用了微电脑对电池组进行管理。监测和控制蓄电池组的充放电工作 状态，提高电池的充放电性能，预测蓄电池组的荷电状态和剩余能量。美国也在 开展基于智能电池模块( s b m ) 的电池管理系统的研究，即在单个电池模块中装入 一个微控制器并集成相关电路，然后将各个电池模块封装为一个整体，多个智能 电池模块再与一个主控制模块相连，加以其它辅助设备，就构成了一个基于智能 电池的管理系统，该b m s 系统成功实现了对每个电池模块的状态监测、模块内电 池电量均衡和电池保护等功能l 矧。 法国在电动汽车的电池管理系统的研究方面发展较快，通过电动汽车计划 4 硕士学位论文 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 ( e d f ) 率先设计了以记录动力电池寿命、监测充放电历史、电池组行驶管理、 显示剩余电量以及收集电池使用状况信息为主要功能的电池管理系统，并在实车 运行中得到使用。 在日本，本田公司研发了以管理控制模块、车载充电器、惯性控制开关、高 压系统安全检测装置为核心组成的高性能电池管理系统，实现对电池使用状态进 行监控、车载充电器的充电过程的智能控制以及系统发声警报等多项功能1 3 4 1 。 1 2 2 国内研究现状 我国自十五规划及8 6 3 重大项目以来，经过十年的不断努力，电池管理系统 的发展取得了阶段性的成果【3 4 1 ，主要表现在：由湖南神舟公司主持研发的 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；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以及 清华大学、同济大学共同承担的多能源动力总成控制系统和d c d c 变换器等。随 着国家“十二五规划的制定，国家对电动汽车的大力支持，电动汽车管理系统 的研发将得到充分重视与发展，经过几年的发展之后，在电池管理系统方面相信 能取得更大的突破，逐步实现对电动汽车动力电池的合理管理。 1 2 3 电动汽车电池管理系统研究的重点与难点 电动汽车动力电池作为电动汽车的动力源，通常由单体电池分组串联组成，对 各个电池的电压、温度等参数需要进行实时的监测，在保证管理系统线路相对简 单、可靠性好、抗干扰能力强的同时，还要兼顾电池的使用寿命和良好的工作状 态。目前，电池管理系统的重点和难点在于以下几点： 1 各个单体电池在使用过程中，特性变化差异大。动力电池为了达到电动汽 车正常运行的功率和能量等级，必须依靠多个单体电池串联使用，对于同一规格 的单体电池，各电池间存在充放电均衡的问题，导致电池的端电压、内阻、容量、 温度、自放电能力等参数的变化不一致，甚至当电动汽车在较差的工况下运行， 这些不均衡会进一步扩大，这给电池的管理带来了较大困难。 2 较精确的电池数学模型建立难。目前，用于电池管理的电池数学模型通常 有三种，即：内阻模型，t h e v e n i n 模型和p n g v 模型1 3 5 1 。但各模型都存在各自的优 缺陷，譬如内阻模型就结构简单，易于实现，但同时反映电池的多项特性指标就 较困难。如何建立一个较精确的电池数学模型来很好的反映动力电池特性也是电 池管理的热点与难点。 3 评估电池健康状态尚未有全面的标准体系。通常，我们可以根据采集的电 5 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 池电压、温度和充放电电流、估算的s o c 等参数来评价电池的使用状况是否良好， 但这些参数间存在明显的非线性关系，在对电池健康状态进行评估时，难以兼顾 所有的电池特性指标的变化。这也是电池管理系统的难点之一。 4 电池管理系统需要根据电池的使用状况对电池进行补偿复杂。电池管理系 统对电池的修正补偿考虑的影响因素较多，主要包括温度、车辆工况、老化程度 及个体差异等。 5 动力电池个体差异大，老化程度不一致，电池管理系统对电池实现均衡充 电、快速充电是关键。 1 2 4 电动汽车电池管理系统研究的基本功能 电池管理系统的主要功能包括：电池状态参数的实时采集、电池状态的预测、 电池组故障诊断、电池均衡保护以及整车通信功能【3 6 。3 8 】等。 1 电池状态参数的实时采集 电池状态参数是电池管理系统管理算法的基础，输入数据的精确度决定了电池 管理系统能否有效工作。因此，电池管理系统的首要任务就是对每组电池的端电 压、温度、总电压、及充放电电流进行实时采集。 2 电池状态的预测 电池管理系统对电池组状态的预测是以电池组的电压、电流、温度为输入，对 输入数据进行一定的修正补偿，运用恰当的算法，完成电池s o c 及电池组最大充 放电功率的预测。 3 电池组均衡保护 由于电池间存在差异，而使用的动力电池由各个单体电池串联而成，导致电 池组对充放电要求提高，当某个单体电池或几个电池发生过充、过放或温度过高 发生时，电池容易产生火花，甚至燃烧起来，最后导致电池组的使用寿命比单体 电池短。因此，需要对各单体电池间实施均衡保护措施。 4 电池组的故障诊断及警告 常见的电池组故障包括电池组温度过高、电池欠电压、过电压、电池充放电电流 过大、电池组绝缘不良等等。电池管理系统要对可能发生的电池故障进行实时的 监测，当故障出现时要发出警告信号。 5 整车通信功能 电池管理系统需要即使地将预测的各种参数信息发送给总成能量控制单元，以实 现整车的能量、功率分配和控制，目前，该通信功能主要以c a n 总线实现。 6 硕士学位论文 电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 1 3 本文研究的主要内容 本文在湖南省自然科学基金资助项目动力电池荷电状态神经网络在线自适 应预测( 0 7 j j 6 2 1 5 ) ，省教育厅基金项目混合动力汽车动力电池管理系统研 制( 0 9 c 1 0 2 3 ) 的资助下，主要研究了动力电池s o c 的预测仿真、系统软硬件 的设计。由于动力电池本身的特殊性，其s o c 受放电电流、温度变化、本身退化 等诸多因素的影响，虽然这方面的研究很多，但对s o c 的预测目前还没有一个标 准的算法，根据当前动力电池s o c 预测的技术现状以及在现有的研究基础上，将 采用复合剩余电量预测方法，提高预测的精度。本文主要工作内容安排： 1 分析锂离子动力电池的电化学特性，在不同条件下对动力电池进行充放电 仿真实验，分析影响荷电状态的各种因素； 2 对当前常用的动力电池荷电状态估计的模型进行对比研究，建立合理的动 力电池模型，运用m a t l a b 对模型进行仿真分析； 3 在仿真结果的基础上，提出复合的的电池剩余容量的测试方法，对动力电 池s o c 进行预测； i ； 4 完成电池管理系统软件、硬件设计。 7 硕士学位论文电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 第2 章电动汽车用锂离子电池工作原理及性能仿真分析 2 1 电动汽车对动力电池的基本要求 电动汽车具有节能、环保的巨大优势，但至今仍无法得到普及，究其原因是多 方面的，但电动汽车所用的动力电池是主要原因，尤其在能量、输出功率等特性 上，动力电池远低于车用燃油。铅酸蓄电池因制造成本低廉而较早地应用于电动 汽车上，但随着电动汽车的不断发展完善，铅酸蓄电池无法完全满足电动汽车对 动力电池的要求，迫使动力电池必须向高性能的新型电池的方向发展。电动汽车 对动力电池通常有以下基本要求【3 9 - 4 5 ： 1 高的比容量、比功率； 2 高的连续放电率，低自放电率；电池能较好地连续放电且存放时间长。 3 循环寿命、工作时间长，充放电循环次数多； 4 充放电性能、抗过充、抗过放能力好； 5 电池稳定性好，性能衰减应缓慢； 6 使用温度范围要广，低温放电性能衰减要小； 7 价格、使用性能应合理，便于推广应用： 8 无污染，废旧电池应易于回收再利用。 2 2 常用动力电池性能比较 常用的动力电池为高功率铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池。不同的 动力电池，其特性不同，分别介绍如下： 1 高功率铅酸蓄电池 铅酸蓄电池已具有一定的发展历史，是内燃机汽车起动动力源的首选，由于 它原材料易得、可靠性良好、比功率基本满足电动汽车的动力性要求以及价格便 宜等优点，一直被广泛使用【舴5 1 1 。电池工作者也在不断致力于高功率、高性能的 铅酸蓄电池的研究开发，例如通过改造蓄电池的的结构，由传统的密封式发展为 卷式铅酸蓄电池，再到后来的水平式铅酸蓄电池，其比容量、循环寿命不断提高， 快速充电的时间缩短。在一定程度上，铅酸蓄电池的性能得到了提高，但铅酸蓄 电池用作电动汽车动力电池仍表现出比能量低、自放电较强，循环寿命短、体积 和质量过大，单次充电行驶里程短，易出现欠电压、过电压现象，使用成本较高 等缺点。最终，在动力电池的选用上，铅酸蓄电池被不断出现的高性能电池取代。 2 镍氢蓄电池 镍氢蓄电池属于碱性电池，常用k o h 溶液作为电解液，电池中设有防爆装置， 8 硕士学位论文电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 防止反应过程中易出现的氢气引起的爆炸。镍氢动力蓄电池具有高比能量、高功 率、良好的可逆性、适合大电流放电、可循环充放电、无污染等特点，被广泛使 用且呈现出一定程度的商品化1 5 2 。5 6 1 。在研究领域，镍氢蓄电池的技术也相对成熟。 3 锂离子蓄电池 锂离子蓄电池是一种新型的高能电池，以嵌锂化合物作为正负极材料，单体 电池平均电压可达3 6 伏，与相同瓦时数的镍氢蓄电池相比，在体积和重量上， 锂离子蓄电池小2 0 一3 0 ，具有比能量高、体积小、质量轻、电压高、放电平稳 且自放电小、循环性能好、使用温度范围宽和寿命长等一系列的优点，近年来被 广泛关注，现已应用于电动汽车中【5 7 。6 3 j 。目前国内外无论是政府还是大集团都看 好锂离子动力电池市场，同已经商品化的镍氢蓄电池相比具有较大的开发潜能和 研究价值。表2 1 和表2 2 分别给出了三种动力电池性能优缺点、3 6 v1 0 a h 动力 电池性能对比。 表2 1 动力电池性能比较 t a b 2 1p o w e rb a t t e r yp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 电池种类比能量 比功率寿命( 次)优点缺点 ( w h k g( w k g ) 铅酸电池3 6 _ 4 05 0 4 0 0 - - 1 0 0 0 价格低、技术成熟密度小，寿命短 镍氢电池 7 5 8 01 6 卜2 3 0 1 0 0 0 比能量、比功率较成本高 大，循环寿命长 锂离子电池1 0 伊一1 1 0 3 0 0 1 0 0 0 比能量、比功率大，成本高，一致性 循环寿命长较差 表2 23 6 v1 0 a h 动力电池性能对比【6 4 - 6 6 】 t a b 2 23 6 v1 0 a hp o w e r b a t t e r yp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 6 4 - 6 6 综上对比分析，锂离子电池相对镍氢电池用作电动汽车动力电池具有更大的 潜能，优势明显，开发研究价值更高，目前，作为一种应用趋势，锂离子动力电 池越来越多地在电动汽车上得到应用，本文确立锂离子电池为研究对象。 9 硕士学位论文电动汽车动力电池剩余电量预测系统的研究 2 3 锂离子动力电池工作原理 锂离子动力电池以锂离子浓差为基础，两种不同的锂离子嵌入化合物组成电 池的正负电极，一般正极采用锂化合物l i x c 0 0 2 ，l i x n i 0 2 或l i m n 2 0 4 ，负极采用 锂碳层间化合物l i x c 6 ，l i p f 6 和l i 缸f 6 等有机溶液为电解质。 l i 十在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。在充电时， l i 十正极脱嵌并经过电解质嵌入负极，负极处于富含锂离子状态，放电时刚好相反， 锂离子的往复移动形成电流。图2 1 给出了锂离子工作原理示意。 图2 1 锂禹于电池工作原理 f i g 2 1 l i t h i u mi o nb a t t e r i e sw o r kp r i n c i p l e 以l i c 0 0 2 c 的锂离子电池为例，其正负极及总反应为； 正极：l i c 0 0 2 - 厩- 电- - c 0 0 2 + l i + + 充电 负极：三f + + e 一+ c 6 - 芸二l f c 6 总反应：l i c o o 2 + 6 c 二= 二= 筹l i + c o o2 + l i 2 c 6 充电时，正极析出l i c 0 0 2 中的锂离子，