基于PLC的小型纯电动教练车电源管理系统开发研究（可编辑） .doc

基于plc的小型纯电动教练车电源管理系统开发研究 分类号:u46 10710-2010122103 硕 士 学 位 论 文基于 plc 的 小型纯电 动 教练车 电源管理 系 统 开发研 究周在芳导师姓名 职称 蹇小平 教授申请学位 级别 工学硕士 学科专业名 称 载运工具 运用工 程 论文提交 日期 2012 年5 月10 日 论文答辩日 期 2013 年 06 月04 日 学位授予 单位 长安大学the development research of battery management system based on the plc on the small pure electric coach vehiclea dissertation submitted for the degree of mastercandidate :zhou zaifangsupervisor :prof. jian xiaopingchangan university, xian, china摘 要电动汽车以其节能环保的优势越来越受到重视, 被视为汽车工业的发展方向。 世界各大车企、 高校、 研究机构都在对电动 汽车进行深入研究, 并取得很大进展。 但电动汽车 的 动 力 电 池 及 其 应 用 技 术 发 展 缓 慢 , 成 为 制 约 电 动 汽 车 普 及 的 瓶 颈 。 电 源 管 理 系 统(bms, battery management system ) 作为电动汽车的关键技术之一, 直接检测及控制动力电池运行的全过程 , 包括充放电电流、 电池电压、 电池温度、 电量估算、 单体电池间的均衡、 电池故障诊断等, 起到延长电池寿命、 提高电池使用效率和保障电池安全运行的作用 ,对电动汽车产业化具有十分重要的意义。 本文依托陕西省交通运输厅 “小型纯电动教练车开发研究” 项目 (09-32k ) 和西安市科技局“小 型纯电动 教练车动力系 统匹配与 优化设计”项 目(cx1249-4) ,开发 了一套基于 plc (可编程序 控制器) 控制的电源管理系统。 通过对 电源管理系统 技术现状的研究,结合现有条件,提出 了本研究信息采集及荷电状态估算方案; 以 fx2n-30mr-4ad可编程序控制器为核心进行电路的硬件设计和搭建: 信息采集电路利用 “巡检技术” 完成 6 块单只电池电压及电池组总电压、 电流、 温度 的实时精确采集工作 , 为准确判断电池状况、 精确 计算荷电状态soc, state of charge 打下良好基础。 同时 , 完成了系统 软件设计,并提出以实车实 况可利用容量作为计算 soc 的初始容量的“双 soc ”策略,一个是以初始容量作为基准, 单纯反映放 (充) 电量 占初始容量的多少; 另一个 是经温度、放电电流 对初始容量修正后的荷电状态。 此 后, 在条件满足的情况下, 初始容量基准值自动更新, 最大程度上避免了电池老化、 自放电等因素对荷电状态估算的影响; 在软硬件设计过程中,坚持模块化、 集成化、 简单化的原则,并充分考虑抗干扰措施, 保证系统能够可靠稳定的工作;最后对软硬件设计进行相关的室内验证试验及实车试验。 室内试验结果表明: 温度、 电压、 电流采集值及荷电状态等和预想结果一致; 实车试验确定所用蓄电池组初始容量,并对电压、温度 、电流信号及荷电状态值进行记录,结果表明 : 温度、 电压 信号受电磁干扰误差较大, 有待改进;soc 估算误差在 10% 之内,具有一定的实用价值。 充电试验首先确定充电效率, 完善充电部分计算程序, 能够 较为准确地反映电池充电时的荷电状态。 关键词:电动汽车 、电源管理系统(bms ) 、荷电状态soc 、plciabstractelectric vehicle, with the advantage of energy saving and environmental protection, has attracted more and more attention, and is regarded as the development trend of antomobile industry. the worlds major companies, universities and instituties have carried on thorough research on this problem and have made some remarkable progress. however, the slowly development of power battery and its applications becomes the bottleneck of the popularization of ev. the bms, as the necessary technology of ev ,directly detects and controls the process of evs battery operation, including the charging and discharging current, the battery voltage and temperature, consumption estimation, the balance between monomer batteries and battery failure diagnosis, to improve lifetime and efficiency of the battery and to insure the safety. it has important engineering significance for the industrialization of the evthis paper develops a set of energy management system controlled by plc based on the projects of 09-32k and cx1249-4. firstly, the research significance of bms is discussed and a lot of the technical stuation is researched, combined with the existing conditions, the information acquisitting and state estimating scheme is put forward in the paper. then, the hardware circuit which solves the six pieces of batteries accurate voltage, current, temperature collection works with “inspection technology” that lays a good foundation to accurately judge the battery status, is designed and set up. at the same time, the software programming is designed. the parameters used in the program is obtained by the driver training ev with experiment. the “double soc” strategy which use the actual capacity that can be released on the real vehicle as the initial capacity when calculate the soc.soc1 only reflects the amount of charged or discharged electricity. soc2 is the revised charged state under the temperature, discharge current. since then, the initial capacity updates automatically, mostly avoid the effect of aging and self-discharge on socs estimation. it adopts the module, integration and simple design principle during the design. and anti-interference measures are fully considered to ensure the reliability of the system. finally, do a lot of related indoor experements and simple real vehicle tests to validate the software and hardware designthe acquisition value of temperature, voltage, current and charged state of the indoor iitests are consistent with expected results, shows that hardware design and software programming are correct. the battery initial capacity is obtained and the voltage, temperature, current signal, the state of charge value in the different time wil be recorded through the real vehicle test, the result shows that temperature, voltage, with large deviation that needs to be improved, is affected by electromagnetic interference. soc estimation within about ten percents deviation, has certain practical value. charging test firstly ascertains the charging efficiency, improving the charging part of the program, so that the system can accurately reflect the state of charge when the battery is being chargedkey words: ev; battery management systembms; state of chargesoc; plciii 目 录 第一章 绪论1 1.1 引言. 1 1.2 国内外电动汽车发展概述. 1 1.2.1 国外电动汽车发展状况 1 1.2.2 国内电动汽车的发展现状2 1.3 电池技术研究现状. 3 1.3.1 电池的发展概况 4 1.3.2 能量管理系统发展现状 5 1.4 本文的研究意义及主要研究内容. 5 1.4.1 研究背景及意义 5 1.4.2 主要研究内容. 6 第二章 电源管理系统理论基础及方案确立. 7 2.1 动力蓄电池理论基础 7 2.1.1 试验车对蓄电池的要求 7 2.1.2 试验车蓄电池的选型. 7 2.1.3 蓄电池主要参数说明. 8 2.1.4 铅酸蓄电池充放电特性 9 2.2 电源管理系统的功能及 组成11 2.2.1 数据采集参数的确定12 2.2.2 电源管理系统的组成及功能12 2.3 电量估算方案. 13 2.3.1 soc 研究意义. 13 2.3.2 电池荷电状态的影响因素及相关修正关系13 2.3.3 soc 估算常用算法分析 15 2.3.4 本文 soc 估算方案. 17 第三章 电源管理系统硬件实现. 19 3.1 系统功能及硬件框架. 19 3.2 可编程序控制器的选用和简介 20 3.2.1 可编程序控制器(plc )的选用原因. 20 3.2.2 可编程序控制器的工作原理21 3.2.3 fx2n-30mr-4ad 可编程序控制 器性能规格. 25 iv3.3 plc 接线端口的分配. 26 3.3.1 plc 开关量输出口的分配 26 3.3.2 模拟量输入口的分配28 3.4 数据采集部分电路实现 28 3.4.1 电源电路. 29 3.4.2 电压采集. 30 3.4.3 温度采集电路33 3.4.4 电流采集部分36 3.5 通讯部分 37 3.5.1 plc 通信口介绍. 37 3.5.2 显示屏 md204l v4 介绍37 3.5.3 通信实施方式39 第四章 电源管理系统软件实现. 41 4.1 开发环境简介. 41 4.2 主程序. 42 4.3 数据采集模块. 43 4.3.1 电压、温度信号的采集. 43 4.3.2 电流信号的采集. 44 4.4 状态判断及报警模块. 44 4.5 初始容量 q 校正模 块44 04.6 电量计量模块. 48 4.7 显示屏设置部分 49 4.8 抗干扰设计49 第五章 试验验证. 51 5.1 实验条件 51 5.1.1 环境条件. 51 5.1.2 电池条件. 52 5.1.3 试验的车辆条件. 52 5.1.4 试验用仪器仪表. 53 5.2 室内静态试验. 53 5.2.1 数据采集软件验证试验. 53 5.2.2 荷电状态soc 算法的验证试验55 v5.2.3 信号采集电路板可用性试验57 5.3 实 车试验 58 5.3.1 安装调试. 58 5.3.2 试验步骤. 59 5.3.3 结果及分析 61 结论及展望. 67 结论67 展望68 攻读学位期间取得的研 究成果71 致 谢 72vi 长安大学硕士学位论文 第 一章 绪论 1.1 引言 近几年, 汽车保有量大幅度增加, 汽车尾气排放已经成为最主要的污染源之一, 由于石油资源逐渐枯竭,寻找车辆替代能源迫在眉睫,而电动汽车运行时环保、无噪声、摆脱了对石油的依赖, 成为汽车行业的发展热点, 发展电动汽车已经上升到很多国家的能源战略高度。 尤其在中国, 传统燃油车起 步晚, 技术较国外落后很多, 而新能源汽车的发展与国外基本处于同一水平线上, 为了在汽车新时代跻身于该行业前列, 我国政府给予了高度重视和大力支持, 各大车企和高校科研单位几乎都致力于电动汽车的相关研发及推广。 1.2 国内外电动 汽车 发展概述 1.2.1 国外电动汽车发展状况 日本是电动汽发展速度最快的国家之一, 早在 20 世纪 70 年代, 日本政府就将发展电动 汽车列入产业规划, 并且制定了诸如建设和改造充电站、 研制蓄 电池新技术等计划 ,直到现在仍有条不紊的快速发展。 目前已有多款 代表车型在全球范围上市, 较为人知的有 1997 年丰田汽车公司在日本推出并出口 20 多个国家的 prius, 此外还有丰田的 estima 、crown 、coaster , 本田 汽车公司的 insight 、civic , 日产汽车公司的 tino 、altima 等混合1动力电动汽车和丰田 ev-10、ev-50 、 日产 ev-4 、march ev 、ev resort 等纯电动轿车 。近期, 日本在电动汽车动力性能及充电等技术难题上有很大的提升及突破, 如 三菱汽车 公司推出的 i-mi ev 、 日产 leaf聆风、 本田飞度 ev 、 丰田 scion iq ev (塞恩) ,采用 家用 220v 电源充电 ,充满普遍 约需 7 小时,scion iq ev (塞 恩) 预计 4 小时左右就能充满; 在直流快速充电站 充 80% 电量,约需 30 分钟,而 scion iq ev (塞 恩)只需 15 分钟,20 分钟就能充满。 另外在动力方面,leaf日产聆风电池组最大输出功率90kw ,电动机的输出功率80kw ,扭矩峰值能够达到280n?m ,符合电动机大扭矩特性的 需求。其配备的锂电池组由汽车能源供应公司 (aesc ) 制造, 总容量为24kwh , 续航里程为160 公里。scion iq 2ev 最高行驶速度可达125km/h 。 1 第一章 绪论 在美国, 电动汽车的发展数经波折,1900年, 费迪南德 ?保时捷设计出第一款 电动车 “lohner-porsche ” ,运行安静平稳,效率高。19 世纪末20世纪初电动汽车在欧美被广泛使用, 当时 美国38% 的车辆 是电动汽车。20世纪, 随着内燃机技术的大幅提高和石油的大规模开采, 内燃机引擎赢得了公路上的胜利, 占据了汽车市场。30年代, 电动汽车基本绝迹。 内燃机汽车的应用提高了人们的行动速度, 促进了社会的发展, 但大量的废气排放也引发了严重的环境污染问题。70 年代后期, 欧美意识到问题的严重性, 开始致力于电动车的回归工作, 生产出可以满足 120 英里 (200 公里) 的电动汽车。1990 年 , 美国提出 “到 2003 年加州 10%的售出车辆为电动汽车” 的要求; 受此影响, 电动汽车迅速复苏。当年, 通用汽车、 福特公司分别推出 impact 、escort 电动汽车; 本世 纪初福特汽车公司还推出 p2000 燃料电池电动汽车, 最高车速 128km/h 。1996 年, 通用 汽车投资 1 亿美元3开发电动汽车,生产 出 ev1 及电动货车 chevrolets-10 ,ev1 采用 三相感应电机前驱,最高时速 128km , 百米 加速时间小于 10s 。 另外, 美国三大汽车公司 (福特、 克莱斯勒、通用)达成开发研制电动汽车的协议,并于 1991 年成立先进电池联合体,促 进电动汽车的快速发展。 随后其它汽车厂家也开始把汽车改装成电动车, 渐渐的公路上开始出现电动汽车, 并受到环保人士和爱车人士的喜爱, 但由于石油巨头、 政府政策等各方面的压力,2000 年,通用宣布停止生产 ev1 。 2009 年7月10日, 奥巴马 政府颁布的多项燃油限制和新能源法案 里规定: 到2016年,3轻型车清洁度 要提升40% , 车辆平均燃油经济性要不小于35.5英里/加仑 ” 。至此, 美国电动汽车 产业开始“第三次崛起 ”。 汽车强国德国也在有条不紊的开发电动汽车,2009 年8月19日,德国联邦 政府批准了 国家电动汽车发展计 划 , 目标是: 2020年行驶在公路上的电动汽车达100 万辆, 2030年达到500 万辆,2050年城市交通基本不使用化石燃料,同时要建设 能够满足 需求的车4辆充电基础设施 。 德 国车企如:bmw (宝马) 、volkswagen (大 众) 和mercedes-benz(梅赛德斯-奔驰)各大公司也在积极准备中。以奔驰为例,该公司已与德国最大的电力工业巨头rwe公司决定共同建设500 个电动汽车充电站。 1.2.2 国内电动汽车的发展现状 近几年, 在各方的共同努力下, 我国电动汽车产业迅速发展, 关键技术已基本成熟,2 长安大学硕士学位论文 与国际水平相接 轨,具备了率先启动产业化的条件,为缩短我国汽车产业 与国外差距、实现跨越提供了机遇。 我国着重研发电动汽车始于 2001 年,经过 12 年的科技攻关以及奥运、世博、 “十城千辆 ” 示范平台的带动 , 已经建立起了具有自主知识产权的电动汽车全产业链技术体系。截至 2012 年 3 月 底,累计 1.9 余万辆节 能与新能源汽车 已在 25 个示范城市 得到推3广, 建成充电桩 6400 余个, 充 (换) 电站 170 个,客运量超过 90 亿人次 。 截至 2012年 6 月底,共有 83 家企业的 454 款节能与新能源汽车产品 被载入节能与新能源汽车示范推广推荐车型目录 。 我国自主品牌以比亚迪为代表, 几年来致力于电动汽车的研究,2012 年, 携手国家开发银行 为城市公交电动化 提出 “零元购车? 零成本?零排放” 的方案, 并在 深圳、 天津、云南、 武汉等地得到大力 推广;在海外, 比亚迪的电动公交更有遍及 世界的趋势,2012 年 12 月 5 日, 纯电动大巴 k9 正式在比利时首都布鲁塞尔交付试运行; 同年 12 月11 日,与保加利亚 bulmineral 公司正式签约,双方以 50:50 的比 例成立欧洲首个电动大巴合资公司;12 月 12 日,在哥伦比亚首都 宣布组建南美第一支纯电动出租车 队。截至目前, 比亚迪电动车 已经在荷兰、 比利时、 芬兰、 丹麦、 美国、 加 拿大、 秘鲁、 乌拉圭、西班牙、匈牙利、哥伦比亚、智利等 地试运营成功。 预计 2013 年, 比亚迪纯电动出租车 e6 将会出现在 伦敦街头。 北汽福田欧辉新能源客车 推出新一代纯电动公交车, 这批总计 160 辆纯电动公交车已在 12 年年末交付使用。 充电时间 在 2h 以内, 满电后的行驶里程长达 150 公里。 此外,北汽福田已成功开发 迷你 电动汽车、 纯电动卡车、 纯电动及混合动力客车等产品, 形成了覆盖乘用车、 卡车、 客车领域 的 7 个平台、15 个产品系列、40 余款新能源汽车车型。目前, 北汽福田已有 6000 多辆新能源汽车在全球运营, 其中纯电动汽车 3908 辆, 订单数量每年 以 70% 的速度 递增,成为全球纯电动汽 车示范规模最大的整车企业。 1.3 电池技术研 究现 状 电动汽车在各国的发展情况,充分说明电动汽车已经成为本世纪汽车的发展方向,谁掌握了其核心技术谁就会优先占据未来汽车市场。 从目前的发展情况来看, 电动汽车关键技术包括车用动力电池技术、 电机及其控制技术、 能量管理系统等; 而电机及其控3 第一章 绪论 制技术相对比较成熟, 目前的问题在于续驶里程短和成本高, 归根结底是动力电池的原因。 为了解决该问题, 一方面需要努力开发高效的车用动力电池, 最大程度地解决续驶里程短的问题。另外,如何实现现有电池利用最大化,就需要研究电动汽车的 bms 。 1.3.1 电池的发展概况 从铅蓄电池首次出现至今已 有 140 年的历史, 之前在汽车上主要作为辅助电源使用,现如今已作为动力源应用到电动汽车上。 应电动汽车发展 的需要, 国内外竞相研发电动汽车 车用 动力电池, 主要有 铅酸电池、 铝/ 空气电池、锂/硫化铁电池、 锌/空气电池、 镍5氢电池等 ,主要参数及优缺点对比如表 1.1 所示 。 表 1.1 常用电动汽车用 蓄电池主要参数及优 缺点 比能量 比功率 充放电电池种 类 优点 缺点 (wh/kg ) (w/kg ) 次数 原料易 得、 技术 成熟、 价格 低; 高寿命短 、质 量400 温、 低温 、 高 倍率 放电 性能 好; 充铅酸 3540 200 大、 比 能量 低、1000 电效率 高, 无记 忆效 应; 荷 电状态铅污染 易识别 寿命长 、 比 功率 大、 良好 的 大倍率 重 金 属 镉 污放电特 性、 瞬时 放电 率很 大、 深 放 染 、 记 忆 效镍镉 55 190 2000 电低温 性能 好 应、价 格高 比能量 大、 性能 稳定 、锌 可回收 、 寿命短 、 不 能锌- 空气 120 120 130 制造成 本低 输入大 电流 使用温 度高 、比能量 大、 寿命 长、 效 率高 、 负载 高温腐 蚀、 性109 150 1000 钠硫 特性好 、可 大功 率输 出 能不稳 定不安全 比功率 高、 比能 量大 ; 单 体 电池电压高; 无记 忆效 应、 寿 命长 ; 自放电率低 ; 可 快速 放电 且效 率高; 体 一致性 差、 价锂离子 110 300 1000 积小重 量 轻 ; 工 作温 度范 围宽; 可 格贵 大电流 持续 放电 、 负 载能 力强; 安全性好 ,适 合 动 力电 源用 通过对比可以看出,铅酸蓄电池存在比能量较低、寿命短、充电时间较长的缺点;但其优势也是显而易见的, 如价格便宜, 制造技术成熟, 比功率较高, 充放电性能、 安全性能较好及 可高放电率放电等。 加之铅酸电池逐渐采用新材料和新工艺, 其性能已 得到很大提高,对环境的危害也明显降低,循环寿命增加,可进行快速充电等等。因此,4 长安大学硕士学位论文 在国内外开发的纯电动 汽车大多采用铅酸蓄电池。 尤其在实验研发阶段铅酸蓄电池作为动力源可以节省实验费用, 也为大多数电动汽车科研单位所采用。 本 论文 同样选择铅酸蓄电池作为能量管理系统的研究对象。 1.3.2 电源管理系统发展现状 目前制约电动汽车推广的主要因素是续驶里程短和使用成本高, 归根结底是电池的问题。 摒除电池本身的问题, 从应用技术层面对其进行有效的监测和控制, 使其发挥最优效能显得更加重要。 为此, 一些高校、 汽车 制造商和电池生产商分别凭借各自的优势,联合起来对电池管理系统 (bms ) 进行了大量研究, 并取得显著成果, 国外比较典型的bms 有: 美国 aerovironment 公司研发的 smart guard ,采用分布 式方式实现电池温度、电压信号的采集。可实现在线充放电监控;找出问题电池;保存电池历史数据等。德国 mentzerelectronic gmbh 和 werner retzlaff 研发的 badicoach 使用非线性电路来实现对单体电压的 监测; 记录充放电历史数据, 找出最差电池, 显示其 soc ; 能通过历 史 数 据 判 断 电 池 的 工 作 状 况 , 从 而 判 断 电 池 使用 是 否 得 当 , 并 给 予 提 示 等 ; 德国b .hauck 设计的 battman bms 具有通用性 的特点, 可以通过简单修改硬件的搭线和6-9程序中的参数,达到管理不同电池组的效果 。 在我国, “863 计划” 等 就确立了很多 bms 相关课题, 如同济大学、 清华大学等承担的多能源动力总成控制系统和 dc/dc 变换器课题; 北京理工大学承担的 eq7200hev车 用 镍氢 bms ; 苏 州星 恒 电源 有限 公司 的燃料 电 池轿 车用 高功 率锂离 子 动力 电池 组 及其 bms ;北京有色金属总院承担的解放牌混合动力城市客车用 bms 、湖南神舟公司承担的 eq6110hev 车用大功率镍氢动 力电池及其 bms 等课题。经过 几年的 攻关,bms6的研究取得 了很大突破,与国外水平较为接近 。 总之,bms 的 研究 内容 主 要包 括 : 实时 而准 确 地采 集电 池 参数 车 载 动力 电 池组 soc 及续驶里程的估算; 热管理;电 池故障诊断与报警、bms 自检;电池模7型研究; 电池组一致性研究; 充放电优化控制等 。 1.4 本文的研究 意义 及主要研 究内容 1.4.1 研究背景及意义 电动汽车已经成为未来汽车的发展潮流,它具有节能环保、噪声小的优点,尤其是5 第一章 绪论 可以解决石油危机对汽车行业带来的致命打击。 油价的不断上涨使消费者逐渐倾向于新能源汽车, 加上政府的大力支持, 现在是发展电汽车的大好时机。 电动汽车技术虽然取得了很大进步,但距全面推广仍然存在很多问题,其中能源管理系统就是其中之一。 蓄电池组作为电动汽车的动力源, 都是有很多块电池串联而成, 每块电池的性能和质量直接影响到电动汽车的动力性、 可靠性和经济性。 因此为了保证电池组整体性能良好 , 需要了解每块电池的技术状况, 及时维护及更换问题电池以延长电池组的整体性能和寿命, 从而降低电池使用成本。 另外, 纯电动汽车目前还存在续驶里程短的缺点, 为方便驾驶人员随时了解续驶里程, 提前合理地安排行程, 需要对 soc 进行估算和显示。 由于国内汽车保有量的迅速增加, 驾校大规模扩张, 而传统燃油教练车绝大部分时间都处于低挡位、 低速行驶状态, 油耗高、 污 染物排 放严重, 不符合国家节能减排政策,而且针对教练用纯电动场地车的 电源管理系统尚少, 技术功能 亟待提高。 因此, 开发纯电动教练车及其专门的能量管理系统具有较高的实用价值与现实 意义, 本文正是基于教练用电动汽车对所研究 的能量管理系统进行相关试验验证。 1.4.2 主要研究内容 plc 简单易学, 在能实 现所需功能的前提下, 符合电气工作人员的逻辑习惯, 又降低了开发成本及 周期。所以本文选用三菱 fx2n-30mr-4ad 型 plc ,开发了一套基于plc 控制的独立 的电源管理系统。 根据驾校的日工作量实际调研结果, 确定该试验车 电池 组匹配情况,包括型号和 块数。本文的主要研究内容如下: (1) 研究国内外技术现状,根据现有条件,明确信号采集项目及要实现的目标。 (2)设计并搭建硬件电路,实现电池电压、温度 、总电压及电流信号的采集。(3 )根据信息采集原理及预期达到的目标(信号采集、信号处理、报警、显示、荷 电 状 态 估 算 ) , 进 行软 件 设 计 。 具 体包 括 :设 计 荷 电 状 态 估算 方 案; 根 据 蓄 电 池 试 验数据 拟合函数 f (i ) 、f (t ) 作为电流、 温度 的修正因 子对容量进行修正; 通过试验用纯电动教练车获取程序中所需参数。 (4)实验室试验验证。对数据采集方法、soc 算法及其编程正确性进行验证。 (5)实车试验,验证设计的稳定性 、抗干扰性和可靠性 。 6 长安大学硕士学位论文 第 二章 电源管理 系统理 论基础及 方案确 立 2.1 动力蓄电池 理论 基础 2.1.1 试验车对蓄电池 的要求 汽车经常有起动加速、制动等行为,在这些工况中 电池状态会有剧烈变化。所以,作为电动汽车动力电池应满足以下要求: (1)首先应能长时间持续放电,即容量要足够大; (2)比功率大, 它是影响车辆的起动和加速性能的最重要因素。 (3)高效的充放电能力,从而缩短充电时间,提高工作效率。 (4 )稳定性,电池应在车辆工况变化时给予准确 稳定 的 回 应 , 从 而保 证 车 辆 正 常10工作 。 2.1.2 试验车蓄电池的选型 该 文 研 究 的 电 源 管 理 系 统 在 长 安 大 学 研 制 的 教 练 用 电 动 汽 车 上 进 行 相 关 的 试 验验证。由于铅酸蓄电池技术成熟、成本低,并能 很好的满足教练车每日训练的用电需求,经过大量的市场调研, 该车选用 淄博明泰电器科技有限公司生产的铅酸电池, 设计时按试验车 a 的电池匹配进行, 电池型号为 4-d-145 , 电压为 8v , 共 9 块 。 由于本研究系统的通用性, 稍改软件参数就可应用到其他类似电池组上, 并由于外界因素我们在试验车b 上实验, 电池型号为 6d-130,实物如图2.1 所示, 额定电压为 12v , 额定容量为 110ah,电池 6 块。图 2.1 试验车用铅酸蓄电 池7 第二章 电源管理系统理论基 础及方案确定 2.1.3 蓄电池主要参数说明 (1 )电池比能量:有质量比能量和体积比能量之分,前者指单位质量可转 换成的11电能量,单位:wh/kg,后者指单位体积可转换成的电能量,单位:wh/l 。 (2 )放电终止电压:电池放电至某电压值之后如果继续放电,电压会急剧下降,并且释放的能量很少, 还会对电池造成不良影响, 所以放电时必须在某一适当的电压值截止放电。 通常厂家规定在一定的放电条件下, 放电至能再反复充电、 并能恢复原有容11量的最低电压为截止电压也称为放电终止电压 。 (3)开路电压 在电池开路或测量用电压表内阻足够大的情况下,电池两端的电压称为开路电压。3它与蓄电池硫酸浓度呈函数关系。正常状态下硫酸密度在 1.05-1.30g/cm 范围内,电池12的开路电压与电解液密度关系为 : e+0.85 3式中 -电解液的密度(g/cm )。 因为电解液密度与电池荷电状态有很好的对应关系, 因此, 开路电压与荷电状态也有一定的对应关系。 在平时 试验时, 通常采用密度计测电解液密度来估算剩余电量, 但这种方法不能应用 在车辆行驶中; 而开路电压可以在线测量, 所以通常可以利用开路电压估算电池荷电状态。 但对开路电压进行测量时, 需要在工作之后经过一段时间使电解液浓度达到平衡状态后进行。 对充放电过程中电池组开路电压、 密度和荷电状态三者的关系 如表 2.1 所示。 表 2.1 荷电状态与电解液 密度、开路电压三者 之间 的关系 3荷电状 态(%) 电解液 密度 (g/cm ) 开路电 压(v ) 100 1.26 2.11 87 1.24 2.09 75 1.22 2.07 62 1.20 2.05 50 1.18 2.03 37 1.16 2.01 25 1.14 1.99 12 1.12 1.97 0 1.10 1.95 (4 )放电率有 小 时 率和 电 流 率 之 分 , 小 时 率用 以 某 电 流 放 完 额 定 容量 所 用 时 间 来表示, 如 20h 率。 电流率通常也称倍率, 指电池的放电电流值, 其数值为额定容量值的12倍数,表示方法如 0.1c ,指以额定容量的 0.1 倍大小的电流放电 。 208 长安大学硕士学位论文 (5 )电池容量有 理 论容 量 、 实 际 容 量 和 额 定容 量 之 分 。 根 据 蓄 电 池自 身 的 活 性 物质的性能按一定的方法计算的电量最高值是理论容量。 实际容量是指电池在一定条件下能输出的电量。 额定容量是按有关部门规定的 , 在一定的放电条件下, 电池应该放出的12最低限度的电量 。 电池外壳一般标注的安时数是额定容量, 一般用大写 c 及其下脚标 (放电率) 表示,13如 c 指以 20h 率在一 定温度下放电至截止电压至少应放出的电量 。20(6 )剩余容量 : 从 本质 上 说 是 指 电 池 从 此 刻开 始 到 放 完 电 所 能 放 出的 电 量 , 由 于它不仅与之前的放电量及放电条件有关, 而且与此后的放电过程有关, 所以 绝对的剩余容量值在放电过程中是无法得到的。在实际应用中,通常用 荷电状态 soc 这个相对量14来指示剩余容量 。 (7)荷电状态(soc, state of charge 指在一 定放电条件下,剩余容量与此刻条件15下额定容量的比值 。 满电状态下为 100% ,放完电时为 0。如公式 2.1 soc1-q /q 100% 2.1 耗0式中 q -已放出的电量 耗c -对应放电条件下的 额定容量 0对于恒流放电,q 耗i ?t ,则 soc1-i ?t/q 100% 0对于变流放电, 可以每隔一段时间 ( t ) 采集 一次电流 i , t 取得足 够小, t 时间内就可视为恒流放电,这段时间内消耗的电量 q i ?t,故变流 放电时的 soc 见耗公式 2.2, soc1- i t/q (i , t 2.2 j-1 j-1式中 i -t 时刻的电 流值 j-1 j-1q ,t-电池满电soc1状态下,在温度 t 下,以恒流 i 放电,所能放ij-1 j-114出的电量 。 (8 )蓄电池 的 自 放 电率 是 指 在 没 有 负 荷 的 自然 状 态 下 存 储 时 , 电 池自 身 放 电 的 速度。其值 越 低 越好, 所以 又 称 荷 电 保 持能 力 , 它 受 制 造 工 艺 、存 储 条件 、 材 料 等 影 响 ,是衡量电池性能的重要指标。 2.1.4 铅酸蓄电池充放电特性 各型号铅酸蓄电池的状 态变化趋势基本是相同 的,下面以某“6v ,60ah ”蓄电池25 时的充放电特性为例来说明。 9 第二章 电源管理系统理论基 础及方案确定 1. 电池的放电特性 分别以 6a 、16.9a 、41.9a 、70a 、162a 、222a 六组不同电流恒流放电, 不同 放电电流 条件下, 得到的 电池端电压与放电时间关系 组成 的一组曲线称为放电特性 曲线。 如图 2.2 所示,从 放电曲线可以 得出电池放电具有如下 特性: (1) 其他条件相同的情况下,以不同的电流放电,终止电压略有差距,可释放容量也不同。 放电电流 6a , 放电时间为 10 小时 (称之为 10h 放电率曲 线 ) , 测得 电池可放出 容量 c 6a10h60ah ;如果用 1/6h 恒流放电来测定 ,则 c 162a h27ah。 10 1/6图 2.2 电池放电特性 (2 ) 在放电 初期 端 电压 下 降 较 多 , 这 是 因 为初 期 极 板 外 部 的 硫 酸 来不 及 补 充 极 板内部迅速反应消耗的硫酸, 导致极板内部电解液密度迅速下降; 随后, 端电压缓慢均匀下降, 因为该阶段极板外电解液可以及时补充内部反应的硫酸, 使极板内外硫酸处于动态平衡、 整体浓度均匀下降。 放电接近终了时, 电池端电压出现急剧下降的拐点 , 拐点之后电压急剧下降 , 直到放电曲