（电力电子与电力传动专业论文）燃料电池客车镍氢动力电池组管理系统的研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t f u e lc e l lh y b r i dv e h i c l e f c h v w i t ht h ea d v a n t a g eo fz e r o e m i s s i o n b e c o m e sa ni m p o r t a n ta l t e r n a t i v eo fo i lc a r w h i l et h ef u e lc e l le n g i n ea sm a i np o w e r s o u r c e m h n ib a t t e r i e sa r es e l e c t e da sa u x i l i a r yp o w e rs o u r c ea th o m ea n da b r o a d h i g h p e r f o r m a n c e h i g hr e l i a b i l i t yo ft h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m w h i c hi sa b l et o c a r r yo u tr a t i o n a la n de f f i c i e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lt ob a t t e r y e n h a n c e st h e r e l i a b i l i t ya n ds e 舰t d t yo ff u r lc e l lv e h i c l e b a s e do nt h ep r e c e l lr e s e a r c ho nb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r eo fc a rb a t t e r i e s w ea d o p tt h ed i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e w h i c hc o n s i s t so fo n e m a s t e ra n ds e v e r a ls l a v e r s r s 4 8 5n e t w o r ko fm u l t i n o d em o d u l ei ss e l e c t e d t h e s u b n o d em o d u l eb a s e so i lm c um c 9 s12 c 3 2 c p bs y s t e m w h i c hc o m p l e t e s s i n g l e v o l t a g em e a s u r e m e n t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t c o n t r o lo ff a n o n l i n ea l a r ma n d s oo n m a s t e rb a s e so nm c um c 9 s12 d t l2 8s y s t e m w h i c hc o m p l e t ec u r r e n ta n d v o l t a g em e a s u r e m e n t s o ce s t i m a t i o n f a u l ta n a l y s i sa n ds oo n t h ew h o l es y s t e m s o f t w a r ei sd e s i g n e dw i t hc o d e w a r r i o rc o m p i l e re n v i r o n m e n t u s i n gc p r o g r a m m i n g i n a d d i t i o n t h ec a n b a s e dm o n i t o r i n gs o w a r ei su s e di nt h em a n a g e m e n ts y s t e m w i t h t h ea n a l y s i so ft h ec o l l e c t e dp a r a m e t e r so fb a t t e r i e s t h em a n a g e m e n ts y s t e mm o n i t o r s t h eo p e r a t i o no fb a t t e r i e s p r o t e c t st h es a f eo p e r a t i o no fm o t o rv e h i c l e sa n de x t e n d s b a t t e r y sl i f ea sf a ra sp o s s i b l e a f t e rf i e l dt e s t i n ga n dp r a c t i c a lo p e r a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em a n a g e m e n ts y s t e mr u n sw e l la n dh a sa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m r s 4 8 5 c a nb u s f c h v c l a s s n o u 4 6 9 7 9 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 葛乡佑 签字日期 沙 年b 月 0 日 导师签名 弓尺乞f 以 导师签名 驾f l 1 f u 力 签字日期 少伊万年乡月f 口日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 罄哆佑 签字日期 加名年 月 o 日 7 5 致谢 本论文的工作是在我的导师张维戈教授和姜久春教授的悉心指导下完成的 张维戈教授和姜久春教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响 在此衷心感谢两年来张维戈老师和姜久春老师对我的关心和指导 张维戈教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作 在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助 在此向张维戈老师表示衷心的谢意 姜久春教授和李景新老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见 在此表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间 文峰 温家鹏 劳力等同学对我论文中研究 工作给予了热情帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 绪论 1 1课题背景 1 绪论 交通能源与环境保护是2 l 世纪全球面临的重大挑战 人们在不断地寻求清洁 的代用燃料 以改善日益恶化的交通排放现状 电动汽车逐渐成为各国政府和汽 车制造商关注的焦点 人们不遗余力地开展电动汽车的研究 试图使其成为新世 纪汽车的发展主流 当代融合多种高新技术而兴起的纯蓄电池电动汽车 混合动 力电动汽车及燃料电池汽车正在引发世界汽车工业的一场革命 展现了汽车工业 的光明未来 所以 美 日以及一些欧盟国家相继推出专项研究计划 以期推动 电动汽车的发展 纯电动汽车的动力源是蓄电池 它对蓄电池的使用是深度使用 即全充全放 纯电动汽车在使用中可实现零排放 在运行中没有排放污染 具有低噪声 低热 辐射 易操纵和易维护等优点 然而 由于电动汽车的关键技术 蓄电池技术 的制约 使得电动汽车的性能价格比远远不能达到推广应用的标准 其主要障碍 是电池的能量密度较低 因此导致电池组的质量较大 电动汽车一次充电的续驶 里程无法达到当前内燃机汽车水平 而且电池组价格昂贵 循环寿命有限 充电 时间太长 频繁更换电池的成本也是难以接受的 在传统内燃机汽车致命的缺点不能从根本上解决 而电动汽车由于技术问题 在目前难以推广的情况下 人们提出了混合动力汽车这一概念 这里混合动力特 指采用内燃机和蓄电池作为混合动力源 它对蓄电池的使用和整车的控制策略有 关 一般是保持在3 0 7 0 左右 与纯电动汽车相比混合动力汽车的动力蓄电 池不需要单独充电 电池组的充电是由整车控制策略在行车过程中完成的 没有 将电池充满或放空的过程 通过整车控制策略改善了整车的排放性能和燃油经济 性 弥补了电动车辆续驶里程短的不足 虽然混合动力汽车有上述优点 但混合 动力汽车终究是一种过渡产品 因为它不能彻底地解决污染问题 而且成本比传 统内燃机汽车要高的多 l j 燃料电池汽车动力源一般也是混合结构 燃料电池具有能量转化率高 燃料 多样化 无环境污染 噪音低 可靠性强 维修性好的优点 其反应过程不涉及 到燃烧 能量转化率可高达8 0 实际使用效率是普通内燃机的2 倍以上 燃料 电池包括碱性燃料电池 磷酸燃料电池 质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料 电池等 其中质子交换膜燃料电池的工作温度比较低 被认为是代替传统发动机 北京交通人学硕十学位论文 的最佳能量源 但是由于目前燃料电池发动机存在输出特性方面还存在问题 因 此多采用燃料电池和蓄电池混合驱动的方式 燃料电池汽车对蓄电池的使用与混 合动力汽车相似 但是它还有一个非常重要的作用就是弥补燃料电池发动机特性 的不足 虽然各国政府和专家及大企业集团均看好的是燃料电池电动汽车发展前 景 但是燃料电池汽车目前还存在以下问题 1 在技术上 燃料电池混合动力汽车是个复杂的系统 某些技术不够成熟 如整车与动力系统的参数选择与优化 整车能量控制策略优化及控制算法 电驱 动系统的综合控制等方面还需要进一步提高 2 在成本上 燃料电池汽车造价过高 主要体现在 无论是车用燃料电池还 是动力蓄电池的价格都是市场无法接受的 氢气的制取 运输和存储困难 加氢 基础设施不完善 建设成本昂贵 3 在寿命上 燃料电池和动力蓄电池的寿命问题是制约燃料电池汽车产业化 的一个非常重要的因素 2 尽管如此 燃料电池汽车仍然被普遍认为是可以同时解决能源与排放问题的 绿色环保汽车 是今后汽车发展的主要方向 由于目前燃料电池发动机存在输出 特性较软 输出相应较慢等特点 因此在以燃料电池发动机为主动力的电动汽车 动力系统设计上 国内外大多选用蓄电池作为辅助动力源 整车性能在很大程度 上也依赖于动力蓄电池 动力电池的安全性和使用成本以及电池的使用寿命是影 响电动汽车推广应用的主要因素之一 而高性能 高可靠性的电池管理系统不仅 能对电池进行合理有效的管理和控制 而且能使电池在各种工作条件下获得最佳 的性能 从而提高燃料电池汽车的可靠性和安全性 在这种情况下 电池管理系 统的研究势在必行 1 2国内外现状 1 2 1燃料电池汽车研究现状 2 3 当前研究的燃料电池汽车多是在某些成熟的内燃机车型的基础上 进行动力 系统改造或者局部的重新设计 燃料电池汽车的动力源与传统内燃机汽车的动力 源有着本质的区别 由此带来整车结构和动力系统的一系列变化 燃料电池客车 以氢气为能源 因此合理的设计氢能系统 趋利避害地利用氢能 是研发燃料电 池客车的关键技术之一 燃料电池汽车动力系统参数的匹配是一个多变量多目标 优化问题 它涉及性能要求 工况选择 控制策略 成本等诸多因素 在精确的 理论模型和工程分析的基础上 对其进行分析 能够得到较理想的效果 2 绪论 关于燃料电池汽车动力系统也有很多类型 目前应用较多的燃料电池汽车动 力系统如图卜1 所示 辅助能量一般选用蓄电池 即本管理系统的研究对象 图1 1 燃料电池汽车驱动系统 f i g t u r e l 1d r i v i n gs y s t e mo ff c h v 国外对燃料电池汽车的研究比较早 并取得了一定的成果 丰田研究f c e v 始于1 9 9 2 年 1 9 9 6 年推出了第一款f c e v 车型r a v4f c e v 该车采用金属氢化物储氢技术 一次填充燃料续驶里程2 5 0 k r n 最高车速1 0 0 k m h 1 9 9 7 年推出了改进版的r a v4f c e v 它使用甲醇为燃料 续驶里程增加到5 0 0 k m 最高车速提高到1 2 5 k m h 之后丰田在其s u x z 车型h i g h l a n d e r 的平台上推出了车 型系列f c h v 2 0 0 1 丰田推出了f c h v 3 f c h v 4 和f c h v 5 三款车型 它们分 别采用了金属氢化物储氢 压缩氢气储氢及低硫汽油重整制氢技术 2 0 0 2 年丰田 推出了f c h v 是日本国内第一个获得燃料电池汽车销售许可的车型 并于2 0 0 2 年1 2 月2 日在日本东京和美国加州开展租赁销售 丰田计划在2 0 1 5 年实现f c e v 的商业化 福特汽车公司在1 9 9 8 年1 月北美底特律国际汽车展上展出了p 2 0 0 0 燃料电池 概念车 使用了d b b 公司生产的燃料电池堆 时速可达1 4 4 8 k m h 2 0 0 1 年通用 汽车公司又开发了一辆以雪佛兰5 1 0 皮卡为基型车的汽油重整 第二代 的质子交 换膜燃料电池车 我国政府非常重视和支持燃料电池汽车技术的研究和开发 目前 我国主要 为轿车提供燃料电池的是新源动力公司和上海神力公司 主要为城市客车提供燃 料电池的 则是大连化物所和上海神力公司 2 0 0 1 年底 燃料电池轿车项目落户上海后 由上海汽车集团 同济大学等1 0 多家企业 高校 科研机构联合组成项目组 并成立燃料电池动力系统公司 进 行项目攻关 2 0 0 3 年1 1 月由上海汽车集团 同济大学等1 0 多家单位联合开发出 了首辆燃料电池和锂离子电池混合动力轿车 超越一号 它使用的是4 0 千瓦的 燃料电池 超越一号 已经通过科技部重大专项年度评审 各项性能指标都达 到了要求 之后又成功研制出 超越二号 超越三号 清华大学在国家 十一五 8 6 3 电动汽车重大专项中牵头承担了 燃料电池城 市客车一项目 在清华大学已建成燃料电池发动机 燃料电池热管理 燃料电池 北京交通大学硕 f 学位论文 混合动力系统 控制器开发和调试等研发平台 在新能源动力系统 数字化控制 系统 电动化底盘系统方面取得了一系列创新成果 共申报各种专利3 0 多项 建 立相应的测试标准和规范6 l 项 本课题就是其中的一部分 总体来讲 我国对燃料电池汽车的研究虽然起步较晚 但也取的了一定的成 果 1 2 2电池管理系统研究现状 国外对电池管理系统研究已有几十年的时间了 并取得了一定的成果 从有 关资料来看 美国一直站在世界汽车技术领域的最前列 在混合动力电动汽车的 电池管理系统的研究方面也处于世界领先地位 在美国 通用汽车公司的b m s 采用了一个微电脑 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 在欧洲 法国是电动汽车发展较快的国家 法国电动车电池管理系统的主要 功能为 电池寿命的记录 充电监测 行驶过程中电池的管理 辅助电池的维护 剩余电量显示 它能够防止对电池的有害使用 收集电池信息从而确定如何恰当 使用和更换电池 最大限度地提高电池的能量使用效率 在德国 西门子公司开 发的电池管理系统 其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电 提 高充电效率 节约电能 在日本 本田公司开发的车用电池管理系统包括 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 d c d c 变换 器等 图1 2 柏林大学电池管理系统结构图 f i g u r e l 2b m sd e s i g n e db yb e r l i nu n i v e r s i t y 4 绪论 图1 2 是德国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 0 11 e r 8 0 c 1 6 7 c r 3 1 4 1 该管理系统的特点是 它采用的是集中式的测量方案 整个系统功能比较完 善 最大的特点是 它将管理系统分为诊断模块 控制模块 显示模块和调节模 块 并且实现了与充电机的配合 这样能够更好的对电池进行维护和保养 从而 延长电池的使用寿命 我国对电动车的发展十分重视 在 十一五 规划中电动汽车被列为国家 8 6 3 科技攻关项目 针对电动汽车的电池管理系统 也有了一定程度的发展 目前主 要是一些高校依托自己的科技优势 联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同 开展研究 如北京交通大学 清华大学 同济大学 北京航天航空大学等等 都 取得了丰硕的成果 北京交通大学研制的各种电池管理系统 已经分别安装在北京公交无轨电车 纯电动汽车 长安和二汽的混合动力汽车上 处于国内领先水平 清华大学为轻 型电动客车配套的电池管理系统 在行驶过程中可对电池的充放电电流 电压等 参数进行实时测量和监控 防止过充电 过放电 提高了电池寿命和效率 同时 还开发了与该相匹配的充电系统 同济大学和北京星恒电池有限公司的锂离子电 池管理系统主系统要功能有 电流 电压及电池模块温度的采集 s o c 估计 自 动均衡 事故处理与记录等等 北京航空航天大学研制的镍氢电池管理系统主要 功能有 电流 电压及电池箱温度的采集 s o c 估计 运行状态判断和保护功能 等 春兰研究院的h e v b m s 主要功能有 电流电压及电池箱温度的采集 s o c 估计 电池故障诊断和安全保护 l j 国内对电池管理系统的研究总的来说是取得了较为满意的结果 在一些技术 上已日趋成熟 但也存在一些问题如 系统的扩展性和移植性问题 有些管理系 统只是针对某种车型 当电池箱个数增加或电池电压等级改变时 该管理系统可 能需要重新设计 本课题设计的管理系统考虑了这一方面 1 3 研究内容 本课题承担的任务隶属于 十一五 国家 8 6 3 计划现代交通技术领域 节 能与新能源汽车 重大项目 是燃料电池城市客车镍氢动力电池组及控制系统的 一个子课题 该课题所开发的电池管理系统需要实现以下功能和要求 北京交通人学硕 f 学位论文 1 以为镍氢蓄电池模块运行提供安全保护为基本技术条件 不影响电池模块 性能正常发挥 2 实现整车电池s o c 各节电池电压 温度 总电流 总电压的检测和处理 功能 3 采用标准c a n 2 0 接口 满足燃料电池客车整车组接口和t t c a n 协议技术 要求 4 完成故障诊断 数据处理与存储 5 管理系统要提供每个电池箱不少于1 个风机控制节点 本论文的主要工作是设计并实现了一个处于试验阶段的燃料电池汽车用电池 管理系统 具体工作有 1 分析燃料电池汽车蓄电池电池组结构 确定电池管理系统整体结构 2 比较各个电池参数测量方案 确定可行方案 3 建立基于r s 4 8 5 网络的多节点模块的分布式通讯结构 4 完成电池管理系统c a n 总线设计参与整车控制 5 参与系统的硬件设计 完成软件设计 实现电池特征参数的采集 完成故 障分析 在线报警和相应控制等功能 6 完成台架试验和行车试验 本文电池管理系统的主要特点在于整个系统的通讯结构 r s 4 8 5 网络应用与 b m s 的内部通讯 r s 2 3 2 作为与上位机的接口 c a n 完成与整车的通讯 整个系 统的三种通讯接口 能够更好的实现系统的扩展和移植 1 4本章小结 本章首先介绍了课题研究背景和意义 结合对电池管理系统的国内外研究现 状进行了综述 最后介绍了课题的来源和研究工作的内容 6 b m s 设计方案 2 1镍氢动力电池 5 l 2b m s 设计方案 燃料电池汽车采用燃料电池和蓄电池混合驱动 这种驱动系统结构能够克服 燃料电池汽车不能回收制动能量的问题 比能量特性和蓄电池较高的比功率特性 铅酸电池 锂电池 镍氢电池 并且可以有效的利用燃料电池的较高的 在蓄电池的选择上 电动汽车通常采用 为了满足电动汽车的需要 实现电动化的汽车蓄电池必须具有高起动性 大 容量性能 免维护特性 高可靠性 高耐久性的特点 现有的电动汽车存在加速 性能差 一次充电行驶距离短等问题 限制了它的发展 因此电动车实用化的难 点主要在于动力源之一蓄电池 要使电动汽车能够实现大规模生产使用 关键是 开发出比能量高 比功率大 寿命长 成本低的蓄电池 一般情况下 混合动力系统的动力电池进行的是频繁的浅度的充放电循环 在充放电过程中 电压电流可能有较大变化 针对这种使用情况 混合动力汽车 电池系统对电池有以下两方面的要求 1 大功率充放电能力 质量比功率和体积比功率是衡量电池快速充放能力的 指标 相对与能量要求 混合动力系统的电池对比功率的要求更高 而且混合动 力系统在制动能量回收或低功率调峰时要求电池能够在短时间接受大量的能量 目前的高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题 因此提高电池快速充电 接受能力比提高电池的比功率更加紧迫和关键 2 充放电效率 燃料电池发出的相当一部分能量须经充电一放电的能量循环 高的充放电效率对整车效率具有至关重要的作用 镍氢蓄电池属于碱性电池 不含镉 铜 不存在重金属污染问题 它是将一 种像海绵吸水那样可逆吸放氢的储氢材料应用与镍镉电池中 取代镉电极形成的 新型电池 它的能量密度比镍镉电池高o 5 1 倍 使用寿命长 耐过充 过放能 力强 它的缺点是高温特性差 自放电率高 镍氢蓄电池与铅酸电池相比 m h n i 电池放电端电压对时间的下降梯度更小 因而能放出更多的能量 具有比较高的 比能量 这些特性十分适用于电动车辆和混合动力车辆 若与锂电池相比 m h n i 电池有记忆效应问题 且能量密度较低 不过产品单价与生产线建置费用皆低于 锂电池 因此 在混合动力汽车与燃料电池汽车中多采用镍氢电池作为辅助动力 源 7 北京交通人 学硕一l 学位论文 与其它类型的蓄电池一样 镍氢电池也是一种将物质的化学反应产生的能量 直接转化成电能的装置 镍氢电池由镍氢化合物正极 储氢合金负极以及碱性电 解液 比如3 0 的氢氧化钾溶液 组成 密封二次镍氢电池的性能特点主要取决于 本身体系的电极反应 按照这一理论 镍氢电池的正常电极反应和蓄电池反应的 工作原理如下 电池正极反应 m 明 2 鲫一一e 拳m d 伽 致0 电池负极反应 m 凰d p m h o h 一 一自x 也 电池总反应 n i o h 2 m 拳m o 明 删 式中 m 为储氢合金 m h 为吸附了氢原子的储氢合金 m h n i 电池的负极 采用储氢合金 放电时 储存在合金中的氢扩散到电极表面 被氧化生成水或日 由于电池的正极n i o o h 是层状晶体 其层间的结合力较弱 因此扩散到正极表面 的日 可以沿层间向电极内部扩散 同时m 3 被还原成m 生成n i o h 因 而电池的放电过程可以看作氢原子从合金负极中脱出而溶入正极晶格之中的过 程 随着放电电流的增大 电化学反应速度加快 使极化增大 引起电极电位下 降 同时随着反应深度的增大 电极内部的活性物质浓度降低 电极电位也会随 之降低 因而电极电位 电流与反应深度之间存在一定的内在联系 对于宏观整 体的电池 上述关系就表现为电池电压 电流与放电容量之间的映射关系o d f u i 式中 u 是放电过程中某时刻电池的放电电压 i 是该时刻电池的放电电流 q d 是该状态下电池的放电容量 镍氢电池主要的性能指标 1 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 2 工作电压 在电池两端接上负载后 在充放电过程中显示出的电压 等于 电池的开路电压与充放电电流在电池内阻上产生电压的代数和 3 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 4 额定容量 按 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 0 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 6 电池内阻 电池的内阻一般包括欧姆内阻和极化内阻 欧姆内阻主要是由 b m s 设计方案 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 因此 由于电池内阻的作用 电池放电时端电压低于开路电压 充电时充电的端电压高于电动势和开路电压 3 1 4 1 燃料电池汽车混合驱动系统与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于发动 机是燃料电池而不是内燃机 在燃料电池混合动力结构汽车中 燃料电池通过 d c d c 和蓄电池共同向电动机提供电能 通过变速机构来驱动汽车 燃料电池汽 车的主要能源是燃料电池 镍氢动力电池组主要是在汽车启动 加速 爬坡行驶 时为其提供辅助动力 在刹车制动时 能量回馈电池组 在本课题中采用的电池是有色金属研究院提供的方型8 0 a h 镍氢电池 单体 标称电压是1 2 v 一般的工作电压在1 2 v 一1 6 v 每1 0 个单体串联形成一节电池 每7 节电池串联形成一电池箱 四个电池箱串联形成了整车的动力电池组 共2 8 0 个单体 标称电压为3 3 6 v 2 2系统整体方案 整车动力电池组的结构是将2 8 0 个单体电池分成4 箱 理论上每一个单体电 池都应该被实时监测 但这样会导致测量点过多 监测电路过于复杂 综合考虑 选取了对每节电池 1 0 个单体串联 监测电压和温度 通常电池管理系统有集中 式和集散式两种结构 集中式是指管理系统的所有功能集中在一个模块上 结合本课题 采用集中 式的数据采集与处理系统 它的缺点是整个系统测量点很多 整组电池的所有采 样线 连线都要汇集到主机 因此各个连线之间需要考虑绝缘及短路问题 同时 由于整组电池分为四箱 分布比较分散 若采用此方式 会造成各种采样线过长 从而影响到测量精度和可靠性 电池包内过多连接使得整个系统十分杂乱 给安 装 调试和维修带来极大的麻烦 优点是整个系统成本相对较低 集散式即分布式的结构 每个电池箱对应一个采集节点 每套系统有一个主 节点 从而形成一个一主多从的网络式结构 采用集散式结构即分布式的结构 它的优点是实时性好 便于扩展 结构整齐 安装方便 便于维护 缺点是成本 较高 结合本课题 两种方案的比较如表2 1 9 北京交通人学硕士学位论文 表2 1 系统方案比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no fs y s t e mp r o j e c t s 安装安全性 可靠性 价格 集中式较复杂较低一般较低 一 集散式简单同较高尚 综合考虑 本系统采用基于r s 4 8 5 网络的集散式结构 整个系统如图2 1 系 统由4 个测控模块 测控模块的数量与电池组电池单元数和电池箱数等因素有关 一般每个电池箱配备1 个检测模块 和1 个主控模块组成 总 箱4 图2 1 系统结构图 f i g u r e 2 1d i a g r a mo f s y s t e ms t r u c t u r e 测控模块的主要功能 对单节电池电压和温度进行精确测量 并通过r s 4 8 5 总线将测量到的数据传送到主控模块以及风机的控制 除此之外 在每个电池箱 内都有高压继电器 熔断器 灭火开关 碰撞开关等保护装置 并通过辅助触点 的方式去控制电池箱外面板上的指示灯 从而在每个电池箱的表面就可以直观的 看到本电池箱内测控模块的工作状态 高压继电器是否吸合 熔断器状态 灭火 开关状态等信息 测控系统的处理器采用f r e e s c a l e9 s 1 2 c 3 2 型号m c u 主控模块主要功能 测量电池组的工作电流 总电压和估测电池组的剩余电 1 0 b m s 设计方案 量 s o c 并对接收到的数据进行分析 对电池组性能做出综合评价 对故障电 池进行预警 实时显示 当前电池电压 温度 工作电流 s o c 最高电压 最 低电压 最高温度 最低温度 故障等级等 数据存储以及和整车控制器的c a n 通讯 参与整车控制 同时主控模块留有r s 2 3 2 接口 用于整个系统的参数设定 和数据的读取 主控系统的处理器采用f r e e s c a l e9 s 1 2 d t l 2 8 型号m c u 2 3单节电压测量方案 镍氢动力蓄电池单体电池电压较低 正常工作范围大约在1 2 v 至1 6 v 很多 场合需要串联使用 精确的电压测量不仅能够更好的反映电池的工作状况 而且 也是准确估算s o c 的重要条件之一 测量串联电池组各节电池电压一般有电阻分 压测量和继电器切换测量两种结构 电阻分压方案是相对同一参考点 用精密电阻等比例衰减测量各点电压 然 后依次相减得到各节电池电压 如图2 2 所示 以4 节电池为例 这种测量方法电 路简单 但是测量精度也等比例降低 累计误差较大 只适合串联电池数较少或 者对测量精度要求不高的场合 对电动汽车用动力蓄电池一般不适用 5 6 j 图2 2 电阻分压方案 f i g u r e 2 2v o l t a g em e a s u r e m e n tu s i n gr e s i s t o r 继电器切换测量是依次选通每节电池进行直接测量 因此在测量时 各节电 池电压不存在共地问题 当串联电池数较多而且对测量精度要求较高时 通常采 用这种方式 但是由于两个测量端存在较高的共模电压 所以不能采用模拟开关 选通 也不能直接测量 工业上广泛采用机械继电器实现多路电压选通 但是存 在很多缺点 例如 动作速度慢 存在明显的噪音和开关寿命的限制 需要驱动 电路 重量和体积偏大 1 7 1 因此 通常我们选用光控m o s 控制继电器选通各节电池电压 因为这种继电 器采用了无触点开关 不仅电路结构易于实现 而且寿命得到了延长 因此通过 北京交通人学硕士学位论文 这种方式能够实现串联电池数较多时各电池电压的实时高精度测量 而且抗干扰 能力强 如图2 3 同样以4 节电池为例 图2 3 继电器切换电压原理 f i g u r e 2 3v o l t a g em e a s u r e m e n tu s i n gr e l a y 两种方案的比较如表2 2 表2 2 电压测量方案比较 t a b l e 2 2c o m p a r i s o no fv o l t a g em e a s u r e m e n t 累积误差安全性成本 电阻分压大低 低 继电器 无高 高 综合考虑本系统采用继电器切换测量方案 2 4温度测量方案 电池的工作温度是一个重要的参数 不仅在判断电池安全和热处理方面需要 实时采集温度参数 在s o c 的计算中温度也是一个重要的影响因素 温度的测量一般有模拟式传感器和数字式传感器两种方式 模拟式传感器一 般是输出一种模拟量来反映温度的变化 如热敏电阻 热电偶等 数字式传感器 常用的是d s l 8 8 2 0 直接输出温度实际值 在本电池管理系统中 若采用模拟式传感器 由于温度采样点多 需要增加 模拟多路开关电路和a d 转换电路 同时要占用一个或几个a d 口 整个电路结 构较为复杂 而且通常为了更好的测量电池温度 在安装时将温度传感器直接连 接在电池极柱上 但这样就将温度测量回路与高压系统直接连接在一起 需要对 温度测量部分进行隔离 而对模拟信号的隔离肯定会影响测量精度 d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司推出的一种单总线数字式温度传感器 温度测 量范围为 5 5 斗1 2 5 可编程9 1 2 位a d 转换精度 测温分辨率可达0 0 6 2 5 1 2 b m s 设计方案 被测温度用带符号位1 6 位数字量方式串行输出 其工作电源既可外接 5 v 也可 采用寄生电源方式 该温度传感器不需要额外的a d 转换电路 直接将温度值转 换成数字量输出至c p u 多个d s l 8 8 2 0 可以并联到2 根或3 根线上 c p u 只需一 根端口线就能与多个d s 8 8 2 0 通信 占用c p u 端口少 可节省大量的引线和逻辑 电路 同时也给现场安装布线带来很大的方便 同时d s l 8 8 2 0 的输出信号为数字 量 因此便于隔离 并且不会影响测量精度 以上特点使得d s l 8 8 2 0 非常适用于 温度测量网络的建立 1 8 9 1 综合考虑 我们采用数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 在本系统中 由于我们要同通过电池温度以及电池与环境的温升来判断电池 组的工作环境 从而做出相应的控制 因此我们以每节电池为一个温度信号采样 点 同时也设计了对于环境温度的实时采集 即每箱有8 个温度传感器 其中7 个用来测每节电池的温度 另外一个用来测箱体环境的温度 所以每个测控模块 带8 个温度传感器 独立完成本电池箱热处理系统 整个系统共有3 2 个温度器 它们通过r s 4 8 5 网络将温度值送到主控模块 作为电池安全工作温度的判断 并 提供s o c 算法所需的参数 从而形成一个网络测温系统 如图2 4 主控模块 4 8 5 网络 燃堪刻陋i 盥槿量刘l 测控攘刻l 测控燕埋d l lli 1 l 1 上上 n l 一1c由 o固困固 n 霄n n 1nn 1n c l r n 田 一 1 r lo o o oo l o d a c i c c 昌j jj i o j l 答l 口j 陶io l o lo 0 1 o lo 2 5 电流测量方案 图2 4 组网测温系统 f i g u r e 2 4t e m p e r a t u r em e a s u r i n gn e t w o r k 电池的工作电流是影响电池工作性能的一个重要因素 放电过程中 电池在 电力不足时 需要减小电流 否则可能给出的电流指令不能得到满足 使得电池 处于过度疲劳的状态 同样 当电池电力已经很高的情况下 充电的时候需要减 小充电电流 否则可能出现电池不能及时将电能转换成为化学能而只是发热 既 浪费能量 又使得电池的环境温度升高 更加不利于能量转换 甚至造成电池损 坏 同时对于s o c 的估测 工作电流是一个非常重要的参数 所以电池工作电流 北京交通人学硕 学位论文 的测量对于管理系统而言是必须的 通常直流电流的检测方式有2 种 分别是分流器 霍尔型电流传感器 其特 点如下表所示 表2 3 电流测量方案比榭9 1 0 t a b l e 2 3c o m p a r i s o no fc u r r e n tm e a s u r e m e n t 比较类型分流器霍尔传感器 安装方式串入主电路 无源 导线穿过 有源 测量对象直流 交流直流 交流 电气隔离 无 有 测量精度一般低端较差 价格低高 由上表我们可以看出 霍尔型的电流传感器由于需要外接电源 现场安装较 复杂 在测量范围的低端线性度很难保证而且价格较高 它的优点是有电气隔离 分流器价格较低 安装简单 测量精度也满足要求 它的缺点是将高压信号引入 电池管理系统 根据燃料电池汽车动力蓄电池的工作电流电流变化范围广而且迅速的特点 综合考虑在本电池管理系统的设计中采用分流器来测量电流 分流器的工作原理 为电阻分压 在整个量程内都可以保持比较好的线性度 国内标准的f l 一2 型分 流器的满量程信号为7 5 m v 我们采用c s 5 4 6 0 a 芯片进行直接测量 c s 5 4 6 0 a 具 有2 4 位的分辨率 信号输入范围o 2 5 0 m v 可以满足要求 通过软件校准之后 可以将c s 5 4 6 0 a 的输入信号满量程调整为7 5 m v 根据蓄电池实际工作状态 我 们选用标准为4 0 0 a 一7 5 m v 的分流器 2 6 总电压测量方案 总电压的测量在电池管理系统中一般可采取累加方式和直接测量方式 虽然 累加方式可以节约成本 但是会造成累积误差偏大 测量时间过长 并且不能直 观的显示4 箱电池的高压继电器的状态 因此我们采用直接测量的方式 直接测量通常也可以采用电阻分压和电压传感器两种方式 虽然采用电阻分 压的方式成本很低 但是这种方式没有隔离 直接将几百伏的高压接入管理系统 可靠性太低 因此我们选用电压传感器的方式进行测量 我们采用宁波南车时代传感器技术有限公司的电压传感器 它的额定测量输 出是5 0 m a 5 0 0 v 1 5 v 供电 1 4 b m s 设计方案 2 7s o c 估测方案 关于s o c 的估测有很多的方法 但是由于电池组的s o c 和很多因素相关 如 温度 前一时刻充放电状态 极化效应 电池寿命等 而且具有很强的非线性 这些给s o c 实时在线估算带来很大的困难 目前应用的各种电池组s o c 实时在线 估算方法都存在缺陷 不能达到实际使用的要求 要想提高s o c 实时在线估算的 精度 需要在测量手段 电池模型和估算算法等方面进行深入细致研究 目前主 要的s o c 估算方法有以下几种 1 库伦记数法 电流积分 这是测量s o c 的基本方法 计算公式为 j 士 s o q 阳q i i r l i t d t 通过精确测量在k 一1 至k 时刻流经电池组的电流 f f 可以计算该时间段 内电流积分值 ri t d t 加上充电效率或放电倍率 刁 的修正 与电池组初 始状态相加 假定充电电流方向为正 放电电流方向为负 即得到电池组当前的 s o c 值 但是在实际应用场合 由于不能确定电池组s o c 的初始值 无法精确获得电 池组充电效率和放电倍率 不能保证电池组的充放电电流恒定 同时存在电流积 分的累计误差 单独采用该方法s o c 估算的累计误差很大 对于纯电动汽车而言 电池组基本工作在满充满放状态 在充电完成时有一 个相对稳定的初始值确定点 充电完成时s o c 为1 0 0 或略为过充 如果电池组 的充电效率很高 9 5 以上 可以认为充电效率近似为1 或等于某一恒定值 采 用该方法计算s o c 可以获得比较好的效果 每一个充放电周期的累计误差在下次 充电完成的时候基本可以随s o c 初始值的重新标定而消除 但随着电池的老化 充电效率和放电倍率会逐渐降低 该方法的误差会逐渐增大 l l 对燃料电池汽车而言 电池组基本工作在浮充状态 即电池组的s o c 处于某 一区间范围之内 通常在3 0 至7 0 之间 无法标定初始值 因此无法修正累 计误差 同时 该方法没有考虑到温度变化对电池性能的影响以及电池组自放电 效应等 因此不适合使用在混合动力场合 2 开路电压法 开路电压法是通过建立s o c o c v o p e nc i r c u i tv o l t a g e 指电池在充分静置 之后测得的开路电压值 之间的关系 一般通过试验测定 在测量电池组的开路 电压之后 计算s o c 该方法对s o c o c v 之间的关系测量较严格 s o c o c v 之间存在一定的关 系 基本为单调递增 但容易受以下几个方面的影响 北京交通人 硕上学位论文 1 前一时刻的充放电电状态 在不考虑静置前的充放电状态的前提下 s o c 与o c v 之间不存在任何关系 相同的o c v 所对应的充电后静置的s o c 与放电后 静置的s o c 之差可以达到5 0 以上 2 在温度变化较大的时候 同一个电池在相同的s o c 下表现出来的o c v 差 异较大 在零下l o 摄氏度与零上3 0 摄氏度的时候 相同的o c v 所对应的s o c 差异可以达到2 0 试验环境和条件只能控制和测量电池的外壳温度和环境温度 不能很好的反映电池内部温度的变化情况 3 受静置时间的影响 电池电压在电流停止后有一个恢复过程 这个过程与 静置时间有密切关系 静置时间过短 电池电压没有完全恢复 不能正确的反映 当前电池的开路电压 静置时间过长 自放电效应明显 实际s o c 值比预定值偏 低 对测量结果造成误差 由于开路电压法的基本原理是将电池静置 使电池端电压恢复至开路电压 静置时间一般在1 小时以上 不适合纯电动和混合动力汽车的实时在线检测 1 2 1 3 3 交流阻抗法 交流阻抗法就是通过在电池组两端叠加一个交流信号 测量电池组的电压变 化 计算电池组的交流阻抗 r 以此作为计算s o c 的标准 这种方法存在以下几个方面的问题 1 电池组的交流阻抗只是在电池s o c 很低或很高的时候变化率比较大 在 s o c 处于中间段时变化率很小 如果测量不够精确 计算误差会比较大 2 电池的交流阻抗受很多非线性因素的影响 如温度 前一时刻充放电状态 是否充分静置 电池寿命等 在相同的s o c 下可能存在不同的交流阻抗值 或相 同的交流阻抗值下可能存在不同的s o c 值 不能找到确定的一一对应关系 3 电池组的交流阻抗值不仅由电池的化学特性决定 不同的极板结构 电解 液配方的电池会表现出不同的交流阻抗值 同时电池的制作工艺也起到很重要的 作用 即使同一生产工艺的不同批次电池之间交流阻抗与s o c 之间的对应关系也 存在差异 4 在不同的电流频率下计算出来的交流阻抗可能存在比较大的差异 在纯电 动和混合动力场合 基本不可能使用某一固定频率的交流电流对电池进行充放电 因此实际应用意义不大 l l 1 4 1 1 5 经过以上分析 单纯通过测量交流阻抗来计算s o c 值并不能得到很准确的结 果 同时也不便于车载电池管理系统的嵌入式应用 本课题采用的方案是基于卡尔曼滤波器的s o c 估算算法 卡尔曼滤波器是 r e k a l m a n 于1 9 6 0 年提出的基于最小均方差的数字滤波算法 用于估算动态系统 状态 现已应用于众多涉及动态系统的领域 例如 目标跟踪 全球定位 动态 1 6 b m s 设计方案 系统控制 导航和通讯 但在电池领域使用并不广泛