（车辆工程专业论文）燃料电池汽车蓄电池管理系统算法及实现.pdf

摘要 摘要 高效和零排放的燃料电池混合动力汽车是人类 可持续移动 s u s t a i n a b l e m o b i l i t y 的理想解决方案 种类繁多的二次能源中 锂离子电池出色的能量和 功率特性 使得我国自主开发的 超越 系列燃料电池汽车选用其作为辅助能 源 本文的研究对象即是该车中的锂离子电池管理系统 锂离子电池单体间具有差异性 作为辅助能源的工况会加剧其电压差异 电 压差异将导致部分电池过充或过放 降低电池使用效率 甚至损伤电池 为保 障燃料电池汽车动力性 经济性和安全可靠性需要实时监控蓄电池状态 因此 整车的要求和锂离子电池的特性决定了蓄电池管理系统在燃料电池汽车中不可 或缺 在燃料电池汽车锂离子电池管理系统的研究基础上 论文介绍了一套完 整的燃料电池汽车锂离子电池管理系统的解决方案 并围绕该方案的软硬件实 现展开 硬件是蓄电池管理系统实现的载体 根据燃料电池汽车对蓄电池组及管理系 统的要求和锂离子电池特性对管理系统的要求 管理系统采用模块化分级式结 构 管理系统与整车控制器之间和管理系统内部的数据交换均采用c a n 总线来 实现 管理系统具备高精度的快速采样功能 以实时监控蓄电池状态并为整车 提供准确信息 管理系统具备平衡电路对单体锂离子电池进行电压均衡 以解 决锂离子电池的电压一致性问题 同时 设计了监控电路 以提高平衡电路的 可靠性和记录故障信息 管理系统具备电池内阻测量的功能 以评价电池寿命 蓄电池管理系统设计了 时钟电路 以建立锂离子电池的长效研究和评估机制 当然各功能模块之间有相辅相成的关系 论文在对锂离子电池管理系统硬件实 现方案整体介绍的同时 还对其中的若干关键技术作了说明 软件是锂离子电池管理系统实现的灵魂 而软件丌发平台则是锂离子电池管 理系统软件实现的保障 v 模式丌发平台能够缩短蓄电池管理系统软件丌发周 期 提高丌发质量 降低丌发成本 v 模式开发是在对系统建模和仿真的基础上 摘要 自动生成产品代码 并进行在线测试和标定的开发模式 蓄电池管理系统采用 s i m u l i n k t a r g e t li n k c o d e w a r r i o r 开发工具链进行管理系统的软件开发 该平 台首先利用m a t l a b s i m u li n k 进行系统建模和仿真 然后利用t a r g e t li n k 将系 统模型自动生成为功能模块的产品代码 同时进行软件仿真 验证代码准确性 随后 在c o d e w a r r i o r 上进行功能模块代码和手工编写的硬件相关代码融合并 将其下载到目标机 该工具链部分实现了v 模式开发平台的功能 论文介绍的燃料电池汽车蓄电池管理系统功能较为完善 可靠性较好 已在 超越 系列燃料电池汽车的运行中得到了验证 但其与产品化的要求还有一 段距离 文章最后围绕燃料电池汽车蓄电池管理系统的产品化进行了简要讨论 关键词 燃料电池汽车 锂离子电池 电池管理系统 嵌入式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t f u e lc e l lv e h i c l e f c v i st h ei d e a ls o l u t i o nf o rs u s t a i n a b l em o b i l i t yi nt h e f u t u r e m o s tf c vu s e dt h eb a t t e r ya st h ea i d e dp o w e r s y s t e m a st h eo u t s t a n d i n g c h a r a c t e ra tp o w e ra n de n e r g y s t a r ts e r i e sf c vu s e dl i t h i u m i o nb a t t e r ya st h ea i d e d p o w e r a st h er e q u i r e m e n to ff c vi nd y n a m i c a l e c o n o m i c a la n ds e c u r i t y f c vn e e dt o d e s i g nt h eb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m b m s a tt h es a m et i m e s o m es p e c i a l c h a r a c t e ro fl i t h i u m i o nb a t t e r y s u c ha sh i g hd e n s i t yo fe n e r g y t h ed i f f e r e n c eo ft h e s i n g l ec e l l n e e dt od e s i g nt h eb m s t o o b a s e do nt h er e s e a r c ho fb m s t h i sa r t i c l eg a v eaw h o l es o l u t i o no fb m s i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h es o l u t i o no fb m s h a r d w a r ei sb a s i cm a t e r i a lf o rb m s t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h es i t u a t i o no fb m s d e v e l o p m e n ta n dt h ep r o b l e mo fb m sf i r s t l y t h e ni n t r o d u c e dt h es o l u t i o nb ym o d u l e a n di n t r o d u c e dt h ek e yt e c h n o l o g yo ft h eb m s n e k e yt e c h n o l o g yi n c l u d e dt h eh i g h r e s o l u t i o na n dh j i g hs p e e ds a m p l ec i r c u i tb a s e do nt h es i g m a d e l t ac o n v e r t e r t h e m e a s u r e m e n to ft h ei n t e r n a lr e s i s t o ro fl i t h i u m i o nb a t t e r y t h ee q u a t i o nc i r c u i tu n i t o ft h eb a t t e r y t h es y s t e mt i m ec i r c u i ta n dt h ep r o t e c tc i r c u i tf o r t h ee q u s o f t w a r ei st h es o u lo ft h eb m s ag o o dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mc a ng u a r a n t e e t h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r e i m p r o v et h eq u a l i t yo fs o f t w a r ea n dc u td o w nt h ec o s t o fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t s oc h o o s eap r o p e rp l a t f o r mf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n ti s t h eg o o ds t a r tf o rb m s t h i sa r t i c l e a n a l y s e st h ec u r r e n ts t a t u so ft h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t f i r s t l y a n dt h e ng e tt w ok e yp r o b l e mo ft h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t b a s e do nt h ea n a l y s i s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt w os o l u t i o n sf o rt h es o f t w a r e p o r t e d t h er e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m r t o s i su s e dt os o l u t et h ep r o b l e mo ff o r e g r o u n d a n db a c k g r o u n ds y s t e m p o r t e dr t o so nb m sc a ni m p r o v et h er e a lt i m ec h a r a c t e ro f b m s 1 n h i sc a ni m p r o v et h ec h a r a c t e ro ff i l e le e l lv e h i c l e a n o t h e rs o l u t i o nf o rt h e b m si su s i n gt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tc h a i nb a s e do nt h evm o d e l vm o d e l j so n e o ft h em o s te f f e c t i v ew a y si ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t vm o d e li sb a s e do nt h e s y s t e mm o d e la n ds i m u l a t i o nf r o mm a t l a b s i m u l i n k t h es o f t w a r eo ft h es i m u l i n k c a np r o v i d e dt h es y s t e mm o d e l t h e nu s et h et a r g e t l i n ka st h eg e n e r a t i o no fp r o d u c t s i i i a b s t r a c t c o d e t a r g e t l i n ki sc a np r o v i d et h e c o d ew h i c hi sn o r e l a t i o n s h i po fh a r d w a r e t a r g e t l i n kc a np r o v i d e ds o m ef i l e sb a s e do nt h ea s a p a n do s e ke t c t h e s ef i l e sa r e v e r yu s e f u lf o rt h em e a s u r e m e n t c a l i b r a t i o na n dd i a g n o s e a f t e rt h eg e n e r a t i o no f c o d en or e l a t i o n s h i po fh a r d w a r e c o d e w a r r i o ri su s e dt oc o m b i n et h ec o d e t h e n d o w n l o a d e dt h ec o d et ot h et a r g e te c u a tt h ee n do ft h i sa r t i c l e i tg a v es o m es u g g e s t i o no fr e s e a r c hd i r e c t i o nf o rt h e n e x ts t e p k e yw o r d s f u e lc e l lv e h i c l e l i t h i u m i o nb a t t e r y b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m e m b e d d e ds y s t e m 1 v 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 满年与月b e l 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 一签名劣 鹚年弓月访e t 谚勿 l孕e冲堋 名 r 签 声 一 彬 刻 7 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 均已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 第1 章动力蓄电池概述 1 1 燃料电池汽车概述 第1 章动力蓄电池概述 地球化石能源的f 1 益紧缺和地球环境的日益恶化 使得高效和零排放的燃料 电池混合动力汽车成为了人类未来最理想的 可持续移动 s u s t a i n a b l em o b i l i t y 解决方案 表1 1 所示为世界上一些著名汽车公司研制的燃料电池汽车 可以看 出绝大多数燃料电池汽车使用了蓄电池作为二次能源 表i 1 各大汽车公司所研制的燃料电池汽车 研制公司汽车名称时间燃料类型 二次能源动力类型 戴姆勒 n e c a r 41 9 9 9液氢 单一动力 克莱斯勒 c o n c e p t 汽油重整蓄电池混合动力 雷诺 l a g u n a 1 9 9 7液氢 单一动力 大众 c o n c e p t 甲醇重整 蓄电池混合动力 福特 p 2 0 0 01 9 9 9压缩氢气 单一动力 通用 c o n c e p t 汽油重整蓄电池混合动力 尼桑 c o n c e p t 汽油重整蓄电池混合动力 马自达d e m i o1 9 9 7金属氢化物 超级电容混合动力 丰田州41 9 9 6金属氢化物 蓄电池混合动力 r a v 41 9 9 7甲醇重整 蓄电池 混合动力 燃料电池混合动力汽车是指以燃料电池系统为主要供能装置 以蓄电池为二 次能源的电动汽车 可简称为燃料电池汽车 其工作原理可简述为 由燃料电 池系统产生的电能经蓄电池组调节后 供给驱动电机 再由电机驱动车辆行驶 图2 1 所示为我国自主丌发的 超越二号 燃料电池汽车动力系统结构图 从图 中可以了解到蓄电池及管理系统在燃料电池汽车动力系统中所处位置和作用 第1 章动力蓄电池概述 这是一种典型的燃料电池汽车动力解决方案 上世纪末至今 国际上形成了一个燃料电池汽车的开发热潮 在国际燃料电 池汽车蓬勃发展的情况下 中国也积极开展了燃料电池电动汽车的研制工作 图1 1 超越二号 燃料电池汽车动力系统结构图 由上汽集团与通用公司合资成立的泛亚汽车技术中心 在2 0 0 2 年推出了名 为 风凰 的燃料电池汽车 凤凰 以上海通用别克g l 8 为原型 配置了3 5 千瓦的燃料电池与蓄电池辅助能源 以压缩氢气为燃料 最高时速1 1 3 公里 o 到1 0 0 公里加速时间只需要1 3 5 秒 在国家8 6 3 十五 计划中 投入巨资设 立了包括同济大学在内的国内多家高校及科研院所共同承担的燃料电池轿车项 目在内的电动汽车重大专项 研制工作已经取得了阶段性的成果 共有 超越 一号 超越二号刀样车问世 其性能不仅通过了国家科技部的验收 并且 超 越二号 参加2 0 0 4 年9 月在上海举行的 必比登 洁净能源汽车挑战赛上取得 了5 个a 的优异成绩 与国外的燃料电池汽车研制水平的差距越来越小 2 0 0 4 年1 2 月 经过模块化改进设计的 超越三号 燃料电池混合动力台架车已经研 制成功 并通过国家科技部的验收 当前世界上各著名汽车公司已经推出了基本达到商业化应用要求的燃料电 第1 章动力蓄电池概述 池汽车 燃料电池汽车的发展将迈过概念车或者样车的研发期 进入到以商业 化产品生产及推广使用为主的新阶段 1 2 电池的几个基本概念 蓄电池是燃料电池汽车的关键环节之一 本文在介绍蓄电池管理系统的过 程中涉及到许多蓄电池基本概念 因此首先介绍蓄电池的几个基本概念 1 2 1 电池电压 开路电压 o c v o p e nc i r c u i tv o l t a g e 是外电路没有电流流过时电极之间 的电位差 u 电池工作电压 u 又称放电电压或者负荷电压 是指有电流 通过外电路时 电池两极间的电位差 工作电压总是低于开路电压 因为电流 流过电池内部时 必须克服极化电阻和欧姆内阻所造成的阻力乜1 工作电压 i j e i r e i r r l 放电方法 放电方法按照放电电流可以分为恒流放电和恒阻放电两种 按照放电时间可 以分为连续放电与间歇放电 连续放电是在规定的放电条件下 连续放电至终 止电压 间歇放电是电池在规定的放电条件下 放电间断进行 直到所规定的 终止电压嘲 2 终止电压 电池放电时 电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压 一 般在低温或者大电流放电时 终止电压低一些 因为在这种情况下 电极极化 大 活性物质不能得到充分利用 电池电压下降较快 小电流放电时 终止电 压规定高些 因为小电流放电 电极极化小 活性物质能得到充分利用心 加 3 放电电流 在谈到电池容量或者能量时 必须指出放电电流大小或者放电条件 通过放 电率来表示 放电率指放电时的速率 常用 时率 和 倍率 表示 时率是指以放电时 第1 章动力蓄电池概述 间 h 表示的放电速率 或者讲以一定的放电电流放完额定容量的小时数他 引 例如 电池的额定容量为1 5 h h 以3 a 电流放电 则放电时率为1 5 a h 3 a 5 h 称 为电池以5 小时时率放电 倍率放电是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所输出的电流值乜1 数 值上等于额定容量的倍数 例如 3 倍率的放电 表示放电电流数值的3 倍 若 电流容量为1 5 a h 那么放电电流应为3 x 1 5 4 5 a 也就是说3 倍率放电 换算成 小时率则是1 5 a h 4 5 a i 3 小时时率 电池放电电流 i 电池容量 c 放电时间 t 的关系为 1 1 1 2 2 电池的容量和比容量 电池容量是指在一定的放电条件下可以从电池获得的电量 分理论容量 实际容量和额定容量嘲 1 理论容量 c o c 硝 跏鲁 吉肌o 廿2 式中 c r 理论容量 m 厂活性物质完全反映的质量 m 一活性物质的摩尔量 r 成流反应得失电子数 r 活性物质电化当量 2 电池的理论能量 w o c o e 1 3 式中 w 广电池理论能量 e 二电池电动势 3 比能量 第1 章动力蓄电池概述 单位质量或单位体积的电池所提供的能量 称质量比能量或体积比能量 也 称能量密度 比能量分理论比能量哌和实际比能量缈 哌 黑e 一1 0 0 0e 吒 k g 1 1 4 q g 一 g f 式中 q q 正负极活性物质的电化当量 g a h 叫 吼 正极 负极及参加电流成流反应的电解质的电化当量之和 实际比能量是电池实际输出的能量与电池质量 或者体积 之比 w 盟或者形t 盟 一0 5 mv 7 式中 m 电池的质量 v 一电池的体积 1 2 3 电池的功率和比功率 电池的功率是指在一定的放电规则下 单位时间内电池输出的能量 w 或 者k w 比功率是单位质量或者单位体积为电池输出的功率 比功率的大小 表示电池承受工作电流的大小叫3 m 电池理论功率p o 为 昂 竖 垡 丝 e 0 6 ttt 实际功率p 为 p i u i e i r f i e i2 r i 1 7 1 2 4 电池的荷电状态 电池的荷电状态 s o c s t a t u so f c h a r g e 是指电池经过一段时间以后 所剩 余的容量为最初容量的多少 用百分比来表示嘲 第1 章动力蓄屯池概述 s o c 要 1 0 0 1 8 c 7 式中 c 1 电池剩余的容量 卜电池容量 1 3 动力电池常用类型及比较 动力蓄电池是各种混合动力汽车及纯电动汽车的关键零部件之一 本节将介 绍几种常用的动力蓄电池 1 3 1 动力蓄电池常用类型简介 1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池具有高的可靠性和安全性 价格低廉 但能量密度低 电池电 压高 不需要很多串联电池 决定加速和爬坡性能的功率密度也很大 密封型 比开放型铅酸蓄电池的寿命短 但是要免维护的话 大多采用密封型铅酸蓄电 池 在过量放电状态下长时间放置会迅速老化 而且在快速充电方面不是很出 色嘲臼1 2 镍一镉蓄电池 与铅酸蓄电池相比价格要高 但能量密度很高 特别是低温时的充放电特 性很好 长时间过量充电状态下 寿命会缩短 在高温下性能有所降低 镍一镉 蓄电池有自放电和记忆效应 所以在镍镉蓄电池一定要在充分放电后再进行充 电 镍一镉蓄电池电压低 所以需要很多电池串联 镉资源并不丰富 且有坏境 污染问题 在电动车上应用受到很大限制蚴瑚 3 镍一氢蓄电池 镍一氢蓄电池和镍一镉蓄电池的构造几乎一致 但使用贮氢合金 m m n i jm m 网眼合会 来代替镉负电极 除能量密度高外 拥有和镍一镉蓄电池几乎一样的 第1 章动力蓄屯池概述 特性 充电时发热量大 所以要对镍氢蓄电池要进行充分的温度管理 3 镍氢蓄电池循环寿命长 目前在电动车种应用得较广泛 4 锂离子电池 锂在蓄电池内部不是金属态而是离子态的 所以称之为锂离子电池 目前 它在理论上具有最优秀的特性 它的能量密度是铅蓄电池的3 4 倍 且体积很 小口1 锂离子电池电压要比其他电池高出2 3 倍 所以只需要串联很少的电池 数就能达到电动车的母线电压 充放电时有热反应发生 内部电阻很小 功率 密度高 很适合将其应用在混合动力汽车上作为二次能源 但是 它也有些不 足之处 主要体现在各单电池之间有一定的差异性 除上述四种最常见的车用动力蓄电池外 还有钠一硫电池 锌空电池等作为 电动汽车实验用电池 但应用得不如上述四种电池广泛 1 3 2 动力蓄电池常用类型比较 表1 2 常用蓄电池及其特性比较n 1 蓄电电池能量密度功率密度寿命成充放电特性 池种电压 w h k g w k g 循环次 本过 过急急 类 v 数 量 且 速速 夏 充放充放 电电电电 铅酸 2 o3 5 4 0 2 0 0 4 0 03 5 0 6 0 0 xo 镍一镉 1 25 0 6 0 1 8 0 2 0 05 0 0 1 0 0 0o 镍一氢 1 26 0 8 02 5 0 4 8 0 1 0 0 0 1 5 0 0 o o 锂 3 71 0 0 1 5 0 6 0 0 一1 0 0 05 0 0 1 0 0 0 o o o 非常好0 良好 一般x 差 表1 2 描述了四种电动汽车中常用的蓄电池及其特性比较 从表中可以看 出锂离子电池电压高 体积小 能够用较少的电池串联即可获得混合动力轿车 第1 章动力蓄电池概述 所需的母线电压 锂离子电池具备高能量密度 高功率密度和优秀的充放电特 性 与目前广泛应用的镍氢电池相比 锂离子电池性能优势体现为 工作电压高 达到3 6 v 4 2 v 相当于3 节镍氢电池 能量密度高 体积小 为1 4 0 w h k g 左右或者3 5 0 w h l 是镍氢电池的两 倍 并且随着对锂离子电池研究增多 其能量密度每年增加5 左右扫1 能量效率高 锂离子电池为9 9 而镍氢电池仅为5 5 6 5 旧1 锂离子电池目前的缺点在于成本较高 不过相对于优良的性能来说 其成 本还是可以接受的 并且随着锂离子庖池规模化生产 将不断降低锂离子电池 成本 这也为锂离子电池作为辅助能源的产业化提供了一种可能 因此 在 超越 系列的燃料电池混合动力轿车中选用了锂离子电池作为 辅助能源 本文的研究对象就是燃料电池汽车用锂离子电池的管理系统 1 4 动力蓄电池常用模型简介 要控制一个系统 首先要了解它 一个有效途径便是建立数学模型 数学 模型是研究控制系统以及综合其控制算法所依赖的重要基础 所以开发蓄电池 管理系统的首先需要解决电池的模型问题 模型的表达方式有多种 对蓄电池 而言 数学方程 电路图 一种文字描述都可以看成是模型 解决建模问题通 常有理论分析与试验分析两种方法 理论分析方法是在已知系统内部规律的基 础上推导出系统的动态方程 这需要对研究对象的动态特性有十分详尽的了解 对于锂离子电池来说 其内部的物理和化学过程十分复杂 以电化学理论推导 的结果很难和电动汽车动力系统控制的实际应用相结合 在这种情况下 往往 采用试验分析的方法才能奏效 试验分析的方法也就是系统辨识的方法 它需 要采集输入输出信号并进行参数辨识 对于蓄电池模型的研究主要在两个方面 一方面是建立电池的静念模型 建立电池的静态模型主要是从电池的能量和功率等方面着手 这样便于对电池 的整体把握 能够便于设计合适的电池组以满足汽车动力性能对于电池的要求 第1 章动力蓄电池概述 另一个方面是建立电池的动态模型 动态模型的建立是对电池更为微观的研究 便于设计蓄电池的管理系统 为了预测电池的行为 前人已经建立了许多不同的模型 但没有一个模型 能够反映影响电池性能的全部重要参数 也没有一个模型能够完全精确 影响 电池性能的主要参数包括 电池荷电状态s o c 电池容量 电池充放电率 电池温度 电池寿命 l p e u k e r t 关系式 所谓p e u k e r t 关系式肺3 是指电池放电电流随着恒流放电时间的增加而降低 具体表达式为 i z 一常数 卜9 式中 i 放电电流 安培 n 电池常数 对典型的铅酸蓄电池而言n 1 3 5 t i 在该电流下放电时间 秒 p e u k e r t 关系式能够被写成两个不同放电率之间的关系式 c 1 c 2 夸 1 卜1 0 式中 c 为放电率 脚标1 和2 指不同的放电状态 从这个关系式中可以得到荷电状念s o c 对于非固定放电率而言 上面的等 式被修改成更小的时间步骤 a s o c 盟 马川 1 11 c 3 6 0 0 7 在上述关系式中 假定放电率和电流 c 和i 都是已知的 假定当前时间 第1 章动力蓄电池概述 下的电流为i 相关的放电率可以通过等式中c 计算得到s o c 的变化量 也 就是上式中的a s o c 2 温度模型 温度对于电池容量的影响可以通过一个简单的电池电化学模型来解释盯1 当 电池温度在低于电池峰值温度的范围内上升 电解液的粘性降低 因此增加了 电池中粒子扩散并由此增加了电池的容量 当电池的温度增加超过了峰值 电 池电极开始被腐蚀 因此降低了电极的活性区域 由此降低了电极的反应并降 低了电池的容量 下面的表达式用来描述电池温度的参数巴 c c 2 5 0 a 2 5 一丁 卜1 2 式中 c 电池在温度t 时的容量 a h c 电池在2 5 0 c 时的容量 a h 口 温度相关系数 a h t 电池目前的温度 o c 这里的温度相关系数a 根据不同的电池而不同 它决定于以经验为主的实验 数据 这个相关系数是一个与温度相关的二次方程 3 电池寿命模型 电池寿命可以简单 被概括成一个线性模型 啪 例如 一个电池被认 驾 定为在5 个日历年之后荟 盎 电池寿命降低了1 5 那 么该模型认为每一个月 电池寿命将降低 0 2 5 1 5 当然这个 6 0 模型是十分粗略的 4 p n g v 电池模型 图1 2 蓄电池放电深度与开路电压关系曲线 第1 章动力蓄电池概述 简单分析一下锂离子电池在典型信号激励下的特性 首先观察锂离子电池 恒流放电时电池的端电压与电池放电深度 d e p t ho f d i s c h a r g e 之间的关系 如 图1 2 所示 将整条曲线大致分成三段进行讨论 第一部分中 电压值有一个比 较大的跌幅 此时电池的特性较软 第二部分 电池两端的电压变化比较缓慢 这一段是电池主要的工作段 即放电平台 随着电池不断地被放电 电池容量 随之不断减小 电池两端的电压近似线性下降 第三部分电池两端的电压有急 剧下跌 表示电池的容量已经接近于零 电池不再有工作能力 在燃料电池汽车上 由于采用 电一电混合 的方案 蓄电池的d o d 仅工 作在约3 0 7 0 之间 因此 可以认为蓄电池仅在图1 2 中区间i i 工作 在 这一区间 蓄电池可以被近似线性化为电容特性 该电容值为a q a u 其中 q 为d o d 变化量与蓄电池容量的乘积 而 为对应于 q 的电压变化值 由于锂 离子电池相对与镍氢电池与v r l a 其放电平台坡度较大 因此其电容特性更加明 显 观察蓄电池脉冲充放电的特性 脉冲放电特性反映了电池的动态特性 如 图卜3 所示 该图是 使用a r b i n 电子负载 设备对单体锂离子电 池进行脉冲电流放电 的电压响应曲线 其 中电池黑色线为单体 电池的电流曲线 即 激励信号 灰色线为 电池电压曲线 即响 应信号 在t 3 0 s 时 图1 3 蓄电池脉冲充放电的特性曲线图 给单体电池加上一5 0 安培的脉冲放电电流 持续时间为2 0 s 从图中不难看出 蓄电池电压在t 3 0 s 时的垂直下降j 表现为由于电阻所引起的电压降 而从t 3 0 s 第1 章动力蓄电池概述 到t 5 0 s 缓慢下降 表现为电极化引起的压降 这部分压降与惯性系统的响应 比较类似 因此脉冲响应可以用一个惯性环节来表示 图1 4p n g v 推荐的电池模型 模型中r l 可 以看成是电池的部 分阻性 r 2 和c 2 并联的组合可以较 好地反映电池的动 态特性 而把理想 电动势e 和大电容 c 1 结合起来反映 了图i i 部分中的 一段较平缓的放电 平台 图卜5 所示为采用p n g v 的蓄电池模型船1 加上与图卜3 同样性质的脉冲电 流激励得到的响应曲线 从图中我们可以 看出真实电池电压响 应曲线与采用电池模 型仿真得到的电压响 应接近 这就说明了 p n g v 所建立的模型基 本合理 但将图卜2 和图 卜5 仔细比较 就会发 现两者整体上形状相 近 但仍有较大差异 t 圉l sp 粥v 电池模垂受电流激励仿真图 第1 章动力蓄电池概述 主要表现在受电流冲击后实际电池的电压变化较为平缓 而p n g v 模型仿真受电 流冲击后电池电压变化比较突兀 有必要将其进行改进 本节将管理系统用到的前人建立的蓄电池模型作为电池的基本概念作简要 介绍 1 5 小结 本章简要介绍了燃料电池汽车的发展背景及基本原理 同时对动力蓄电池基 本概念 种类作了介绍 并介绍了 超越 系到燃料电池汽车选用锂离子电池 作为辅助能源的原因 在此基础上 本章介绍了动力蓄电池常用模型 并对燃 料电池汽车应用得最多的p n g v 电池模型作了重点介绍 第2 章燃料屯池汽车电池组设计与容帚参数辨识 第2 章燃料电池汽车电池组设计及容量参数辨识 2 1 燃料电池汽车用电池组的设计 2 1 1 燃料电池混合动力汽车的动力系统结构 在以燃料电池发动机为主动力源的电动汽车动力系统设计上 考虑到目前 燃料电池发动机的发展水平 以及车辆运行的经济性 动力性等因素 需要选 用蓄电池或超级电容作为辅助动力源 称为 电 电混合 动力系统 首先根据 车辆设计的功能定位 确定车辆是否需要纯电动模式运行 若不需要 则成为 辅助动力模式设计 若需要纯电动模式运行 则称为 双动力模式设计川 如图2 1 所示 在 辅助动力模式 设计 设计中 燃料电 池发动机或内燃发动 机作为主动力源 一般 尽可能工作在效率较 高的区间 以提高燃料 经济性和增加续驶里 程 当车辆加速或爬坡 时i 车辆需求的功率增 比 能 且 里 图2 1 辅助动力设计模式 比功率 大 主动力源单独不能满足功率需求 此时就需要辅助动力源来提供缺口部分 辅助动力源应该能够短期以大功率输出 在电机回馈制动时 辅助动力源也应 该吸收回馈制动带来的电能 在 双动力模式设计 中 辅助动力源不仅要满 足 辅助动力模式伊中的功率需求 还要在冷启动工况或部分城市工况以纯电 动运行 因此更加强调其能量特性 第2 章燃料电池汽车电池组设计与容最参数辨识 图2 2 是目前的燃料电池轿车动力系统的拓扑结构 由于目前燃料电池发动 机仍有输出特性较软 输出响应慢等缺点 因此需要d c d c 变换器达到匹配阻 抗特性 控制电流输出的目的 在车辆的运行过程中 车辆控制器将根据各个 动力源当前状态的不同调节d c d c 的输出电流 当车辆加速或爬坡时d c d c 变 图2 2 燃料电池汽车动力系统拓扑结构图 换器根据当前燃料电池发动机的能力输出最大电流 若仍不能满足车辆要求 则蓄电池放电 其s o c 减小 电压下降 当车辆制动时 电机进入回馈制动状 态 将车辆动能转化为电能 给动力蓄电池充电 蓄电池s o c 增大 电压升高 随着车辆的运行 蓄电池s o c 将随时变化 车辆控制器应随时检测蓄电池s o c 并通过d c d c 的输出电流 保证其在一定的范围内变化 不至于过充或者过放 图2 3 燃料电池汽乍新一代动力系统拓扑结构图 第2 章燃料电池汽车电池组设计与容最参数辨识 图2 3 所不是新一代燃料电 他汽军动力糸统的拓扑结构 凼此卜一代锉禺于 动力电池选型计算 包括了满足燃料电池电动汽车的功率 能量以及动力总成 系统中母线电压的波动范围要求 2 1 2 燃料电池汽车电池功率分析 1 起步工况 要求燃料电池电动汽车在1 0 s 内平地起步加速至2 0 k m h 的车速 起步时 带动燃料电池发动机运行的相关部件需要的功率p i 1 5 k w 若起步以匀加速起步加速 由y 一口 f 得口 詈 磊2 0 1 o 5 5 5 6s 乏 根据电机特性 电机在4 6 5 0 n m i n 之前 都能保持1 2 0 n m 的转矩 故电机 可以提供的驱动力 i tf t o 瓦r 一1 2 0 瓦1 0 西 4 1 4 k n 其中r 是车轮半径 r 是 减速比 这时 可能提供的最大加速度为口 鲁一等 2 3 大于 5 5 5 6 m s 2 表明假设的匀加速运动是可以达到的 故当车速为2 0 k m h 时 克服加速需要的 功率为b y m a o v 1 8 1 0 3 0 5 5 5 6x3 2 0 6 5 5 5 6 枷 良好的沥青或者混凝土路面的滚阻系数式f 0 0 1 0 4 3 0 1 8 若取f 0 0 1 5 则滚 动阻力为 w g 厂 1 8 x 1 0 3x 9 8 x o 0 1 5 o 2 6 5 k n 故车速在2 0 k m h 时 克服滚阻需要的功率为 只 f v 0 2 6 5 x3 2 0 6 1 1 4 7 撕 l 一三c 彳 p 2 五1 o 8 3 灯2 2 5 8 罢 2 1 5 舯 其中c 弧 o 8 取s a n t a n ax i 5 型轿车 p 1 2 2 5 8 兰 为空气密度 故当车速为2 0 k m h 时 克服空气阻力所需要的功率为只 凡 v 1 5 1 9 罢 8 4 4 太小 故可 叫绍田舞不计 第2 章燃料电池汽车电池组设计与容晕参数辨识 所以所需要的总功率为 总 只 最 只 只 1 5 5 5 5 6 1 4 7 2 2 2 0 2 8 k w 实际上需要的电功率为吃 7 假设电机效率为0 8 则电机功率为 2 2 0 2 8 2 7 5 3 5 k w 0 8 2 爬坡工况 认为汽车在坡道上匀速运动 爬坡的车速不高 忽略空气阻力 取口 3 0 的 坡道 故坡道的阻力为 e tg s i n a 1 8 x 1 0 3x9 8 xs i n 3 0 8 8 2 k n 滚动阻力为 f f g f c o s o t 1 8 x 1 0 3x 9 8 x0 0 1 5 c o s 3 0 一0 2 2 9 k n 所以 总阻力魏 f f i f f 8 8 2 0 2 2 9 9 0 3 9 k n 若汽车以1 0 k m h 爬坡 则需要的功率为 乞一 9 0 4 9 罢 2 5 1 4 k w 3 超车工况 假设汽车超车时 电机满负荷运行 在2 0 s 内完成超车时需要6 0 k w 的功率 燃料电池可以提供3 0 k w 的功率 则蓄电池需要提供的功率为3 0 k w 4 回馈制动工况 燃料电池汽车设定蓄电池回馈制动的功率为2 4 k w 2 1 3 燃料电池汽车电池畿量分析 l 起步工况 前面计算的起步工况1 0 s 内加速到2 0 k m h 时 功率的最大需求量为2 2 k w 则整个过程中的放电能量小于 2 2 k w x l o s 2 2 0 k j 第2 章燃料电池汽车电池组设计与容量参数辨识 若采用图2 所示的结构 设母线电压为3 1 2 v 则电流为2 2 k w 3 1 2 vt7 0 a 则电池的安时数为7 0 x 1 0 3 6 0 0 0 1 9 4 a h 如果电池容量为1 5 a h 则起步过程 中s o c 要减少0 1 9 4 1 5 1 2 9 若采用图3 所示的结构 设母线电压为1 4 8 v 则电流为 2 2 k w 1 4 8 v 1 4 8 6 a 则安时数为1 4 8 6 x 1 0 3 6 0 0 0 4 1 3 a h 如果电池的容量 为1 5 a h 则起步过程中s o c 要减少0 1 4 3 1 5 2 7 5 2 爬坡工况 根据前面计算得到的爬坡最大功率需求量为2 5 1 4 k w 假设持续的时间为1 5 s 整个过程中放电放出的能量小于 2 5 1 4 k w x l 5 s 一3 7 7 1 k j 若采用图2 所示的结构 设母线电压为3 1 2 v 则电流为 2 5 1 4 k w 3 1 2 v 8 0 5 8 4 则电池的安时数为8 0 5 8 x 1 5 3 6 0 0 0 3 3 6 a h 如果电 池容量为1 5 a h 则起步过程中s o c 要减少0 3 3 6 1 5 2 2 4 若采用图3 所示的结构 设母线电压为1 4 8 v 则电流为 2 5 1 4 k w 1 4 8 v 1 6 9 6 a 则安时数为1 6 9 6 x 1 5 3 6 0 0 0 7 0 8 a h 如果电池的容 量为1 5 a h 则起步过程中s o c 要减少0 7 0 8 1 5 4 7 2 3 超车工况 根据前面计算得到的爬坡最大功率需求量为3 0 k w 假设持续的时间为1 0 s 整个过程中放电放出的能量小于 3 0 k w x l o s 3 0 0 k j 若采用图2 所示的结构 设母线电压为3 1 2 v 则电流为3 0 k w 3 1 2 v 9 6 2 a 则电池的安时数为9 6 2 x 1 0 3 6 0 0 0 2 6 7 a h 如果电池容量为1 5 a h 则起步过 程中s o c 要减少0 2 6 7 1 5 1 7 8 若采用图3 所示的结构 设母线电压为1 4 8 v 则电流为3 0 k w 1 4 8 v 2 0 2 7 a 则安时数为2 0 2 7 1 0 3 6 0 0 0 5 6 3 a h 如果电池的容量为1 5 a h 则起步过程中 s o c 要减少0 5 6 3 1 5 3 7 5 4 回馈制动工况 第2 章燃料电池汽车电池纽设计与容量参数辨识 根据前面计算得到的爬坡最大功率需求量为2 4 k w 假设持续的时间为1 0 s 整个过程中放电放出的能量小于 2 4 k w x l o s 2 4 0 k j 若采用图2 所示的结构 设母线电压为3 1 2 v 则电流为2 4 k w 3 1 2 v 7 6 9 a 则电池的安时数为7 6 9 x 1 0 3 6 0 0 0 2 1 4 a h 如果电池容量为1 5 a h 则起步过 程中s o c 要减少0 2 1 4 1 5 1 4 3 若采用图3 所示的结构 设母线电压为1 4 8 v 则电流为2 4 k w 4 1 4 8 v 1 6 2 2 似 则安时数为1 6 2 2x1 04 3 6 0 0 0 4 5 1 a h 如果电池的容量为1 5 a h 则起步过程中 s o c 要减少0 4 5 1 1 5 3 0 1 2 1 4 燃料电池汽车电池电压分析 如果以上的各个工况都出现在电池s o c 状态为5 0 时 此时对应的开路电 压为3 9 v 假定单体电池的平均电压不得低于3 0 v 整组电池电压不低于3 5 2 v 若电池的总内阻在2 0 0 a 持续放电工程中不大于4 毫欧 则在图2 所示结构中 假设充放电流为 i o o a 则电压波动在 4 0 v 的范围内 而在图3 所示结构中 由于电流几乎增大了一倍 则同时电阻也减小了一半 因此电压波动仍在 4 0 v 范围内 然而 根据上面的计算可以知道 上述结构中 电池的功率和能量特性都很 容易得到满足 但当母线电压波动在 4 0 v 范围内时 对电池变频器的要求较高 若将拓扑结构改为图3 所示的结构 则去掉了对电池电压的约束条件 使得电 池的设计更加容易 根据上文对功率和能量的计算 电池的数目可以减少一半 以上 则对整个系统可以带来如下好处 1 线电压将不再依靠电池维持 电压可以进一步升高 电压变化范围减小 从而降低了电机的铜损 提高其效率 2 由于目前的电池功率密度已经达到8 0 0 k w k g 下一轮将可能达到 1 0 0 0 k w k g 因此电池数目可以减少一半以上 从而大大降低蓄电池组的 体积和重量 第2 章燃料电池汽车电池组设计与容冕参数辨识 3 随着电池数目的减少 其布置也更加灵活 可以提高离地间隙 并且有 利于防水防尘 并且有利于电池系统的散热 4 电池数目的减少 大大降低了电池组的成本 且便于维护 5 减少了对电池的