电动汽车电池管理系统(BMS)及其验证系统的开发_图文

1、分类号学号M201371036学校代码10487 密级 硕士学位论文电动汽车电池管理系统(BMS及其验证系统的开发学位申请人:谢绍伟学科专业:动力工程指导教师:李顶根副教授答辩日期:2015年5月20日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree for the Master of EngineeringDesign and Implement of Battery Management System and BMS Testing System for an electricvehicl

2、eCandidate : Xie ShaoweiMajor : Power EngineeringSupervisor : Assoc. Prof. LI DinggenHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaMay, 2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承

3、担。学位论文作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密,在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。(请在以上方框内打“”学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年月日日期:年月日华中科技大学硕士学位论文摘要近年来地球的环境恶化问题使得新能源汽车受到人们的重视。动力电池是决定着纯电动汽车的各方面性能的核心部件。电池管理系

4、统(BMS与整车控制器和充电机进行通讯,对动力电池组的充放电过程进行控制和保护,对各单体进行均衡控制,并根据一定的算法来估计动力电池组的电量状态(SOC,为驾驶员提供续航信息。整车企业及电池厂商需要针对电池管理系统的测试设备来验证考核BMS系统,以选配合适的BMS应用于动力电池组的管理。然而,电池管理系统作为一个技术尚未完全成熟的部件,其测试验证还没有统一的行业规范。本文首先对BMS的必要性和主要功能作了详细的分析,BMS的主要功能有对动力电池状态数据的采集、对动力电池进行充放电保护和热管理、估算动力电池的SOC、对动力电池中各单体电池进行均衡及与整车和充电机通讯。本文研究了锂电池Theven

5、in模型的参数识别方法并将开路电压法、安时积分法和扩展卡尔曼滤波法结合起来用于SOC估计。在这些工作的基础上,为某混合动力公交车的动力电池开发了一款BMS。该BMS采用主从式结构,主控制模块主要对负责总电压总电流的信号采集、动力电池的SOC进行估计、绝缘检测、与整车通讯等功能,从控模块实现单体电压、电池组温度采集和单体均衡等功能。为了检测该BMS的功能和精度,为电池组选配合适的BMS系统,创新性地设计了BMS测试验证系统。本文详细说明了该系统的总体方案和设计原理,并对BMS验证系统的输出精度作了详细的测试,数据表明其输出信号具有良好的精度,可以用于BMS产品的测试试验。关键词:动力电池电池管理

6、系统SOC估算BMS测试系统华中科技大学硕士学位论文AbstractWith the energy and environmental issues become more and more serious, new energy vehicles are holding more peoples attentions. Power battery is the core component that determines the performance of the electric vehicle.Battery management system communicate with the

7、 vehicle controller and charger,protect charge and discharge process of the power battery,balance the cell batteries,estimate the state of charge according to some algorithm and provide mileage information for the driver.Vehicle manufacturers and battery manufacturers need BMS testing devices to ver

8、ify and access the BMS product.But the BMS technology is not yet fully mature and there is not a industry standard for the BMS testing and verification.This paper first analyzes the main functions of the battery management system.The main functions of the BMS are to measure the state parameters of t

9、he batteries,protect the charge and discharge process,provide thermal management for the batteries,estimate the state of charge of the battery,balance the cells and communicate with vehicle controller and charger.In this paper,the parameter identification method of Thevenin model for lithium battery

10、 is studied and the open circuit voltage method,current integral method and the extended Calman Filter are conbined to estimate the SOC of lithium battery.On these basises,a BMS product is designed and implemented for a hybrid bus.This BMS product adopt the master-slave structure.The master module i

11、mplement the functions of pack voltage measurement,pack current measurement,SOC estimation,insulation detection and communication.The slave module implement the functions of cell voltage measurement,battery temperature measurement and balance etc.In order to detect the function and precision of BMS

12、product and select suitable BMS for battery pack,an innovative design of BMS testing and verification system is carried out.The overall scheme and design principle of the system are explained in this paper.The output precision of this system is test in detail and the results shows that the华中科技大学硕士学位

13、论文system has good accuracy and it can be applied to the testing and verification of BMS product.Keywords: Power Battery Battery Management System SOC Estimation BMS Testing System华中科技大学硕士学位论文目录摘要. I Abstract . II 1 绪论 (11.1本论文的背景 (11.2新能源汽车概述 (21.3BMS及其发展现状 (61.4本文的研究内容和主要工作 (82 电池管理系统及其SOC估计算法的研究 (

14、92.1BMS功能分析 (92.2SOC定义及影响因素 (112.3SOC常用估计方法 (132.4卡尔曼滤波算法 (172.5本文采用的SOC估计方案 (192.6本章小结 (233 针对某混动公交车的BMS设计 (243.1某混合动力公交车简介 (243.2BMS的总体结构和功能划分 (253.3主控模块(CMU的设计 (26华中科技大学硕士学位论文3.4从控模块(BMU的设计 (313.5电池管理系统的调试 (343.6本章小结 (364 BMS验证系统设计 (374.1系统设计的目的 (374.2系统的需求与总体设计方案 (374.3各信号模块的详细设计 (414.4系统上位机软件设计

15、 (504.5BMS验证系统的精度测试 (534.6本章小结 (595 总结与展望 (605.1全文总结 (605.2后续工作展望 (61致谢 (62参考文献 (63华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 本论文的背景改革开放以来,中国民众收入水平和消费能力日益提高,生活水平不断改善,汽车的总生产量和总销量在近年特别是近10年来急速增长。2009年中国汽车生产和销售量分别达到1379.1万辆和1364.5万辆,第一次成为世界第一汽车产销大国,并且依然保持着较高的增长速度。根据工信部的数据,2014年我国本土总共生产汽车2372.29万辆,汽车总销量达2349.19万辆,产销量均为世界第一。汽车

16、工业在人类社会的进步和世界经济发展中发挥了巨大的作用。汽车改变了人们的生和思维方式,使人们出行更加便利,促进了人们之间的交往,扩大人们的活动范围,为旅游业、零售及娱乐提供了发展机会。汽车工业规模的扩大促进了机械、能源、运输、钢铁等基础产业的发展,在劳动力就业和国家经济增长等方面都发挥了重要作用。汽车制造业业和与它相关的零部件产业、汽车销售产业及汽车维修产业等周边产业,是世界经济发展的重要推动力。然而汽车工业的大规模扩张和汽车在世界各国的普及应用,在推动人类社会进步的同时也造成严重的负面效应。空气污染、气候变暖以及石油资源的过度开采消耗,越来越成为人们关注和担忧的问题。而汽车是主要的大气污染源之

17、一。汽车主要以热力发动机作为其驱动力的来源。发动机中碳氢燃料的燃烧过程和燃烧生成物十分复杂。其主要的生成物是二氧化碳(CO2与水(H2O,它们对人体是无害的,但二氧化碳(CO2被认为是造成地球气温升高的原因之一。发动机的排气中一般还含有氮氧化合物(NOx、一氧化碳(CO和燃烧不充分而生成的碳氢化合物(HC,这几种生成物都是有毒性的,会引发人体的健康问题。汽油和天然气中还可能含有硫或硫的化合物,它们同氧反应生成硫氧化合物(SOx与空气中的水反应生成的硫酸是酸雨的主要成分。在中国,城镇经济较农村发达,汽车主要聚焦的人口密度很大的城市,汽车尾气严重威胁着人们的健康。石油是一种非可再生能源,目前以汽华

18、中科技大学硕士学位论文油或者柴油内燃机作为动力源的汽车将在若干年以后将面临着石油消耗殆尽的危险。中国改革开放以来,大规模的工业生产和基础建设需要消耗大量的包括石油在内的各类能源。目前我国是世界第二大石油进口国,对石油的进口依存度高达45%以上,我国的这种能源供需结构存在着安全隐患。中国的汽车保有量巨大且增长迅速,对石油能源需求十分巨大。一旦我国石油进口的石油严国地区局势不稳定,进口渠道受影响,将会对我国的工业生产和人民生活造成无法预计的影响,因而必须引起高度的重视。在环境和能源的双重压力下,世界各国政府特别西方发达国家都针对汽车生产厂商的尾气排放制定了越来越严格的排放标准,同时也通过财政补贴等

19、措施大力扶持新能源汽车的发展。世界汽车工业巨头们近年来也不断推出各自的新能源车型。发展新能源汽车既能够减少对石油化石能源的依赖,同时也可以降低二氧化碳和其它有害气体的排放。发展新能源汽车既可以节能环保,维护人类的生存环境,亦可以为世界的汽车工业带来新的发展机遇,具有十分重要的意义。1.2 新能源汽车概述新能源汽车是相对于传统的内燃机动力汽车来讲的,指部分或全部采用电动机作驱动动力来源的汽车。电动机由车载的储能装置提供的电能来转动,为汽车提供行驶动力。混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车都属于新能源汽车的范畴1。1.2.1 混合动力汽车混合动力汽车是指搭载有发动机和驱动电机的汽车,内燃机和电动

20、机都可以为汽车提供动力。目前,由于车用动力电池能量密度和充电网络建设的限制,纯电动汽车存在着续航里程不足与充电困难的问题,混合动力是在这种情况下较为有实用性的方案。搭载常规的内燃发动机可以保证其续航量程与充电困难时的行驶问题。动力电池可以储存回收的制动能量和发动机驱动汽车行驶所剩余的能量。在爬坡等功率要求较高的工况,电机与发动机同时工作驱动汽车,以保证整车的性能。混合华中科技大学硕士学位论文动力汽车比内燃机汽车消耗更少的燃油,同时废气排放比内燃机汽车低,被认为是最具有大规模产业化的新能源汽车解决方案。混合动力汽车根据其驱动系统的结构布局方案的不同可以分为串联式混合动力、并联式混合动力、混联式混

21、合动力几种23。串联式混合的动力系统结构如图1-1所示: 图1-1串联式混合动力串联式混合动力汽车的驱动力全部来自驱动电机,而发动机提供的功率也通过发电机转化为电功率并耦合到功率总线上。这样的结构可以让发动机与传动装置脱离机械连接,发动机的转速与汽车的行驶速度无直接关联,发动机可以一直工作在高效区。由于驱动电机良好的转速-扭矩特性,串联式混合动力汽车的变速器只需要一级减速就可以实现良好的行驶性能,变速器得到简化,可以降低车辆的成本。其缺点是发动机的机械能先转换成电能,电能又在驱动电机处再转换成机械能,或转换成化学能储存在电池中,能量经多次转换,降低了能量利用效率4。并联式混合动力系统的结构如图

22、1-2所示: 图1-2串联式混合动力华中科技大学硕士学位论文并联式混合动力汽车中,发动机和驱动电机的机械能通过机械耦合装置耦合到一起。它们都与驱动轮有直接连接,都可以单独驱动汽车,也可以同时工作一起驱动汽车。并联式混合动力的发动机和驱动电机都直接提供转矩来驱动汽车,不存在多次的能量转换,效率较高,另外其不需要发电机且驱动电机较串联式中的驱动电机尺寸要小,结构更为紧凑。其缺点是发动机的运行点与车辆的工况有关,不能固定的工作在其高效区,其结构和控制也更为复杂5。混联式混合动力相当于串联式与并联式的组合,它兼有两者的主要特性,并且存在着更多的运行模式。它装有两个功率转换器,转矩和转速耦合可以使发动机

23、的瞬时转矩和转速不受制于负载,因而发动机可以工作在其高效区,类似于串联式混合动力,而发动机部分功率直接传递到传动系统,没有能量的多次转换,效率较串联式的更高,但这种系统结构相对较为复杂,成本也更高。目前混合动力汽车商业化成功的代表丰田Prius正是采用的这种混联式混合动力结构。混联式混合动力系统的结构如图1-3所示: 图1-3串联式混合动力1.2.2 纯电动汽车纯电动汽车(Battery Electric Vehicle , EV是单一地采用可充电电池作为储能装置并提供电能由驱动电机来驱动行驶的汽车。纯电动汽车由动力电池储存的电能驱动,行驶过程中无废气排放。电动汽车的机械结构相当内燃机车更为简

24、单,行驶时华中科技大学硕士学位论文的噪声很小,而无内燃机车行驶时造成的噪声污染。电动机在用作汽车的牵引动力装置时,有着接近理想的转矩-转速特性,使得驱动系统不需要多档的传动装置,结构大大简化,成本降低6。另外电机的能量转换效率也较内燃机高。但相对内燃机车或是混合动力汽车,纯电动汽车也有其弱点。目前动力电池的储能容量还不能完全满足需求,这限制了纯电动汽车的续航里程和行驶范围,另外居高不下的锂电池成本使得纯电动汽车相对内燃机汽车成本更高,充电基础设施建设滞后使得纯电动汽车存在充电难的问题等78。近几年来纯电动汽车取得了长足的发展,各大汽车厂商纷纷推出纯电动车型,已有多款纯电动汽车在市场上销售。这其

25、中最具代表的有TESLA的MODEL S、宝马i3、日产聆风、雪佛兰沃蓝达等,这些纯电动车型在续航里程和可靠性上已经能够满足商业化的要求,虽然它们的成本高于传统的汽油车,但依靠着各国政府财政补贴或是其它政策上的优惠,它们在市场上取得了不错的销售成绩,并且销量正不断扩大。在我国,纯电动汽车近几年发展也十分迅速,比亚迪、上汽、江淮等汽车企业都推出各自的纯电动车型,且在市场上取得了不错的销售量。1.2.3 燃料电池汽车氢燃料电池将氢气和空气中氧气发生电化学反应而产生电能,驱动电机运转,从而产生汽车行驶所需的动力。氢燃料电池的燃料是氢气和氧,排放物为水,真正实现了零排放9。相对于纯电动汽车,燃料电池汽

26、车更接近于人们对传统汽车的使用习惯,它续航里程比依靠动力电池作储能装置的纯电动汽车更远,而且加氢过程比充电需要的时间更短。然而燃料电池汽车面临的最大挑战的是氢气的制备、储存和运输。即使燃料电池汽车本身不存在技术障碍,却还是面临着加氢网络基础设施建设难度太大的问题,纯电动汽车则可以利用现在的电网来运行。燃料电池汽车被认为是汽车长期发展的方向10。日本已经在燃料电池汽车技术上取得了领先地位。本丰田公司已经发布了命名为mirai的氢燃料电池汽车,其动力系统最大输出功率达到114KW,从静止加速支华中科技大学硕士学位论文100km/h仅为9.6秒,其续航里程可达483km,一次加氢过程只需要3分钟。而

27、且其成本也控制在可以商业化的程度,引起了社会各界广泛的关注。1.3 BMS及其发展现状1.3.1 动力电池的基本要求动力电池是为电动汽车、混合动力汽车、电动自行车等提供电能,带动其驱动电机为它们提供驱动力的储能装置。对于纯电动汽车或是混合动力汽车,动力电池只有满足一定的技术要求,才能使汽车具有良好的性能。具体来讲,对动力电池有基本要求有:必须为可充电电池,即为二次电池;能量密度高,这样才能以更小质量的电池储存更多的电能,保证电动汽车的续航;功率密度高,能够以较大的放电倍率放电,以适应汽车在爬坡、加速时的功率需求;循环寿命长,动力电池必须有较长的使用寿命,否则,电动汽车需要频繁地更换电池,影响电

28、动汽车的使用成本;较低的自放电率,无记忆效应;较高的安全性等1112。表1-1 几种主要可充电电池的技术参数 二次电池即可充电电池,技术相对成熟应用较广的主要有几中,它们的主要性能参数见表1-113。由表表1-1可知锂电池相对其它二次电池来说,在比能量、比功率、循环寿命等方面都更能满足电动汽车对动力电池的要求,是目前动力电池的主要选择14。然而锂电池也存在着一些缺点:过充过放的会使其寿命受损甚至损坏华中科技大学硕士学位论文电池、低温下性能衰减影响使用、高温下可能会起火甚至爆炸存在安全隐患等。因而在使用锂电池作为动力电池时必须对它进行严密可靠的保护。另外,锂电池单体间的一致性差,在经过串并成组以

29、后,单体间的不一致性会降低电池组的充放电性能。锂电池目前由于生产工艺较为复杂,成本高价格贵。锂电池的这些缺点使得在采用它作为动力电池时,必须为其配备功能完备、可靠性高的管理系统,对其进行实时的监管和控制,以确保其安全性并发挥其最佳的性能15。1.3.2 BMS发展现状驾驶员必须清楚地了解当前动力电池的剩余电量等状态信息,就像要了解汽车油箱中还剩多少燃油一样。电池管理系统就是对电动汽车的动力电池进行必须的保护和管理的智能电子模块,它的主要功能是对动力电池组进行状态数据采集、充放电保护、热管理、SOC估计、单体均衡、与整车和充电设备通讯等16。电池管理系统是纯电动汽车和混合动力汽车的核心部件之一,

30、它不仅决定了动力电池组的性能表现,而且还与动力电池的使用寿命和安全性有关,而动力电池又是纯电动汽车中制造成本最高的部件。因而对电池管理系统进行研究,可以降低电动汽车制造和使用成本、改善电动汽车性能和提高电动汽车安全性,在目前新能源汽车发展迅速、纯电动汽车市场不断扩大的背景下具有十分重要的意义17。电池管理系统的研究与设计工作是伴随着现代电动汽车的发展同步进行的。近年来由于环境问题不断得到重视,纯电动汽车与混合动力汽车又重新成为汽车行业的焦点,一些国际汽车企业与电池厂商在动力电池管理技术上投入了相当的资源,展开相关的研究。在系统产品层面,许多厂商都成功地开发出了各自的电池管理系统,并在电动汽车上

31、得到了应用。在同一时期中比较有代表性如德国的Mentzer Electronie GmbH设计的BADICOACH系统、美国Aerovironment公司开发Smart Guadr系统等18。近几年来电动汽车取得了长足的发展,国际汽车市场出现了多款商品化的纯电动汽车,并取得了不错的销量。高效可靠的电池管理系统是这些它们成功的关键。MODEL S的动力电池采用7623颗松下电池公司的18650标准尺寸圆华中科技大学硕士学位论文柱电芯经过复杂的串并联组合而成,充满电可支持整车重量超过两吨的MODEL S 行驶500km。要让这么多的单体电池高效协调可靠的工作,可以说其核心技术就在其电池管理系统。在

32、SOC估算等核心算法方面,国外各汽车企业的研究人员、高校的专家学者也都展开广泛细致的研究工作。目前,国内外学术界已提出多种SOC估算方法,如开路电压法、安时积分法等。开路电压法是根据电池开路电压与电池SOC之间的关系来估计SOC的19,但由于开路电压只有在电池静置较长时间恢复平衡之后才能准确测量,使得这中方法不能应用于电动汽车中的实时动态SOC估计19。而安时积分法则是将电池的充放电电流对时间积分计算出电池的充放电量来计算SOC,这种方法需要标定SOC的初始值,且由于电流的测量存在偏差,使安时积分法会存在着累计误差,电池工作的时间越长,误差就会越大,严重影响估算的精确度。另外,也有学者研究将神

33、经网络法、卡尔曼滤波法、模糊控制法等智能算法应用于SOC估算中20。1.4 本文的研究内容和主要工作本文首先对BMS的主要功能作了详细的分析,对动力电池组的SOC估计方法。研究了锂电池Thevenin模型的参数识别方法,将开路电压法、安时积分法和扩展卡尔曼滤波法结合起来用于SOC估计。基于以上理论研究,为某混合动力公交车的动力电池开发了一款BMS样品。该BMS采用主从式结构,主控制模块主要对负责总电压总电流的信号采集、动力电池的SOC进行估计、绝缘检测、与整车通讯等功能,从控模块实现单体电压、电池组温度采集和单体均衡等功能。BMS的测试目前还没有统一的标准或规范,针对BMS测试的设备也比较少见

34、。为了检测该BMS 的功能和精度创新性地设计了BMS测试验证系统,对该系统的输出精度作了详细的测试,数据表明其输出信号具有良好的精度,可以用于BMS的测试。华中科技大学硕士学位论文2 电池管理系统及其SOC估计算法的研究2.1 BMS功能分析电池管理系统(BMS是纯电动汽车和混合动力汽车等备有动力电池储能系统的车辆的核心部件之一。锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、单体电压高等优点,是目前新能源汽车储能电池的主要选择。但锂离子电池也存在高温下易着火,过充或过放时易损坏,所以必须通过可靠的电池管理系统对锂电池组进行保护,驾驶员也需要了解电池组的电能状态,获取续航信息,就像驾驶员需要知道油箱中还

35、剩余多少汽油一样。2.1.1 电池组状态参数的实时采集电池管理系统(BMS的保护、均衡及热管理等功能都是建立在对电池组的参数的实时测量的基础上。所以测量功能BMS最基本的功能,主要包括对单体电池电压、温度测点温度、环境温度、电池包总电压、电池包总电流等参数的实时测量。单体电压是判断锂电池过充或过放的主要参数,同时也是估算各单体的SOC 的重要参数,因此必须实时地精确地对电池包内各单体电压进行实时采集。为了保证电池包在安全高效的区间工作,必须对电池包温度与环境温度进行实时采集,并进行相应的热管理。充放电电流也是动力电池组工作过程中的重要参数,它是估算电池组SOC必不可少的参数,充放电电流太大会缩

36、短电池的使用寿命,严重时甚至损坏电池,因此充放电电流也必须进行实进采集并进行相对应的保护措施。总而言之,对电池组各项参数进行实时精确的采集是对其进行精细控制管理的基础,是BMS最基本的功能21。2.1.2 管理功能对动力电池组的高效管理是BMS的主要功能,电池组的管理功能包括保护、热管理、单体电池均衡等2223。作为目前纯电动汽车和混合动力汽车的动力电池的最佳选择,锂电池也存在着一些不可忽略的缺点:锂电池会在被过充超过一定的电压时会迅速损坏甚至着火;过华中科技大学硕士学位论文度放电到一定的电压以下时会损坏;在安全工作的温度区间以外时锂电池的寿命会显著缩短甚至着火;锂电池大电流充放电会影响其使用

37、寿命等。由于这些缺点,在使用锂电池必须对起进行高度可靠的保护,在安全性要求非常高的汽车上,对动力电池的充放电保护更是如此。在对锂电池组的单体电压、温度、充放电电流进行高速实时采集的基础上,设计有效的控制策略对锂电池组的充放电过程进行保护以保证锂电池组的性能和寿命是BMS的主要功能。由于锂电池的充放电过程主要是靠其内部复杂的电化学反应来实现的,因而锂电池对温度比较敏感。锂电池内部温度及环境温度都会不仅显著地影响锂电池的性能表现,而且还会影响到锂电池的使用寿命和安全。所以,BMS对电池组的管理必须使电池组工作在安全高效的温度区间,这主要是通过驱动风扇(风冷式或加热器进行强制散热或加热来实现的。当电

38、池包局部温度高时,冷却风扇启动进行强制散热;当电池包温度低影响其放电性能时,加热器启动对电池包进行加热使其工作在高效的温度区间。为了达到电动汽车对动力电池的容量和功率要求,动力电池一般由大量的单体电池经过复杂的串并联连接在一起组成。BMS对电池组进行管理的另一项重要功能就是单体电池间的电量平衡。由于各电池单体在制造过程中存在不一致性,以及反复发生的不一致的充放电过程,电池组内各单体间在SOC、自放电、内阻和容量等参数上都存在着不一致性,这种不一致性会影响到电池组的充放电性能。为了发挥动力电池组的最佳性能,必须对各单体电池进行均衡,使各单体的SOC尽量相等。2.1.3 SOC和SOH估算SOC(

39、State of Charge反映的是电池剩余的电量状态,而SOH(State of Health从字面上理解是电池的健康状态,是反应电池的老化程度和性能衰退的重要参数。对纯电动汽车,车辆全部靠动力电池存储的电能来提供驱动力。电池管理系统必须准确地上报电池的电量状态,以便驾驶员判断行驶的里程和决定是否需要充电,如同传统汽车的油箱中的油量一样。对于PHEV或ER-EV来说,动力电池SOC 是整车控制器或能量管理系统实施控制策略的重要参数。对于车辆所有者来说,准华中科技大学硕士学位论文确地了解车辆的状态包括电池折旧的状态是必要的。因而对动力电池组的SOC和SOH进行估算亦是BMS必备的功能24。2

40、.1.4 与外部通信当使用充电桩对动力电池组充电时,需要BMS与充电机进行通讯以以充电过程进行控制,对动力电池进行有效的保护。当电池组放电时,BMS则需要与整车控制器通讯,对放电过程进行必要的保护。另外电池组的各状态数据也需要在仪表盘上显示,所以BMS也需要具备与外部通讯的功能。2.2 SOC定义及影响因素对动力电池组的SOC等状态参数进行估算是BMS的核心功能,SOC估算的精度是BMS关键的性能指标之一,各单体之间的均衡控制是基于SOC估算来实现的,它也会影响到整车控制策略的执行或是驾驶人员的判断。因而SOC估算算法显得十分重要,设计更优的估计算法是BMS领域和新能源汽车领域研究的热点之一。

41、2.2.1 SOC的定义通常用SOC用来表征电池的电量状态,其数值上等于电池剩余的电量跟标称容量的百分比。一般所指的SOC定义如式(2-1所示25: (2-1式中,Q C是电池的剩余电量;Q I是电池当放电电流恒定为I时电池能够放出的总电量。它只能用来计算充放电电流不变时的荷电状态,在电流不为恒定时,该定义会出现矛盾或是不适用的情况。文献26将SOC定义分为标称荷电状态SOC B 和动态荷电状态SOC D两种情况,这样的定义方式可以使SOC的概念更加清晰,在进行SOC的估计时分类。2.2.2 影响SOC估计和因素锂电池作为电化学储能装置,其实际容量显然并非固定不变的,而是随着其自华中科技大学硕

42、士学位论文身的状态和环境因素变化的。锂电池的实际容量会受到环境温度、放电电流(放电倍率、自放电及电池老化等因素的影响,在估算动力电池的SOC时,这些因素必须考虑到,才能得到更为精确的估算结果。(1温度:电池性能表现的对温度比较敏感。当温度较高时,正负电极材料活性高,电解液电迁移率大,有利于化学反应的发生,电化学反应速率快,使电池能释放出更多的电量,当然温度过高时锂电池易起火或是爆炸,会造成安全问题;温度低时,电化学反应相对放慢,电池释放的电量减少27。因此,SOC的估算精确度会受到温度影响,需要在计算中进行修正。(2充放电电流:不同放电倍率下锂电池电压与SOC的对应曲线如图2-1所示28。电池

43、放电电流的大小,对电池的实际放电容量有影响,在其它影响因素相同的情况下电池以不同的电流放电,放出的电量会不同。放电电流小的电池可以放出更多电量。因为在电池内的化学反应时会有某些生成物产生,这些生成物会分布电池内部,但当电池电流较大时,电极周围的大量生成物不能及时扩散出去,会积聚在电极上,这些生成物会阻碍锂离子的移动和正常的化学反应。使电池输出的实际电量减少29。 图2-1 不同放电分辨率下锂电池端电压与SOC的关系华中科技大学硕士学位论文(3自放电:电池在无负载的情况下,电量会慢慢消失的现象被称为自放电,任何电池都会有不同程度的自放电。经过长时间的存放,电池内部的活性物质会自我消耗。电池存放环

44、境温度越高,电池的自放电率就越大。锂离子电池应该在温度较低的环境下存放。自放电也会造成SOC估计的偏差,需要加以修正。(4电池自身的老化:当电池进行多次循环使用后,电池内部材料活性降低,电池发生老化,电池的性能也会改变。电池老化的快慢主要取决于电池的充放电过程和使用方式。当电池经常以不当的方式充放电时或是经常发生过充或过放时电池的老化会变快。电池的老化会导致其能够存储和放出的电量下降,因而在进行SOC估算时,必须用电池的循环工作次数修正电池容量衰减的影响。2.3 SOC常用估计方法2.3.1 开路电压法 图2-2 典型的OCV-SOC放电曲线华中科技大学硕士学位论文电池的SOC与其实开路电压(

45、OCV: Open Circuit V oltage存在着一定的对应关系。典型的锂电池SOC-OCV关系曲线如图2-2示。我们可以通过实验测定得到准确的SOC-OCV关系数据,并以表格形式存储起来。在实际估算SOC时,测量电池的开路电压并查表即可得到对应的SOC值。开路电压法有很大的局限性。首先,开路电池在充放电结束后有一个恢复过程,开路电压必须让电池静置一定时间待其恢复平衡后才能测得准确的开路电压,这个静置时间一般在一个小时以上,这不符合电动汽车在线实时估算电池组SOC的要求。其次,SOC-OCV关系受温度影响,测得的某一OCV值在不同的温度下对应的SOC是不同的,这使得要通过查表法获取SO

46、C时要考虑温度变量,要通过实验测定的数据和存储的数据量变得庞大许多,使得此方法实施成本较高。再次,从图中可以看出在SOC处在约30-90%的区间,SOC-OCV较为平坦,即OCV随SOC变化并不明显,考虑到OCV的测量存在误差,此若在此区间则估算结果可能会有较多误差。虽然开路电压法存在着这些局限性,但它依然具有一定的实用性。开路电压法可以用于停车时动力电池的SOC估计,为安时计量法提供SOC初始值和修正等,可以与安时计量法、卡尔曼滤波法联合使用组成完整的SOC估算方法30。2.3.2 安时积分法安时计量法实质是将电池充放电电流对时间积分,获得该段时间内流入或流出电池的电量,计算电池SOC的变化

47、量从而得到SOC的估计值。安时积分可以精确计算电池组的SOC,是实验室环境下测试电池充放电效率和验证其它SOC算法精度的主要方法。在应用于电动汽车动力电池组SOC估算时,则存在着一些缺陷,主要包括几个方面:电动汽车的行驶工况复杂,使得动力电池的放电电流变化很大,电流的采集误差较大,使得这种方法存在着误差,且会随时间累积;安时计量法需要其它方法辅助来标定SOC的初始值;另外在使用安时计量法的时候必须考虑温度、充放电效率、自放电、SOH等影响电池容量的因素,需要大量的实验来建立经验公式或表格,过程较为复杂。安时计量法一般需要结合其华中科技大学硕士学位论文它的估算方法才能较为精确地估计SOC31-3

48、3。2.3.3 内阻法电池内阻可以分为直流内阻与交流内阻,它们都与电池的剩余电量有着复杂的关系,可由它们之间的关系建立SOC与电池交流内阻之间的静态模型。内阻法是在电池两极外加不同频率交流电压,来测得其交流内阻,以利用建立的交流内阻与SOC之间的关系模型来估计SOC的方法。这种方法存的一些缺点使其只能用于少数特殊情形,在电动汽车并不具有实用性。其主要问题有是:电池的交流内阻受到温度、电池老化、充放电状态等诸多因素的影响,SOC与交流内阻无法找到确定的一一对应关系,只适用于少数特殊的情况;电池有交流阻抗与其化学特性、制作工艺都有关系,因而此方法通用性很差;外加的交流电流频率不同时,计算出来的交流

49、阻抗一般存在差异;在电动汽车的电池管理系统中应用比较困难34。2.3.4 神经网络法电池是一个复杂的非线性系统,对其建立准确合理的数学模型十分困难。而非线性是神经网络的基本特性,它能根据相应的外部输入给出对应的输出,适合应用于模拟电池的动态特性,估算电池的剩余电量和SOC值35。在电池的动态特性模拟与SOC估计中应用神经网络法时,一般将其分为三层,即为输入层、输出层和中间层。对于输入层和输出层来说,神经元数目根据需要来确定,而中间层的神经无数量则需要考虑问题的复杂程度和精度限制并根据它们来确定。在采用神经网络法估算电池的SOC时,其输入一般是电池的电压、电流、温度、内阴等状态参数。神经网络法在

50、模拟电池的动态特性和SOC估算上具有较好的通用性,适用于各种类型的电池。若能建立良好的网格模型并进行大量的数据训练,能获得较高精度。其缺点是方法比较复杂、学习速度慢训练时间长且其精度也会受到训练方法和训练数据的影响、需要大量的实验数据来对参数进行训练实际应用成本和代价较高等。目前神经网格法用于电池SOC估算仍处于理论研究计算机仿真的阶段,还没有得到实际应用36。华中科技大学硕士学位论文2.3.5 卡尔曼滤波法卡尔曼滤波算法是一种以最小方差作为准则来寻求最优估计的算法。采用卡尔曼滤波来估计电池的SOC时,电池作为一个动态系统,需要建立电池模型,并在根据模型的参数列出系统的状态方程和输出方程,并按

51、照卡尔曼滤波计算的步骤来估计系统的状态,SOC作为一个变量包含在系统的状态向量中。卡尔曼滤波用于估计电池的SOC时,若能建立准确的模型,则能得到比较好的估算精度。但如果模型不准确的话,尽管经过复杂的计算,其精度依然不高。所以卡尔曼滤波非常依赖准确的系统模型,且计算量大35。相对于电子类产品来讲,电动汽车要求动力电池具有更好的性能和更高的可靠性与安全性。电动汽车行驶的工况波动较大,电池组的放电电流随之变化较大,且汽车在加速爬坡时功率需求较大,电池组需要较大电流来满足大功率需求。同时汽车行驶的环境变化,使得动力电池所处的温度等环境条件等多样化,这对增加了汽车动力电池SOC计算的复杂度37,考虑到这

52、些因素对于车用动力电池的SOC估计有以下的要求:(1采用的SOC算法应该有较高的估计精度。动力电池组是纯电动汽车唯一的能量来源,为了缩小动力电池的设计成本提高其能量利用率,并为驾驶员报告准确的车辆续航信息,SOC估算误差一般不能高于10%,准确的估计SOC 估计也可以保证动力电池不被过充或过放而导致其使用寿命下降。(2SOC必须是实时在线估计的。动力电池组SOC值关系到整车控制策略,在汽车行驶中需要根据SOC来调整对车辆的控制方法,所以必须实时地对SOC进行估算,这就对系统数据采样单元和算法执行单元的设计提出了更高的要求。(3要考虑安时计量的累计误差问题。采用安时计量法估计SOC时,电流采集的

53、误差会引起累积误差,使SOC 估计误差偏大,所以在电动汽车BMS中安时计量法并不适合单独使用。(4应该考虑到SOC初始值的偏差并对其进行修正。电动汽车停车时,动力电池组就处于静置状态,自放电的发生会影响其荷电状态,车辆再次启动时其SOC已经发生变化,而非BMS的记录值。因此,估计算法必须能够对存SOC 初始值进行修正,以提高估计精度。华中科技大学硕士学位论文由电动汽车对SOC估计精度的要求比较高,必须设计出更加合理更加科学具有更强的适应性的计算方法,才能满足其要求。2.4 卡尔曼滤波算法2.4.1 卡尔曼滤波法Kalman滤波算法是一种比较成熟的动态系统状态估计算法,它被广泛应用于动态系统控制

54、、目标跟踪、全球定位和通讯等领域。卡尔曼滤波器包含了一系列递规方程。锂电池在内任何的因果动态系统,它们的输出由过去和当前的系统输入来决定。卡尔曼滤波处理方法是用一个状态向量来表征系统当前的状态,这个状态向量包含了系统的各项状态变量,状态向量将所有过去输入对系统的影响概括为系统的当前状态,而系统的当前外部输出由系统状态和当前输入共同决定。这样历史输入数据无需存储。(2-2 (2-3 式(2-2称为系统状态方程,(2-3称为系统的输出方程,它们表示一个线性动态系统的离散状态空间模型。式中表示系统的状态向量,是系统的外部输出u k是系统控制输入向量,是系统的过程噪声向量,是系统的测量噪声向量。而、则

55、是描述系统动态特性的矩阵,建立系统模型主要就是获得这些特性矩 阵,它们往往是随时间变化的。线性系统的模块框图如图2-3所示。标准卡尔曼滤波在采样时刻k处,会利用前一时刻的状态估计值对先作状态预测得到其状态预测值测,再利用观测到的系统输出Y k对预测值作修正得到k时刻的状态估计值,修正后的估计值参与下个采样时刻k+1的状态估计。其估计系统状态的计算过程为:(1初始化状态向量和均方估计误差;(2根据状;(4用卡尔态方程估计当前状态向量和均方估计误差;(3计算卡尔曼增益L 华中科技大学硕士学位论文曼增益L k修正状态向量和均方估计误差的预测值,得出最优估计38-41。 图2-3 线性离散时间状态空间

56、模型2.4.2 扩展卡尔曼滤波对于线性系统而言,标准的卡尔曼滤波是一种很好的状态估计方法。但是标准卡尔曼滤波并不能适应非线性系统,而实际当中很多动态系统都是非线性的。当要对非线性系统进行状态估计时,需要在每一个计算周期对其进行线性化处理,再利用标准卡尔曼滤波对其进行状态估计。描述非线性系统的状态空间模型如式(2-4和(2-5所示。(2-4 (2-5 表示非线性系统状态转移函数,表示非线性系统的测量函数。非线性系统的模块框图如图2-4所示。 图2-4非线性离散时间状态空间模型华中科技大学硕士学位论文对非线性系统的线性化是通过对和进行一阶泰勒级数展开来实现的。线性化处理之后,其余的计算过程与标准卡

57、尔曼滤波相同42。2.5 本文采用的SOC估计方案开路电压法需要电池静置来恢复平衡,停车状态正好满足这种条件。利用实验获取比较准确的OCV-SOC曲线,并经数据表的形式存储在BMS中。并在车刚启动时系统查表获取当前SOC,为安时积分法提供初始值。扩展卡尔曼滤波法虽然具有较好的精度,但其涉及以大量的矩阵运算,对处理器的要求很高,采用它作为基本方法会增大系统的成本却未必能获得期望的精度,因而将卡尔曼滤波法作为一种辅助方法来修正安时积分法的误差。将它作为辅助方法时,只需要取一个合适较长的采样时间即可避免运算量太大的问题。安时积分法是优点是计算过程简单实用,但其产生累积误差的问题无法避免。这三种方法单独用来计算SOC时都会有局限性,本文将安时积分法、开路电压法和扩展卡尔曼滤波三各方法结合起来以提高SOC估计和精度。2.5.1 等效电路模型要用扩展卡尔曼滤波法较精确估计系统的状态,必须要对系统建立良好的模型,