车载镍氢电池管理系统研究现状与发展.pdf

第l 8 卷 第3 期 2 0 0 4年 9月 湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报 J o u r n a l o f Hu b e i Au t o mo t i v e I n d u s t r i e s I n s t i t u t e Vo 1 1 8 No 3 SC p 2 0 0 4 车载镍氢电池管理系统研究现状与发展 赵慧勇 一 罗永革 杨 启梁2 佘建 强 1 湖北汽车工业学院汽车工程系 湖北十堰 4 4 2 0 0 2 2 武汉科技大学机械自动化学院 湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要 论述了国内外关于车载电池 S OC计算方法及 电池管理 内容 方法与策略研究 特别是电池热管理研究的 现 状与 发展 针 对每一 部 分 提 出 了个 人 的看法 与观 点 并指 出应 当根 据系 统论 的观点 主动 的管 理电 池 关键词 电池管 理系 统 S O C 动 态监 控 热管 理 f 中图类 号 U 4 6 3 6 3 文 献标 识码 A 文章 编号 1 0 0 8 5 4 8 3 2 0 0 4 0 3 0 0 0 1 0 4 S i t u a t i o n a nd De v e l o p me n t o n t h e Ve h i c l e Ni M H Ba t t e r y M a n a g e me nt S y s t e m Z h a o Hu iy o n g L u o Y o n g g e Y a n g Q i l i a n g 2 S h e 唧 1 D e p t o f A u t o mo ti v e E n g i n e e r i n g H u b e i A u t o mo ti v e I n d u s t r i e s I n s ti t u t e S h i y a n 4 4 2 0 0 2 C h i n a 2 C o l l e g e o f Me c h a n i c a l A u t o ma t i z a ti o n Wu h an U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y Wu h an 4 3 0 0 8 1 C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e s i t u a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f the me tho d s o f v e h i c l e Ni MH b a t t e r y S OC S c o mp u t e s t u d y o n the c o n t e n t me tho d s a n d s t r a t e g y o f b a t t e r y ma n a g e me n t e s p e c i a l l y t h e r mal ma n a g e me n t An d the n i t p u t s u p p e r s o n al i d e a s o n e a c h p a r t o f the man a g e me n t a n d p o i n t s o u t b a t t e rie s s h o u l d b e ma n a g e d b y me a n s o f s y s t e mi c i d e a Ke y wo r d s b a t t e ry ma n a g e me n t s y s t e m S OC d y n a mi c c o n tro l l i n g a n d mo n i t o rin g the rm al man a g e me n t 随着电池能源的广泛应用 对电池运行状态的管理变得越来越重要 所谓电池管理 就是对电池组 电 池单元运行状态进行动态监控 精确测量电池的剩余容7 S O C s ta t e o f c h a r g e 同时对电池进行充放电保 护 并使电池处于最佳工作状态 充分发挥电池的功能 电池管理系统就是实现该功能要求的管理系统 由 于电池工作方式的特殊性 电池的管理特别是电池剩余电量状态S O C 的测定十分困难 本文结合国内外对 电池管理系统研究的现状的分析 提出关于电池管理系统的一些思路和方法 1 国外对 电池管理 系统的研 究 能源枯竭 环境污染 已经成为当前社会急需解决的问题 而电动汽车以其独特的节能环保的优势引 起越来越多的国家的重视 在电动汽车的研究和发展上 车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重要 的位置 他们在车载电池管理上做了大量的实践和理论工作 取得了丰硕的成果 其中 美国的福特 通用 及 日本的丰田等为其小批量生产混合动力汽车 电动汽车配套的车载电池管理系统已经达到相 当高的精 度和水平 在车载电池管理系统的研究上 国外主要进行了以下工作 1 1 车载 电池S OC 的测量 车载电池S O C 的测量是电池管理系统设计的难点和重点 国外关于电池S O C 的研究大多是通过测量 电池的电流电压等外界参数找出S O C 与这些参数的关系 以间接的测出电池的S O C 值 目前常用的有开路 收稿日期 2 0 0 4 0 4 2 2 作者简介 赵慧勇 1 9 8 0 男 河南沈丘人 硕士研究生 从事汽车电子方向研究 维普资讯 一 2 一 湖北 汽车工 业 学 院学报 2 0 0 4年 9月 电压法 容量累计法 电池内阻法等 将来的S 0 C 预测一定是模糊判别和精确计算的有机结合 而这些方法 都可以成为模糊判断或精确计算公式中的有机组成部分 开路电压法是最简单的测量方法 主要是根据电池组开路 电压 的大小判 断S OC 的大小 由电池工作 的特性可 知 电池 的 开路电压和电池的剩余容量存在着一定的对应关系 即随着电 池容量的增加 电池的开路电压 约等于其电动势 增加 由此 可以根据一定充放电比率时电池 的开路电压 一 s 0 C曲线 通 过测量电池开路 电压 的大小通过插值找出电池S O C 的大小 这 种方法简单易行 但是由于不同充放电比率时 一 s 0 C 曲线不 重合 如图1 这种测量方式的测量精度十分低 容量 累积法 是根据 电量定律得 到的 设电池满充状 态下 电 f 量为Q 完全放 电后 电池 电量为零 则有 S O c Q m J o i d t Q m m 这种计算方式在理论上是可行的 但是由于电池放电的特殊性 不同放电比率状态TQ 的值不同 在大电流放电时候 电池电 1 2 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 i 0 0 Q 环境温度 2 5 充电 O I C i O h 图 l 电池放 电量与放 电电压 电流 曲线 器 8 0 6 0 4 O 2 0 压下降到电池工作截止电压以下 但显示的S O C 计算值大于零 i 0 2 0 3 O 40 5 0 而在小电流放电时 电池的S O C 计算值减小到为零时电池还能 工作 同时 由于电池的 自放电与存放时间和温度有很大关系 图2 电池自 放电与温度 存放时间关系曲 线 如图2 虽然在后来的修正公式中 他们考虑了电池的温度影响 但是由于电池的自放电率和充放电效率的 影 响 其测量结果还 是很不理 想 后来 人们发现电池的内阻与荷电状态S O C 有很大关 系 他们通过测出的电池电压和电流参数 计算 出电池的内阻 同开路电压法一样 画出电池的内阻 一 s 0 C 曲线 通过测出的电池电流电压值计算电池 的内阻 通过插值查表求出电池的S O C 由于电池内阻是电池的固有特性 计算结果 比开路电压法精确 1 2 车载 电池的动态监控 电池 运行状 态 的好 坏关系到整个 电动车辆的运行与否 故 电池管理 系统 的另一个 功能是 对车载 电池 进行动态监控 但是由于运行电池的性能不能直接观测 其性能还是要通过电池的外在电压 电流 温度等 参数判断其运行状态是否正常 因此常用的方法是设计 电池模糊诊断系统 通过模糊判断确定电池的运行 状态 找出工作不正常的单元电池 但是由于模糊系统判断过程缓慢 且需要大量实验数据组成专家系统 研究者通过实验发现 电池正常工作时 在一定 电流下其电压和温度变化平稳 也就是说 电池工作温 度 内阻 内压等都在一定范围内平稳变化 当某个 电池出现故障时 其工作温度 内阻等会产生巨大的变 化 具体表现为温度快速升高 内阻 内压增大 研究者运用遗传算法通过交叉 繁殖 变异等方法对该系统 优化得出电池运行状态图 找出工作不正常的废电池 遗传算法是近几年发展的一种新型全局优化算法 其特点是 群体搜索 不需要 目标函数的导数 遵循概率转移准则 遗传算法的基本结构为 1 按照问题的特点随机产生一个拥有 个染色体的种群 2 用适应度 函数厂 计算 种群每一个基 因的适应度 3 按照种群中的各个基因的适应度从中选择两个父代基因 适应度越大 机会越大 4 以一定的交叉概率交叉两个父代的基因以产生子代 交叉完成之后 子代完完全全是父代的复制 5 以一定的概率对子代基因的的每一个位点 L o c u s 进行变异 6 把这个子代放到新的种群中去 7 对新产生 的种 群进行更深 入的算法运算 8 判断 如果终止条件满足 则停止 并且把当前母体群中最好的解输出 否则 转4 继续 在研究中 作者的态度是将该方法与局部优化法相结合进行动态诊断 并运用热源和温度场的原理直 接判断受损的电池位置 维普资讯 第 1 8卷 第 3期 赵慧 勇等 车载镍 氢 电池管 理 系统研 究现 状 与发展 一3 1 3 车载 电池 的热平衡管理 随着对电池的使用 人们发现周围工作环境温度会对电池的性能产生很大影响 高温或低温对电池的 寿命和容量都不利 2 O 世纪9 O 年代 美国研究者使用装备8 0 A h O v o n i l N i M H 电池的电动汽车E V 1 3 分别在 环境温度1 4 和一 2 2 C 下进行了6 5 英里的测试试验 其结构表明 在低温下 N i MH电池 即使在一 2 2 C 时还能 提供接近其设计 容量 的能量 但是 总电压 下降 了 9 2 总电压波动增加到4 0 2 如图3 单体模块的最 2 0 0 大充电电压与其最小充电电压相 比 产生了3 0 3 的 2 2 0 0 增加 原因是电池活性物质的活性变差 这种由单体 2 1 0 0 电池的S O C 的波动引起 的总电压的降低对电池的性能 2 0 0 0 和寿命都有害 同样 当环境温度高于4 O 时 电池负 1 9 0 0 极 的储氢合金很容 易析 出氢气 在 此温度 下工作 特 1 8 0 0 别 是进行充 电 充 电反应 是 放热反 应 时 会对 电池寿 o 0 命和性能产生不可恢复的致命性影响 此外 电池系 统 的热量 表现形式为 温度 也是 管理系统在S OC 估 算 电池运行监测中的重要参数 因此电池的热平衡 管理是将来 电池管理 系统 研究 的一个 重点 0 5 0 0 1 0 0 0 l 5 0 o 2 O0 o 2 5 0 o 3 0 0 0 3 5 0 0 t s l 4 时的总电压 2 2 时的总 电压 图 3不同环 境温度 下 的电池 电压 电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分 其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置 使电池温度处于正常工作温度范围内 电池热管理的重点是 通过分析传感器显示的温度和热源 电池 场 的关系 确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置 使电池箱具有有效的热平衡与迅速散热功能 通过 温度传感器测量 自然温度和箱内电池温度 确定电池箱体的阻尼通风孔开闭大小 以尽可能的降低功耗 2 国 内对 电池管理 系统 的研究 随着 国家将 电动汽 车作 为8 6 3 重点 攻关项 目的确 立 我 国科 研人员对 电池管理 的研究越 来越 多 并开 发 了多种管理 系统 总 的来说我 国关于 电池管理 的研 究是在学 习国外 已有成果 的基 础上有所创新 国内 研究重点放在 电池荷 电状态S O C的确定 判断 电池放 电 中止 的方法 和行车充 电器的设 计 2 1 车载 电池S OC 的测量 通过研读论文发现 国内 的文章都参考 了国外 文献 同时都加 以改进 提 出了 自己的测 量方法 常见 的 方法有S O C 定义修正测量方法 S O C 模糊测量方法以及通过电压容量梯度法判断放电终点 S O C 定义修正方法是根据电池特点将其 电荷状态设定为标称电荷状态S O C s 和动态电荷状态S O C D S O C s 特指某一恒定温度下 一标成的恒定电流放电时所放出的标称容量为基准所确定的S O C 值 S O C 是指 随放电电流 温度变化而变化的电池荷电状态 它与S O C B 的关系为 S O C tr S O C s x K w x f I 其中 K w 为温度 影响系数 为当前及以后一段时间稳定的实际电流 其测量方式为首先根据容量积累法测 出S O C s 然后根 据开路电压对S D C B 进行校正 最后根据S O C B 出S O C D 随着模糊技术的广泛应用 研究者利用模糊预测技术测定电池S O C 取得了较高的测量精度 将来 电 池S O C 计算方法的研究将是精确 模糊与神经网络的结合 即按照电池系统参数的不同状态进行模糊分 类 在每一类的范围内设计 电池S O C 的数值计算公式 通过模糊运算求 出电池的S O C 最后在每一次充放 电结束时通过神经网络方法进行模糊算子和计算公式的优化以提高S O C 计算精度 在研究电池荷电状态的测量时 如何确定电池放电终点是一个重要的问题 传统 的方法如固定电压 法 放电曲线斜率法等都存在不足 我国的研究者设计出了一种新的电压容量梯度法来判断放电终点 通 过研究容量的变化与电压的变化翟关系 可以发现 电池在放电终点的时候电池放出电量的变化d C 很小 但是电池组的电压变化很大 该电压容量梯度法就是根据这种关系 确定放电终点常数C 其计算公式为 C d V d C l 放 电 终 点 其实电池作为一种化学能源 在其充放电过程中 它的电压 温度 内压等都会发生很大 维普资讯 4 湖 北汽 车工 业学 院学 报 2 0 0 I4年 9月 的变化 如图1 图4 通 过图4 可以知道 在电池充 电终 点 电池 的电压会有一个 下降 温 度会 上升很 多 因 此 应 当综合 电池 的 电压 温度参 数变化 通过模糊判 断得到 电池 的充 放电终点 2 2 车载 电池充 电器 的研 究 车载电池管理系统 其功能之一就是当电池放电结束后及 时报警 并进 行行车 或停车充 电 在充 电器设计 中 要 考虑 的问 题是充电的效率 电池电压的均衡及进行车载能量回收充电 蓄 电池的充 电方法 主要分 恒流充 电 恒压充 电两种 恒流充 电蓄电 池 组 中流过各个 蓄 电池 的电流相 等 有助 于容量不均 的蓄 电池 得到均衡充 电 恒压充 电 电流 比较 大 可 以使 蓄电池组 的容量 在 较短时间得到补充 充电时间比恒流充电要短 但是充电电流往 往超出蓄电池的接受能力 造成充电效率下降 甚至影响其寿 图4 电 池充电特性曲线 越 赠 脚 命 根据蓄电池充电电流接受能力 曲线 充电电流与蓄电池容量之间存在指数关系 充电初期蓄电池容量 较低 可用较 大电流快速 补充蓄 电池容量 随着蓄 电池 容量 的上升 可接受 的充 电电流下 降 故我 国研究者 采用 了多段定 电流充 电 定 电压充 电 涓流充 电 间隙充 电综 合控制模 式 取得 了 良好 的效果 3 电池管理系统的发展方向 电池管理 系统发展 至今 已经 比较 完善 生产 的车载 电池 管理系统 已经广泛应用 于混 合动力 汽车 电 动汽车上 但是研制 的产品还远远达不到所期望的要求 今后电池管理系统的研究应以系统观念为基础 根据电池的内部反应机理提高电池S O C 预测精度 降低电池管理系统的功耗 改善电池的工作状况和存放 环境 即主动地进 行电池管理 特别是 电池 的过度充 放 电保 护 热平衡 和电池 的工作 环境 的管理 电池作为化学电源其输出功率和发动机有明显不同 若精确预测电池S O C 首先应分析研究电池放 电 的机理 理解 化学活性物质数 量及其反应速度与充 放 电量之间 的关 系 然后才能精确预 测S OC 同时电池 管理系统作为一个系统 其 内部结构是相互联系的 电池的工作电流波动很大 如能通过辅助电容放电使 电池既以近似恒流工作又能满足车载要求 通过改变电池工作温度提高电池的充 放电性能 通过改变电 池存放温度 湿度降低电池的自放电 那么电池荷电状态S O C 的精确预测也就不再是难题了 参考文献 1 J B r a d l e y Ad v a n c e d B a t t e r y Mana g e me n t and T e c h n o l o g y P r o j e c t R V e r m o n t V e r mo n t E l e c t r i c V e h i c l e D e m o n s t r a t i o n P r o j e c t A g e n c y o