（车辆工程专业论文）纯电动汽车用电池管理系统研究.pdf

摘要 摘要 当今世界，人们在飞速创造财富和发展文明的同时，也带来了许多负面的 效应，环保和能源就是其中重要的两个方面。而传统汽车的大量使用，是造成 环境污染和不可再生能源巨大消耗的重要因素。电动车以其排放少、噪声低等 优点正受到广泛关注，世界各国都把电动车作为汽车工业的发展方向，电动车 用动力蓄电池的性能以及其能量管理系统( b m s ) 是关系到电动车实用化、商品化 的关键技术之一，而作为电池管理系统最重要功能之一的电池荷电状态( s o c ) 估算对电动车的动力蓄电池的可靠运行及电动汽车的动力输出策略等方面具有 重要意义。 文章以设计一款纯电动汽车用动力蓄电池管理系统为目的来展开研究。综 合考虑电动汽车常用的动力蓄电池的性能并结合了本款纯电动小车的实际要 求，选择铅酸电池作为其动力源。同时，根据不同的铅酸电池类型，分析优缺 点，最终确定将阀控铅酸电池( v r l a ) 用于纯电动汽车中。确定以等效电路方 法来建立阀控铅酸电池模型。在对阀控铅酸电池电压响应曲线分析后得到了合 理的电池充放电静置时间，并由此得到电池的实际开路电压( o c v ) ( 数值上即为 电池电动势) 与s o c 关系曲线。继而对特定电流激励下的电池电压响应曲线进 行拟合，初步得到适用于纯电动小车工况下的模型参数值及变化规律，并运用 该模型对实车工况电压响应曲线进行拟合，验证了模型精度能够保持在一定范 围之内。在建立阀控铅酸电池模型的基础上，选择采用卡尔曼滤波算法计算实 车工况下的s o c 。经过s o c 估算误差与模型拟合误差的对照，得到了模型精度与 s o c 估算精度之间的联系。同时通过算法的改进，显著减小了s o c 估算曲线的振 荡。确定模型算法之后，设计了电池管理系统的软硬件模块，并考虑各模块的 功耗问题，根据纯电动小车的不同工况，将电池管理系统分为三种工作模式， 大大减小了电池管理系统的功耗，特别是车辆长时问停车状况下的管理系统低 功耗状态。 通过本文研究，为一款纯电动汽车动力蓄电池建立了较为合理的等效电路 模型及s o c 估算方法，并实现了电池管理系统的功能要求。 关键词：电动汽车阀控铅酸电池电池管理系统等效电路模型s o c 算法低功 耗 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，w h e nh u m a nb e i n g sa r er a p i d l yc r e a t i n gf o r t u n ea n dd e v e l o p i n g c i v i l i z a t i o n ，a l o n g w i t ht h e f r u i t s ，e m e r g em a n ys i d e - e f f e c t sa m o n gw h i c h e n v i r o n m e n ta n de n e r g yp r o b l e m st a k eg r e a tw e i g h t t h eh u g en u m b e ro fv e h i c l e s a p p a r e n t l yi so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sf o rt h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n d c o n s u m p t i o no ft h en o n r e n e w a b l ee n e r g y i nt h i sc o n t e x t ，w i d ea t t e n t i o ni sp a i db y m a n yc o u n t r i e so v e rt h ew o r l dt oe l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db y t h el i t t l ee m i s s i o na n dn o i s ea n dm a ys o l v et h ep r o b l e m so r i g i n a t i n gf r o mt r a d i t i o n a l v e h i c l e s e v sa l eb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ef u t u r ev e h i c l ei n d u s t r y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rb a t t e r i e sa n df u n c t i o no fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) a r et h ec r u c i a lt e c h n o l o g yi nt h ec o m m e r c i a l i z a t i o no fe v s t h ee s t i m a t i o no f b a t t e r y ss t a t eo fc h a r g e ( s o c ) i so n eo fm o s ti m p o r t a n tf u n c t i o n so fb m ss i n c ei t d e t e r m i n e st h er e l i a b i l i t yo fp o w e rb a t t e r i e s ，t h es t r a t e g yo fp o w e rs u p p l ya n ds oo n t h i sp a p e ra i m st or e s e a r c h i n go nt h eb m sw h i c hi sd e s i g n e df o rap u r ee l e c t r i c v e h i c l e c o n s i d e r i n gt h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rb a t t e r i e sa n dt h er e a l d e m a n do ft h ed e s i g n i n gp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ，l e a d - a c i db a t t e r yi ss e l e c t e da st h e v e h i c l e sp o w e rs o u r c e a tt h es a m et i m e ，b ya n a l y z i n gt h ed i f f e r e n tt y p e so f l e a d a c i db a t t e r i e s ，v a l v er e g u l a t e dl e a d a c i d ( v r l a ) i sd e t e r m i n e dt ob eu s e di nt h i s p u r ee l e c t r i cv e h i c l e e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e li sa p p l i e di n t h i sp a p e rt od e s c r i b e v r l a t h r o u g has e r i e so fd i s c h a r g i n ga n dc h a r g i n ge x p e r i m e n t ，ar e a s o n a b l e v o l t a g e s t a b i l i z e dt i m ei ss e t b a s e do nt h i s ，r e a lo p e nc i r c u i tv o l t a g e ( o c v ) i sg o t a n dt h e nt h es o c o c vr e l a t i o n s h i pc u r v ec a na l s ob eg o t t h ep a r a m e t e r s v a l u ea n d r u l eo ft h ev r l am o d e lo ft h ep u r ee vi sc o n c l u d e da f t e rf i t t i n gt h ev o l t a g er e s p o n s e c u r v eu n d e rv a r i o u sc u r r e n ts t i m u l a t i o n a n dt h ep r e c i s i o no ft h em o d e li sv a l i d a t e d w h e ni ti su s e dt of i tt h ev o l t a g er e s p o n s ec u r v eu n d e rt h er e a lv e h i c l ed r i v i n gc y c l e b a s eo nt h ev r l am o d e l ，k a l m a nf i l t e ra l g o r i t h mi si n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h es o c u n d e rt h er e a ld r i v i n gc y c l i n g s o cc u r v eb yc u r r e n ti n t e g r a t i o nu n d e rt h es a m e d r i v i n gc y c l ei su s e dt oc a l i b r a t et h ep r e c i s i o no fs o cc u r v eb yk a l m a nf i l t e r b yt h e l l a b s t r a c t c o m p a r i s o no ft h ee r r o r sf r o mt h em o d e lf i t t i n ga n dt h es o ce s t i m a t i o n ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h em o d e lp r e c i s i o na n dt h es o ce s t i m a t i o np r e c i s i o ni s g o t a l s os o m e i m p r o v e m e n to ft h ea l g o r i t h mh a sb e e nm a d et oc o n t r o lt h er e g i o n a lo s c i l l a t i o no f s o cc u r v e a f t e rt h em o d e la n ds o c a l g o r i t h mo fv r l a b a t t e r i e sf o rt h ep u r ee vi s s e t ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e so fb m sa r ed e s i g n e dt or e a l i z et h ef u n c t i o n s c o n s i d e r i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o no fb m s ，t h r e ew o r k i n gm o d e sa r es e ta c c o r d i n g t ot h ed r i v i n gc y c l eo fe v i tc a na p p a r e n t l yc u td o w nt h ep o w e rc o n s u m p t i o n e s p e c i a l l yw h e nt h ev e h i c l e ss t o pf o ral o n gt i m e t h r o u g ht h er e s e a r c hw o r k , r e a s o n a b l ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e la n ds o c a l g o r i t h ma r es e ta n dt h ed e m a n df o rf u n c t i o no fb m si sr e a l i z e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，v a l v er e g u l a t e dl e a d - a c i d ，b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ， e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，s o ca l g o r i t h m ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文储繇袁丘手 2 川年；月乙目 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：壹婵 ， o 7 年3 只z oe l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 传统的燃油汽车在给人们的生活和工作带来便捷的同时，也在威胁着人类 的生存环境。汽车的发展所带来的对石油资源需求的激增和对环保的负面影响 日益引起人们的注意。以汽油或柴油做燃料的汽车燃烧效率不高，造成了能源 的浪费，进而引发能源危机。汽车的尾气不仅含有一氧化碳、碳氢化合物、氮 氧化物、硫化物等污染物，还有造成温室效应的二氧化碳。如何减小甚至消除 燃油汽车的危害，已成为汽车工业发展面临的重要课题。发展电动汽车目前被 认为是解决未来能源与环境问题的最有希望的措施之一，在世界范围内得到各 国政府、汽车生产企业和科研机构的高度重视【l 】- 【引。 现代的电动汽车技术是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就的前两项技术 的融合，即“电气化”和“汽车”融合的产物【6 l 。电动汽车是至少有一种动力源 为车载电源，全部或部分由电机驱动的汽车，包括使用高能量动力蓄电池作为 主要动力源的纯电动汽车( b e v ) 、采用内燃机和高功率动力蓄电池和电机共同 驱动的混合动力汽车( h e v ) 和以氢气为车载燃料的燃料电池汽车( f c e v ) 三种 类型，本文的研究重点主要放在纯电动汽车上。现代电动汽车具有如下优点： ( 1 ) 效率高：比较原油转化成汽油和原油转化成电的能量效率。现在的内 燃机效率约为3 8 ，因汽车在市内行驶中有频繁的停车、低速行驶、等待信号灯 等，其最终效率不过1 2 ，而电动汽车无机器空转损失，电池的8 0 以上的能 量可由电动机转为电动车的动力，即使考虑原油的发电效率、送配电效率、充 放电效率等，其最终可得到1 9 左右的能量效率。另外，电动汽车在制动时有回 收能量的特点。 ( 2 ) 环境污染低：电动车在行驶中无废气排出，即使以火力发电来估计， 相对于常规汽车其废气排出量也会被大幅度减少。 ( 3 ) 可使用多种能源：因电动车使用二次电力能源， 其不受石油资源的限 制，可利用核能、水力、太阳能等。 ( 4 ) 噪音低：汽车的噪音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。常规汽 第1 章绪论 车和电动汽车比较，虽然因汽车行驶而引起的噪音、振动无显著差别，但是 电动汽车没有内燃机动力系统部分产生的噪声。 美、r 、欧等发达国家和地区主要集中于电动轿车的研制【7 】。世界各大汽车 集团公司如f o r d 、g m 、n i s s a n 、t o y o t a 和h o n d a 等，都在电动汽车上投入 了较大的资金，并研制出多种电动汽车及电动汽车概念车，如f o r d 的t h i n k c i t y ，g m 的e v i ，t o y o t a 的r a v 4 、p r i u s 和h o n d a 的e vp l u s 、i n s i g h t 和 f c x 2 v 3 等【8 1 【9 1 。电池也由以前单一选用的铅酸电池，发展到现在所用的镍氢电 池、新型铅酸蓄电池、镍镉电池、锂离子电池。 对于中国而言，电动汽车技术尤其具有重要意义【5 】。一方面，中国的石油储 量并不丰富，随着工业的迅猛发展，近年来石油进口量已经接近其总消耗量的 二分之一，而且该比例有逐年增高的趋势，目前中国已成为仅次于美国的第二 大石油进口国；第二方面，中国的c o ：的排放也仅次于美国，居世界第二位，环 境污染问题已经成为制约中国发展的瓶颈；最后，作为国民经济的支柱产业， 中国的汽车工业水平与国外相差甚远，想在短时间内迎头赶上并不容易，相对 而言，电动汽车的发展在国际上也是起步时间也不长，这对中国的汽车工业是 一个难得的机遇。 基于上述考虑，我国“8 6 3 ”计划的“十五”、“十一五”规划都特别设立了 电动汽车的科研作为攻关专项。十五期间，在8 6 3 电动汽车重大专项支持下， 我国动力蓄电池技术和产品性能取得了显著进步。 1 2 电动汽车车载电池介绍 车载电源是电动汽车的心脏，电动汽车的竞争，说到底是车载电源技术的 竞争。同一般蓄电池相比，电动车动力蓄电池以中等电流长时间持续放电为主， 问或以大电流放电，用于起动、加速和爬坡。通常，对电动车电池有下列的要 求【i o 】- 【1 3 】： ( 1 ) 高的比能量，它关系到一次充电的续驶罩程 ( 2 ) 高的比功率，它涉及到电动车的起动、加速和爬坡能力 ( 3 ) 循环寿命长，它涉及到流动成本； ( 4 ) 充放电效率高，它涉及到节省能源及成本： ( 5 ) 原材料来源丰富，成本低，它涉及到基本建设费用等； 第1 章绪论 ( 6 ) 安全性好，它关系到在使用过程中是否可靠、方便； ( 7 ) 充电时间短，维护方便和价格便宜等优点； ( 8 ) 易保养，它关系到可靠性和方便性； ( 9 ) 资源及环境影响小，涉及到制造材料的稀缺性及回收利用等问题。 目前，有望运用于电动汽车的动力电池主要种类有铅酸蓄电池、镍氢蓄电 池、镍镉蓄电池、锂离子电池，如表1 1 所示为其相关的性能指标，铅酸电池 比能量最小，镍氢和镍镉电池的比能量比铅酸电池稍大，锂离子电池是镍氢和 镍镉电池的两倍，而在比功率方面当放电深度在8 0 以内时，铅酸电池和锂离子 电池的比功率较大，而镍氢和镍镉较小，8 0 放电深度下循环寿命锂离子最高， 而其余三种电池均在8 0 0 次左右，单位能量的价格方面铅酸电池的成本最小。 表1 1 各种电动车用电池的性能指标 、 性能比能量 比功率( 8 0 d o d )循环寿命 价格 种类 ( w h k g )( w k g )( 80 d o d ) ( 次)( 元w h ) 铅酸 3 5 3 0 06 0 00 8 镍镉5 01 2 25 0 0 1 0 0 04 镍氧5 m 击o2 0 05 0 肛8 0 06 钾高了 1 2 0 3 4 01 2 0 08 和其它电池相比较，在纯电动汽车上的运用，铅酸蓄电池因为具有较高的 性能价格比，具有很强的竞争优势6 j 。同时，铅酸电池能够做到全密封免维护， 并且具有自放电小和循环寿命较长等优点。电动车能否获得商业成功，关键在 其动力电源，从性能价格和技术成熟程度等综合因素考虑，动力型铅酸蓄电池 是目前电动车最为实用的动力电源之一1 1 7 j 。同时，考虑到本文研究的纯电动小 车主要用于会展场馆内的运行，不需要保证较长的续驶罩程，所以对比能量的 要求也不是很高。其它系列如镉一镍电池成本高、开路电压低，难以大量投入， 而且镉电极毒性大，存在记忆效应：镍氢电池的负极储氢合会还存在着氢碎、 粉化和氧化等技术问题，且储氢材料价格昂贵，目前还不能大面积的推广；锂 离子电池虽然比能量、比功率高，但多处于研制阶段，价格偏高，且某些性能 不够理想如安全问题。所以，综合考虑各电池的优缺点及本文研究的纯电动小 车的特殊应用场合，选择了铅酸电池作为其动力源。 第1 章绪论 1 3 电池管理系统基本概念及研究状况 电池有很明显的非线性和时变特性，电池各个方面的特性如容量、最大充 放电功率、等效内阻等不能仅仅通过上车前简单的测试确定，因为它们在汽车 行驶过程中随着电池的寿命、充放电状态等因素变化，因此为了更合理地应用 动力蓄电池，需要一套管理系统。 国内外相关单位已经对车用动力蓄电池管理系统( 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 ) 进行大量的研发工作，并取得了很多技术成果。根据其管理对象 的不同，大致可以分为锂离子动力蓄电池管理系统、镍氢动力蓄电池管理系统 以及铅酸电池管理系统。不同的电池管理系统尽管有所不同，但是很多功能及 实现原理是相通的，电池管理系统具备的普遍功能主要有： 1 实时检测电池系统运行状态参数 实时采集蓄电池组的总电压、模块电压、回路电流、电池温度等参数信息。 并将必要数据通过通讯总线如c a n ，向整车管理系统( v e h i c l em a n a g e m e n t s y s t e m ，v m s ) 传输。这些检测的信息也是电池管理系统的s o c 估算、故障诊断、 报警及故障处理等功能实现的基础。 2 故障诊断、报警及故障处理 通过对于电池系统的运行状态参数的检测，如果参数的值超过安全范围， 比如总电压过大，那么就认为发生了电池系统的故障，可以通过总线向整车管 理系统发送故障状态码进行报警，并进行相应的故障处理措施，比如可以暂时 禁止能量回馈，只允许电池能量输出，以降低过高的电池总电压。 3 电池荷电状态( s o c ) 估算 在车辆运行时，s o c 是电池管理系统向整车管理系统( v e h i c l em a n a g e m e n t s y s t e m ，v m s ) 传输的重要信息之一，v m s 根据当前电池的s o c 来决定从电池中 获得多少能量，或者向电池反馈多少能量。同时，对于电池本身来说，电池的 一些电特性也与s o c 密切相关，比如电池的内阻在中等s o c 下较小，但当s o c 接近于0 或1 0 0 时有较大幅度的增加，因此，s o c 的准确估计将影响到车辆的 动力表现，甚至安全性的好坏，意义十分重大。进一步深入丌展s o c 估算的基 础性研究和工程实现研究，是电池管理系统的核心技术之一，对电动汽车动力 系统技术发展具有十分积极的意义。 随着近几年电动汽车研究和应用的不断升温，国外些大的汽车生产企业 4 第1 章绪论 和蓄电池生产厂家针对各种电动汽车车载电池作了大量研究及试验，构建出了 各自的数学模型，开发出了多种电池管理系统，并在车上试用。目前对车用电 池管理系统研发取得较大成果的主要包括：美国、日本、法国和韩国。较典型 的电池管理系统有：美国通用汽车公司生产的“e v l ”型电动汽车上应用的电池 管理系统；德国b h a u c k 设计的b a t t m a n 系统；韩国n u r i 公司推出的锂离子电 池管理系统n b m s 一1 3 m 一9 1 c h 等。 我国在十五期间设立电动汽车重大专门研究项目，经过几年的发展之后， 在电池管理系统( b m s ) 技术方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近。在 国家8 6 3 计划2 0 0 5 年第一批立项研究课题中，就分别有湖南神舟公司承担的 e q 6 1i o 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 块等课题。国内对一些高校也参与到了课题当中，主要包括：同济大学、清华 大学、上海交通大学、北京理工大学、湖南大学、武汉理工大学、重庆大学等， 它们在车用动力电池管理系统的研发上也取得了一定成果。 1 4 论文主要研究对象及内容 本文主要对一款纯电动小车的动力蓄电池及其电池管理系统进行研究。图 1 1 为该电动汽车的外观图片，该小车主要运行于大型场馆之内及场馆之间。根 据上文的介绍，由于特别的使用场合，小车的续驶里程要求不高，所以选定铅 酸蓄电池作为其动力源，而且在对电池管理系统设计时，也考虑到了小车运行 时较为理想的场馆路面状况及环境，在平坦的路面及接近室温的环境下，铅酸 电池的内部特性变化较小，从而为下文对电池建模提供了有利的条件。 本文主要的研究工作的内容如图1 2 ，针对研究对象设计了研究路线，首先 了解铅酸电池不同种类，分析其电化学特性，选择合适的铅酸电池型号用于纯 电动小车上，对选定型号的铅酸电池进行特性研究，建立合理的电池模型并进 行模型精度验证，在此基础上，进行基于模型的s o c 估算方法的研究并进行精 度验证，然后针对s o c 算法的要求及电池系统的特性，设计满足相应功能的电 池管理系统软硬件并且进行可靠性分析。 第1 章绪论 幽ll 纯l u 动小乍的外观 愕h 微卜i 瓣l | 黼l 选型r + l 及模型建立广_ + 1 鼍：! ! ：黔r 。h 螽霸彘实玩i 1 5 本章小结 幽l2 士要研究内存 术章t 要从世界能源现状等问题出发，提出发展电动汽车的必要性及其优 势，并介绍了罔内外电动汽车的发展现状。又进一步介绍了电动汽车车载电池 的发展情况，及不同种类动力电池的技术比较，初步确定选用铅酸电池作为率 文研究的纯电动小车的动力源。继而概迹了电池管理系统的基本功能及国内外 的发展现状。最后，明确了本文的主要研究对象即纯电动汽车的铅酸动力蓄电 池及其管理系统，并制定了研究工作的基本路线及t 要内容。 第2 章阀控铅酸电池特性 2 1 铅酸电池分类 第2 章阀控铅酸电池特性 铅酸电池按用途分类，主要有如下几种： ( 1 ) 起动型蓄电池：主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明； ( 2 ) 固定型蓄电池：主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控 制的备用电源； ( 3 ) 牵引型蓄电池：主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源； ( 4 ) 铁路用蓄电池：主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之 动力； ( 5 ) 储能用蓄电池：主要用于风力、太阳能等发电用电能储存。 铅酸电池按其工作环境又可分为移动式和固定式两大类，固定型铅酸电池 按电池槽结构分为半密封式及密封式，半密封式又有防酸式及消氢式。依据电 解液数量还可将铅酸电池分为贫液式和富液式，密封式电池均为贫液式，半密 封式电池均为富液式。传统的铅酸蓄电池是富液式的，存在漏酸、需要经常补 加水等缺点。1 9 世纪5 0 年代以来，随着汽车的普及，对汽车蓄电池提出了免维 护化的要求，其目的就是一方面减少在充电过程中发生水的损失，从而减少补一 加水的工作；另一方面使电池在不使用而搁置时，尽量减少自放电，从而将放 置中的补充电工作尽量减少【i8 1 。而v r l a 电池的开发成功使其能任意方向放置使 用而不漏液，在使用期间不用补加水维护，无疑使铅酸蓄电池的应用具有了更 大的空间。实际上，阀控式铅酸蓄电池( v r l a ) 占据市场已经几十年了【i9 1 。但近 来，随着电池技术的不断提升以及r 益高涨的环保要求，v r l a 在不同领域的需 求量j 下在不断的增长，包括不问断电源系统，动力系统，以及起动，照明，点 火系统【2 0 】【2 1 1 【2 2 1 ，其优点将在2 3 节中介绍。 2 2 阀控铅酸电池特性介绍 阀控铅酸电池的英文名为v a l v er e g u l a t e dl e a db a t t e r y ( 简称v r l a ) ，其 基本特点是使用期间不用加酸加水维护，电池为密封结构，不会漏酸，也不会 7 第2 章阀控铅酸电池特性 排酸雾，电池盖子上设有单向排气阀( 也叫安全阀) ，该阀的作用是当电池内部 气体量超过一定值，即内部气压升高到一定值时，排气阀自动打开，排出气体， 然后自动关闭，防止水份蒸发。1 9 7 1 年美国g a t e s 公司首次将超细玻璃纤维用 于密封铅酸电池中液式卷绕极板圆筒形电池，获得专利并批量生产，第一次 将氧气复合电池中实施，实现了铅酸蓄电池技术上的重大突破。1 9 7 3 年诞生了 第一个商业化的阀控铅酸( v r l a ) 蓄电池。 2 2 1 阀控铅酸电池的化学特性及构造1 2 3 l 相对于早期的铅蓄电池来说，v r l a 电池在电池材料和结构设计方面做了很 大的改进。由于电池过充电时，在电池的正负极分别会析出氧气和氢气。 j 下极：h ，o 一2 e - - 1 1 2 0 ，+ 2h + ( 2 1 ) 负极： 2h+2e = h ， ( 2 2 ) 在v r l a 电池中，正极产生的氧气通过隔板扩散到负极表面，在负极与铅 结合成水，并生成硫酸铅。 2pb+o 2 + 2h2 s o4 = 2 pbs o4 + 2h2 0 ( 2 3 ) 该硫酸铅与放电产物相同，充电时还原成铅。 pb so4 + 2 e = pb + s o 4 1 - ( 2 4 ) 以上氧气在正极产生，然后被负极吸收的过程，就是“氧气复合循环”。 由于( 2 4 ) 式的充电反应比( 2 2 ) 式的氢气析出反应较易进行，因而抑制氢气 的析出，减少水的损失。所以，适当的j 下负极活性物质配比，可以使电池做到 基本密封，从而达到免维护的要求。 由于铅酸蓄电池实现密封化的途径关键在于内部氧循环的实现，这就要求 电解液必须被固定，所以有足够的空间以便正极产生的氧气能够快速到达负极 被还原。这通常有两种方法：采用吸附式玻璃纤维隔板( a g m ) 和采用胶体电解 质2 4 1 。 在胶体电池中，当凝胶过程发生时，由于胶体收缩，产生微裂缝。这些微 裂缝可以作为气体的通道。而在a g m 电池中，隔板的孔率高达9 4 以上。隔板通 常都是由希l 细不等的玻璃纤维组成，这样既可以有一定的硬度，同时也有足够 的吸收电解液的能力。小孔具有很强的毛细力用来固定电解液，而一部分大孔 是丌放的，作为气体扩散的通道。如图2 1 ，为阀控铅酸电池的结构示意图，主 第2 章蚓控错酸电池特性 要有f 极板、古电解液的多孔物质、负极扳、问隔物、壳体、单格、汇流导体、 溢气阀、盖。阀控铅酸电池内部由很多小单元组合而成，即j 下负极板问央着台 1 乜解液的多孔物质，它可以是多裂缝的胶体也可以是玻璃纤维与电解液的组合 介质。这样的小单元的集合就组成了整个铅酸电池的电势差，溢气阀为单向的 排气阀，内部气压升高到定值时，排气阀自动打开，排出气体，然后自动关 闭，防j p 水份蒸发。 幽21 阀拄铅酸l u 他的结构示意削 2 2 2 阀控铅酸电池的电学概念 1蓄电池的电动势和开路电压 电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一。如果其他条件相同，那 么电动势越高的电池，理论上能输出的能量就越大。 电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电位之差。即 e2 亿一仗 ( 2 5 ) e 为电池电动势 乱为正极的平衡电位 ”为负极的平衡电位 开路电压是电池诈负极问没有负载连接或电路处于断路时，两极m 的端电 压。因为电池的内阻很小，在电池开蹄时其分压也微乎其微，所以电动势在数 值h 等于电池长时日j 静置后的开路电压，在电动车行驶电动汽车蓄电池剩余电 量预测方法的研究时检测开路屯压是不现实的。因为，从电学角度柬说电动 第2 章阀控铅酸电池特性 车行驶过程中检测到的端电压是放电电压，在刚刚停止放电时，由于电池的极 化作用，蓄电池的端电压有个缓慢上升的过程，过一段时间才能达到真正的开 路电压值，从化学角度来说，在放电过程中主体溶液中酸的浓度与电极孔隙中 酸的浓度不能很快达到平衡，要求有一定的时间进行扩散以达到平衡。在停止 放电后达到平衡时检测的开路电压值才是等于电池电动势。 2 蓄电池的工作电压 蓄电池的工作电压又称为闭环电压或负荷电压。指电池接通负荷时电池在 放电过程中所显示的电压。电池在接通负荷后，由于欧姆电阻和过电位的存在， 电池的工作电压将低于开路电压。电池的放电电压随放电时间的平稳性表示电 压精度的高低。充电时的工作电压正好相反，工作电压高于开路电压，而且随 着充电的进行而上升，直到充满。 3 蓄电池的内阻 电池内阻包括欧姆内阻和极化电阻两部分，二者之和为电池的全内阻。欧 姆内阻主要是由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组 成。它与电池的尺寸、结构、电极的成型方式、隔膜材质和装配的紧度有关。 极化内阻指在正极和负极在进行电化学反应时，由于极化引起的电阻。极化电 阻与电池的工作条件、活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关。 蓄电池内阻r 与电动势e 、端电压u 、放电电流，的关系如下： 尺：墨二竺 ， ( 2 6 ) 4 电池的容量 电池容量是指在一定的放电条件下可以从电池中获得的电量，有理论容量、 实际容量和额定容量之分，用a h 或m a h 来计量。理论容量是根据活性物质的质 量按照法拉第定律计算而得到的最高的理论值；实际容量是指在一定放电条件 下，电池实际放出的总电量；额定容量即标称容量，是指在设计和制造电池时， 按照国家有关部门颁布标准，规定电池在一定放电条件下应该能够放出的最低 限度的电量。一般，实际容量总是低于理论容量。 5 充放电倍率 指电池在规定的时i b j 内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数据值上 1 0 第2 章阀控铅酸电池特性 等于电池额定容量的倍数，通常以字母c 表示。如假设电池的标称额定容量为 6 0 0 m a h ，在1 h 内放出额定容量的电流值为6 0 0 m a ，则可记为1 c ( 1 倍率) ，3 0 0 m a 放电时，其倍率则为0 5 c ，6 a 放电时为i o c ，以此类推。 6 蓄电池的荷电状态( s t a t eo fc h a r g e ) 及放电深度( d e p t ho fd is c h a r g e ) s o c 是描述蓄电池当前工作状态的一个重要参数，通常，把一定温度下蓄电 池充电到不能再吸收电量时的状态定义为满荷电状态，即s o c = 1 0 0 ，而将蓄电 池放电到截止条件下的状态定义为空荷电状态，即s o c = o 。实际上，可以看出 电池的s o c 可以用来反映电池的当前剩余电量，因此，可以用式( 2 7 ) 定义电 池的s o c 比引。 s o c = ( q l c ) 1 0 0 ( 2 7 ) 式中，q 为电池当前剩余的电量，c 为电池的实际容量。该式可以转化为式( 2 8 ) 的形式， s o c = ( 1 一q c ) x 1 0 0 ( 2 8 ) 式中，q 为电池已经放出的电量。 那么，放电深度d o d 如式( 2 9 ) d d d = 】一如c( 2 9 ) 2 3 纯电动汽车使用阀控铅酸电池优缺点 综合阀控铅酸电池的电化学特性，以及考虑其在纯电动汽车上的使用，具 有如下优缺点n 钔 1 优点： ( 1 ) 在电池整个使用寿命期间， 无需添加水，调整酸比重等维护工作，具 有“免维护”功能； ( 2 ) 不漏液、无酸雾、不腐蚀设备； ( 3 ) 可以卧放或立放 ( 4 ) 自放电小，25 0 c 下自放电率小于2 ( 每月) ； ( 5 ) 结构紧凑，密封良好，抗震动，比容量高； ( 6 ) 电池的高低温性能较好，可在4o o c + 8o o c 泛围内使用； ( 7 ) 大电流放电性能好。 第2 章阀控铅酸电池特性 ( 8 ) 阀控铅酸电池在续驶里程要求不高的电动小车上使用具有较高性价比， 而且相对其他的电动车用电池，其技术也较为成熟。 2 缺点： ( 1 ) 比能量较小，影响续驶里程 ( 2 ) 充电接受能力差 ( 3 ) 阀控蓄电池需要精确的充电制度以达到氢气和氧气产生的化学平衡从 而保证最优的性能 ( 4 ) 负极可能出现硫酸盐化现象 综合上述优缺点，选用阀控铅酸电池作为电动小车中的动力源，能够较好 的满足本文的需求，所以，本文主要选取了一款阀控铅酸电池，来研究其特性 以及通过总结规律对其进行建模。并将此款阀控铅酸电池运用到实际设计的电 动汽车中，通过电池模型及得到的电池外特性等参数，来研究其荷电状态的估 算方法。 2 4 本章小结 本章主要分析了铅酸电池的不同种类，及其特性，初步将阀控铅酸电池作 为所设计的纯电动小车的动力源。并介绍了阀控铅酸电池的电化学特性和概念。 综合其作为纯电动汽车动力源的优缺点，最终证明选择阀控铅酸电池的合理性。 第3 章纯电动汽车用阀控铅酸电池的模型建立 第3 章纯电动汽车用阀控铅酸电池的模型建立 3 1 模型建立的意义 如果要构造一个合理有效的电池管理系统并为整车的控制策略进行服务， 首先需要对电池的特性具有相当程度的了解，而阀控铅酸电池的模型建立，对 于电池管理系统及整车的控制具有如下的意义： 1 电动汽车铅酸电池s o c 估算的算法基础 在对电动汽车进行控制时，电池管理系统通过算法实时计算的动力蓄电池 的s o c 值是一个很重要的参数，它反映了动力蓄电池还有多少能量可以提供给 电动汽车，相当于传统汽车的储油量，对电动汽车的控制策略的制定具有关键 作用。但是，动力蓄电池的s o c 值的准确获得却要远比储油量的检测复杂得多， 因为电池的可用电量是看不见摸不着的东西，它与电池组的化学特性相关，不 能直接得到。所以，只能通过电池的电压电流温度等的外部特性，估计当前的 s o c 值。而电池模型的建立就是为了能够准确描述电池的电流温度等输入情况下 端电压的变化情况，并且通过对于端电压的准确预测，从而反映电池的一些内 部参数选择的准确性，并在一定算法下估算电池的s o c 值。所以说，一个准确 的模型是电池s o c 估测的基础。 2 硬件在环仿真中使用 对于现代的先进开发流程，硬件在环是其中的关键一步。它可以用实时仿 真系统来仿真控制对象或外环境，从而允许对产品型控制器进行全面、详细地 的测试，甚至连极限条件下的应用也可以进行反复测试。整个测试过程的软件 程序就是建立在模型算法上的。而电池的准确模型就能够在电动汽车的硬件在 环仿真中运用。在研究车辆中除电池外的某个实际环节的工作特性时，将电池 环节运用模型替代，可以免去实际电池在仿真环路中的运用，可以任意设定输 入电流等信号，甚至仿真一些极限的工况而不需要实际的充放电的设备，可以 随意调整电池的串联节数及不同温度下的参数特性，从而大大节约测试费用， 缩短测试周期，增加测试的安全性及可靠性。 第3 章纯电动汽车用阀控铅酸电池的模型建立 3 2 建模方法的概述及选择 铅酸蓄电池建模方面的研究工作，始于2 0 世纪5 0 年代后期，到现在己有 近5 0 年历史。国外在该领域内进行了大量研究并取得了一些成果。目前，铅酸 蓄电池建模工作主要集中在以下几个方面：电化学模型、神经网络模型、交流 阻抗模型、等效电路模型等。 1 电化学模型 完全的电化学模型过于复杂，在电动车上难于应用，因此将其简化得到简 化的电化学模型，可以预测电池的剩余电量和电压变化，这类模型典型的有 p e u k e r t 方程，s h e p h e r d 模型【2 6 1 ，u n n e w e h r 模型2 7 1 等。另外，也有一些文献直 接基于电池内部的电化学反应建模2 8 】【2 9 】，然后对电池进行状态估计，这些方法 虽然在准确度上较简化模型要高，但是一方面对电池本身的结构、尺寸、材料 等依赖性很强，因此，限制了其适用性和适应性，另一方面，需要研究人员本 身对电化学知识的掌握层次要求较高。完全适用于电动汽车用动力蓄电池管理 的电化学模型目前还没有文献报道。 2 神经网络模型【3 0 】【3 l 】 电池是一个高度非线性的系统，到目前为止还没有在所有工作范围内都适 用的解析数学模型。神经网络具有非线性的基本特性，具有并行结构和学习能 力，对于外部激励能给出相对应的输出响应，目前也应用于电池建模中。有报 道m 1 采用一种3 层神经网络估计电池s o c 的方法。神经网络输入变量的选择和 数据量影响模型的准确性和计算量。神经网络方法的误差受训练数据和训练方 法的影响很大，所有的电池试验数据都可用来训练模型并优化模型。而经此数 据训练的神经网络模型只能在原训练数据的范围内使用，因此神经网络更适用 于批量生产的成熟产品。 3 交流阻抗模型【3 2 】【3 3 】 这类模型通过电池的交流阻抗特性、动态频率响应特性进行建模，从目前 的文献来看，利用这类方法建模的研究一般都是基于模糊逻辑进行的。利用这 种方法得到的电池模型可以比较精确地反应电池的动态特性，但是由于电动汽 车用动力蓄电池特有的工作环境决定了很难将这种技术在线地应用于实车上； 这种方法可以用来预先离线建立电池模型以及对