硕士论文-纯电动汽车电池管理系统的研究.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 纯电动汽车电池管理系统的研究 姓名：张巍 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：王艳 20080601 中文摘要 摘要：随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其 零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。作为发 展电动车的关键技术之一的电池管理系统( b m s ) ，是电动车产业纯的关键。本课题 配合“基于开关磁阻电机的电动汽车的研制”，研制适用于纯电动汽车的电池管 理系统。 电池管理系统直接检测及管嚣电动汽车的储熊电邀运行的全过程，包括电洼 基本信息测量、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断几个方面。 本论文主要工作是研制适用于纯电动汽车的蓄电池管理系统。研究铅酸蓄电 池二阶模型的建立与剩余容量的卡尔曼滤波估冀方法。分析铅酸蓄电池的基本工 作原理和影响蓄电池缌剩余容量s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 的主要因素。 介绍了基于d s p 2 4 0 7 的蓄电池组控制器的硬件平台，完成d s p 小系统、电池 数据采集电路、信号调理电路、c a n 总线相关电路等硬件电路设计、调试、完善。 独立完成系统所有软件设计，包括：主程穿设计，电池基本信息检测子程序设计， 电池剩余电量卡尔曼滤波估算程序设计，电池状态检测子程序设计，c a n 收发子 程序设计，e e p r o m 读写子程序设计。 最籍，在电动汽车上搭建实验平台，将铅酸蓄电池组与设计的软硬件系统联合 进行调试、试验。测得了相关数据。试验结果表明，本文介缓的电池管理系统硬 件电路可靠、经济、抗干扰能力强。可以实现：电池电压、电流、温度的模拟量 采集；剩余电量的计算和电池状态的判断；实时显示，故障时报警等b m s 相关功 能。 关键词：电池管理系统；s o c ：卡尔曼滤波；d s p ；c a n 分类号：t m 9 1 2 9 l 匕塞銮道太堂亟堂位i 佥塞旦墨至至 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n t ，i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n te n e r g yi s s u e sa n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni s s u b 鼯，p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sw i t hz e r oe m i s s i o n s ，l o wn o i s e a d v a n t a g e sa r eg e t t i n gg r o w i n ga t t e n t i o nb yt h ew o r l d ，k n o w n 鸽t h eg r e e nc a r b a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m ( b m s ) ，硒o n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rd e v e l o p i n ge l e c t r i c v e h i c l e s ，i st h ek e yo fe l e c t r i cv e h i c l e si n d u s t r i a l i z a t i o n t h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n t o fb m si sap a r to fp r o j e c t - “ t h er e s e a r c h & d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l eb a s e do n s r m ” b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e md i r e c td e t e c t sa n dm a n a g e st h ep r o c e s so fe l e c t r i c v e h i c l e s b a t t e r yo p e r a t i o n ，i n c l u d i n gc h a r g ea n dd i s c h a r g ep r o c e s s ，t h eb a t t e r y t e m p e r a t u r e ，c o n s u m p t i o ne s t i m a t e s ，t h eb a l a n c eb e t w e e nm o n o m e rb a t t e r i e s ，a n d b a t t e r yf a i l u r ed i a g n o s i s t h i st h e s i si sd e v o t e dt ot h es t u d yo fp u r ee l e c t r i c v e h i c l e s s t o r a g eb a t t e r y m a n a g e m e n ts y s t e m ， s e c o n d o r d e rm o d e lo fl e a d a c i db a t t e r ya n ds o ce s t i m a t i o n b a s e do nk a l m a na r es t u d i e d t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fl e a d a c i db a t t e r i e sa n d t h em a i nf a c t o ri m p a c to ns o c ( s t a t eo fc h a r g e ) o f b a r e r ya r ea n a l y s i s e d t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb m sh a r d w a r ep l a t f 0 1 t nb a s e do nt h ed s p 2 4 0 7 ， c o m p l e t e sd s pm i n i m u ms y s t e m ，b a t t e r yd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t ，c a nb u s - r e l a t e dh a r d w a r ea n ds oo n , i n c l u d i n gc i r c u i td e s i g n ，d e b u g ，a n d p e r f e c t ，f i n i s h e sa l ls o f t w a r ed e s i g no fs y s t e m ，i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m ，b a s i c i n f o r m a t i o no fb a t t e r yd e t e c t i o nr o u t i n e s ，t h eb a t t e r ys o ce s t i m a t e sb a s e do nk a l m a n p r o g r a m ，b a t t e r ys t a t ed e t e c t i o ns u b r o u t i n ed e s i g n ，c a nt r a n s c e i v e rs u b r o u t i n ed e s i g n ， a n de e p r o mr e a d i n ga n dw r i t i n gr o u t i n e s f i n a l l y , s t r u c t u r et h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo nt h ee l e c t r i cv e h i c l e s ，c o n n e c t i n gt h e l e a d 。a c i db a t t e r yw i t hb m s e x p e r i m e n td e v i c e s ，d e b u gt h ew h o l es y s t e mi n c l u d i n gt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h er e s u l tp r o v e st h a tt h i sb m sd e s i g n e di n t h i st h e s i si s r e l i a b l e ，e c o n o m i c ，a n dh a ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y t h es y s t e mc o u l d i m p l e m e n ts i g n a l ss a m p l e , s o cc o m p u t a t i o na n dd i s p l a y k e y w o r d s ：b m s ，s o c ，k a l m a n ，d s p , c a n c l a s s n o ：t m 91 2 9 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经论文麴全部或部分内容编入有关数据痒进行检索， 并采用影印、缩印或捆描等复制手段保存、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。 ( 保密豹学位论文在解密瑟适瘸本授权说明 学位论文作者签名： 导师签名： 签字目期：年月 翻 签字r 期： 年 月r 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翻致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成票，也不包含为获褥j 艺京交通大学或其他教育枫构的学位藏证书 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贾献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签铝： 签字日期； 年月网 7 0 致谢 本论文的工作是在我的导师王艳教授的悉心指导下完成的，王艳教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王艳 老师对我的关心和指导。 在此还要感谢这两年中曾经给与过我指导的电气学院的各位师长，你们渊博 的学识、高尚的人品和对电气事业的贡献使我深深感到作为一个电气学子的骄傲 与肩负的重担。感谢你们对我的教诲。 在实验室工作及撰写论文期间，王贵刚、董亮、张静娴等同学对我论文中的 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。 1 引言 1 1 电动汽车电池管理系统概述 随着社会的飞速发展，汽车在整个社会进步和经济发展中扮演着非常重要的 角色。汽车工业的迅速发展推动了机械、能源、橡胶、钢铁等支柱产业的发展。 然而，随着全球汽车总有量的增加，汽车尾气的排放已经成为大气污染的主要原 因，同时世界石油资源的f 1 趋紧张，石油价格始终居高不下，这些都迫使人类需 要研制出无污染和节能汽车。由于电动能源具有突出的优势，使得电动汽车的开 发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车具有无排放污染、噪声低、易 于操纵、维修以及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，它 是解决人类巨大能源和环境压力的有效途径。因此，电动汽车是2 l 世纪汽车的发 展方向【i 】。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。如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿命是电池管理系统研 究的关键部分。 1 1 1 电池管理系统的国外研究状况【2 】【3 】 随着近年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电 池供应商针对各种电池作了大量研究及试验，总结出电池的数学模型，并成功开 发出许多电池管理系统装在车上试用。比较有代表性的有：德国m e n t z e re l e c t r o n i e g m b h 和w e m e rr e t z l a f f 为首设计的b a d i c h e q 系统及b a d i c o a c h 系统；德 国的b h a u c k 设计的b a t t m a n 系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车e v i 上 的电池管理系统；美国a e r o v i r o n m e n t 公司开发的s m a r tg u a d r 系统( l o n g l i f e b a t t e r yu s i n gi n t e l l i g e n tm o d u l a rc o n t r o ls y s t e m ) ；美国a cp r o p u l s i o n 公司开发的 名为b a t o p t 的高性能电池管理系统；日本丰田的混合车用系统。 ( 1 ) b a d i c h e q 系统及b a d i c o a c h 系统 b a d i c h e q 系统是在1 9 9 1 年开始设计的，并于1 9 9 1 年1 2 月首次装车实验， 经过不断的实验和修改，于1 9 9 2 年4 月达到如下功能： 能同时对2 0 个电池单元进行电压测量； 能进行电流和温度测量； 能根据电池单元对主充电机的充电电流进行控制； 能用一个小的充电机对单个电池进行均衡充电； 能储存历史数据和与p c 机进行数据通信； 在仪表盘上显示最差电池单元的剩余电量、电池电流、实际电池电量 以及各种异常报警。 b a d i c o a c h 是b a d i c h e q 系统的改进，它有以下特点： 它的一个最重要的特点是在每个电池单元上加一个非线性电路( w l c ) 来测量电压，并将一个电池组的八个单元电压都通过一条信号线传递给 b a d i c o a c h 系统，并在那里解码； 装有两条p w m 信号输国线来控制充电电流和电压髂大小； 最差电池单元的剩余电量被显示出来； 给最差电池单元以过放保护，给出停止使用信号； 对最近2 碡个充放电周期的详细数据进行存贮并允许在对电池好坯俸 判断时进行快速查找电池基本信息和错误使用情况； 与p c 机数据传送采用r s 2 3 2 标准。 ( 2 ) b ai “ a n 系统 b a t t m a n 电池管理系统强调了将所有的不同型号动力型电池组的管理做成 一个系统，通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的办法，来实现对不同 型号电池组的管理。之所以要这样作，是根据对不同型号的电池组的管理可分为 共同的部分和特殊昀部分。两且共同的部分占缀大的比重，这些共露的部分是： 决定电池能存贮的电流能量； 决定最弱电池单元的剩余电量； 能影响电池的运行帮数据的记录； 温度的测量。 ( 3 ) e v i 的电池管理系统 通用汽车公司推出的e v i 电动汽车由2 6 个锚酸蓄电池供电，放电深度8 0 ， 电池寿命是4 5 0 个深放电弱期，1 1 3 公里市内行驶量程f 美国环保局指标，u s a e p a s 洲u l e ) ，1 4 5 公里高速公路行驶里程( 美国环保局指标，u s ae p as c h e d u l e ) 。 e v i 的电池管理系统概念定义包括四个组成部分： 电池模块( 用于汽车驱动和其它用毫系统) ； 软件b p m ( b a t t e r yp a c km o d u l o ； 电池组热系统； 电池组高压断电保护装置。 可见，e v i 的电、邈管理系统的核心是b p m 。b p m 有以下功能： 单电池电服监测； 电池组电流分流采样； 电池缓高愿保护( 保险丝) ； 六个热敏电阻进行温度采样； 2 以电池组的平均特性控制充电； 过放电报警并降低电动汽车行驶性能； 电量或里程计算； 高压回流继电器。 总的说来，e v i 的电池管理系统与一般意义上的电池管理系统有区别，它把系 统侧重点放在了电池组的可靠性( s a f e t yf e a t u r e s ) 上。e v i 电池管理系统的可靠性措 施有： 电池组高压断电保护装置； 手动断电开关； 地线绝缘失效检测； 自动开关与手动开关连锁。 ( 4 ) s m a r tg u a r d 系统 这个系统的主要特点是在电池上装有一个分布式的管理装置( 用了专用i c ) 来 测量电池的电压和温度，在主控部件有信号来时还可起动电流旁路电路。 s m a r tg u a r d 的主要功能有： 过充检测并防止过充； 提供放电极性反向报警； 电池历史记录和归档； 提供最差电池单元的剩余电量信息。 ( 5 ) b a t o p t 系统 该系统由每个电池上的监控模块和中心控制单元组成一个分布式系统。通过 t w ow i r e 总线，监控模块向主控单元报告电池电压、温度等信息，主控单元收集单 体电池信息后，提供手动和自动充电策略，它有如下特点： 每个模块提供5 安培的均充电流； 模块有温度监控； t w o w i r e 总线接口。 1 1 2 电池管理系统的国内研究状况 我国对电动车的发展十分重视，在“十五“ 规划中被列为国家高科技攻关项 目，同时被列为国家“8 6 3 科技攻关项目。其中清华大学和北京理工大学以及北 方交通大学都对电动汽车的电池管理系统进行了研究。北方交通大学电池管理系 统系统结构图如图1 1 所示【7 1 ，该系统应用于动力镍氢蓄电池监测及管理，该项目 于2 0 0 2 年1 2 月通过了科技部的验收。系统实现了对电池的运行状态监控、剩余 电量估计、故障早期诊断及自动均衡充电，从而最大限度地延长电池组的寿命。 劂1 1北京交通人学电池管理系统结构图 f i g l - 1b m sd e s i g n e db yb e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y 该电涟管理系统除了上图所表示出翁几个功熊单元还包括毫涟均衡电路。整 个系统分别安装在“二汽“ 的混合动力大巴以及汕头国家电动汽车运行试验示范 区的纯电动中巴上，无论是系统的检测精度还是抗干扰能力都取得了较为满意的 结果。 2 0 0 6 年，该系统经过进一步改进，应用于= l 艺京1 2 1 路电动公交车上。网时监 控由1 0 0 多块单体锂电池组成的动力电池组。 电动汽车电池管理系统研究的要点是如何掌握蓄电池组中每个电池单元的状 态，并据此对蓄电池进行管理，合理分配系统进出能量以保持蓄电洼的一致性， 提高整个薷电池组的寿命，平滑瞬时电流的冲击，提高能量利用效率，从而提高 电动车的整车性能。 l 。1 3 毫池管理系统实现的功能 电池管理就是对电池组和电池单元运行状态进行动态监控，精确测量电池的 剩余容量，同时对电池进行充放电保护，并使电池工作在最往状态。一般褥言电 动汽车电池管理系统簧实现以下几个功能： 4 1 ) 准确估测动力电池缝麴蘅毫状态( s t a t eo f c h a r g e , 鄂s o o ，扶薅随时预摄电 动汽车储能电池还剩余多少能量或储能电池的荷电状态，使电池的s o c 值工作范 围控制在3 0 - - 7 0 。 往动态监测动力毫池组的工侔状态：瑟实时采集电动汽车蓄电池组中蔚每块 电渣的端电压和温度、充放电电流以及电池包总电压。娃l 子瞧涟组中的每块电池 在使用中的性能和状态不一致，因而对每块电池的电压、电流和温度数据都要进 行监测。当蓄电池电量或能量过低需要充电时，及时报警，以防止电池过放电而 损害电池麓使用寿愈。当电漶组的温度过高，菲蕞常工作对，及时报警，基探证 蓄电池正常工作。建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电池、 充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。 3 ) 电动汽车动力电池组的热平衡管理：电池热管理系统是电池管理系统的有 撬维戒部分，其功能是通过聪扇等冷却系统和热电阻加热装髯使电涟溢发处于正 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，使电池箱具有有效地热平衡与 迅速教热功麓，通过温度传感器测量喜然温度帮箱蠹电洼湿度，确定电池箱体酶 阻尼通风孔开闭大小，以尽可能的降低功耗。 目前，在电动汽车上实现电池管理的难点和关键在于【9 1 ： ( 1 ) 如何横据采集韵每块电池的电压、温度和充放电电流的历史数据，建立确 定每块电洼剩余能登麴较精确豹数学模型，即准确估测电动汽车蓄电港的s o c 状 态。 ( 2 ) f e 动汽车储能电池的快速充电技术及均衡充电技术。这项技术是目前世界 正在致力研究与开发的另一顼电池麓董管理系统的关键技术。 1 2 课题研究意义以及内容 1 2 1 课题研究的意义 能源枯竭和环境污染已经成为当前社会急需解决的问题。电动汽车以其独特 的节能环保的优势弓f 起越来越多的国家的重视。在电动汽车的研究和发展上，车 载电涟及其管理系统的研究与制造占据着重要的链嚣。如何有效地稍用电池的能 量，延长电池的寿命是电池管理系统研究的关键部分。电洼管理系统不仅可以健 算剩余电量s o c ，保证s o c 维持在合理的工作范围内，防止由于过充电或过放电 对电溘的损伤，提高电泡使用寿命，而且可以对故障电池做出早期预测，防止因 单体电渣损坏丽未麓及时发现造成的整缀电漶寿命降低，默嚣降低瞧动汽车运用 5 成本，提高车辆效率。因此电灌熊羹管理系统( 器m s ) 蛉研究越来越受到太们酶 关注。 1 2 2 课题研究的内容 本课题的主要目的是配合群基予开关磁阻电机的电动汽率的研制，研制适用 于纯电动汽车的电池管理系统。实现对电池电压、电流、温度数据进行采集，剩 余毫量计算，电漶状态检测，c a n 遴信等8 潲功熊。 本硕士学挝论文试验的测试对象是由2 0 个1 2 v l o o a h 铅酸电池单体串联组成 的动力电池组。 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 王) 进一步完善系统整髂方案麓设计，底层电压、毫瀛、温度斡采集方案的 改进，完成硬件的设计、改进、调试并重新绘制电路p c b 板。 ( 2 ) 建立电池二阶r c 模型和电池剩余电量卡尔曼滤波估计算法的研究。 ( 3 ) 独立完成- fb m s 系统的软佟编写及调试。 ( 4 ) 在电动汽车上措建电池管理实验平台，完成系统调试与实验。 6 2 铅酸电池的剩余容量以及s o c 估算的研究 2 1 铅酸蓄电池 2 1 1 铅酸蓄电池基本工作原理【4 】 本系统主要以铅酸蓄电池为监控对象。在此对它的工作原理和特性作简单的 介绍。 铅酸蓄电池是将物质的化学反应产生的能量直接转化成电能的一种装置。铅 酸电池由舶瓯j 下电极，p 6 负电极以及酸性电解液( 硫酸) 组成。铅酸电池的电 极反应和电池反应如下： 负极反应：p b + h s 0 4 一劭觋+ 日十+ 2 e 正极反应：p b 0 2 + 3 h 十+ h s 0 4 一+ 2 e m 畅+ 2 心d 电池反应：肋+ 肋q + 2 日+ + 2 n s 0 4 一h 2 肋s q + 2 必d 硫酸在电池中是反应物。随着放电的进行，硫酸不断减少，与此同时电池中 有水生成，这样就使电池中的电解液浓度不断降低。反之充电中，硫酸不断生成， e = e 一一丝i n 笠 n f a 愕 因此电解液浓度不断增加。 按照电化学，热力学的方法，电池反应确定之后，应用特能斯( n e r n s t ) 公 式即可计算电池电动势。 式中 e 拶标准电动势( v ) ； 以电池反应中得失的电子数； ，法拉第常数，f = 9 6 8 7 c ； r 摩尔气体常数r = 8 31 j ( k 、m 0 1 ) ： 、温度( k ) ： a p r 电池反应产物( h 2 0 ) 的活度； a 圮电池反应作用物( h z s 0 4 ) 的活度； 7 2 1 2 铅酸蓄电池主要性能指标【5 】 1 电压 ( 1 ) 电动势电池正极负极之间的电位差e 。 ( 2 ) 额定电压电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。 ( 3 ) 工作电压( 负载电厩、放电电压) 在电池两端接上负载r 后， 在放电过程中显示出的电压，等于电池的电动势减去放电电流i 在电池内阻 r 上的电压降，u = e - i r 。 ( 4 ) 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 电聪将逐渐降低，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，稃继续使用电池放电，化学“活性 物旗会遭到破坏，减少电池寿命。 2 电池容量( a h ) ( 1 ) 理论容量根据蓄电池活性物质的特性，按法拉第定理计算出的 最舞理论值，一般雳质量容量a h k g 或体积容量a h l 来表示。 ( 2 ) 实际容量在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电 时间的乘积。 ( 3 ) 标称容量用来鉴别电池的近似安时值。 ( 4 ) 额定容量按一定标准所规定的放电条彳孛下，电池应该放浅的最 低限度的容量。 ( 5 ) 荷电状态( s o 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。反映电洼容量的变化。 3 缆量( 鬻h 、k w h ) 电池的能量决定电动汽车的行驶距离。 ( 1 ) 标称能量按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量，电 池的标称能量是电池额定容量与额定电压的乘积。 ( 2 ) 实际能量在一定条件下电池所能输出的能量，电池的实际能量是电 池的实际容量与平均电压的乘积。 ( 3 ) 比能量( w h k g ) 动力电涟组单位质量中所能输出昭能量。 ( 4 ) 能量密度( w h l ) 动力电池组单位体积中所能输出的能量。 4 功率( w 、k w ) 在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量，电池的功率决定e v 的加速性能。 ( 1 ) 比功率( w k g ) 动力电池组单位质量中所具有的电能的功率。 ( 2 ) 功率密度( w l ) 动力电池组单位体积中所能输出的能量。 5 电池内阻 电流流过电池内部受到的阻力，使电池电压降低，此阻力称为电池内阻。由 于电池内阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时充电的端 电压高于电动势和开路电压。 铅酸电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻。极化内阻反应了电池在不同放电 深度( s o c ) 和放电电流下电池极化的程度，在电池放电过程中正是由于它的变化 才引起电池工作电压的变化。人们利用铅酸电池放电过程中电池内阻的变化与剩 余电量等相关量的对应关系，对电池状态进行分析和判断。 6 寿命 电池以充放电的循环次数或使用年限来定义电池寿命。有时用s o h 来表示。 循环次数：蓄电池的工作是一个不断充电专放电专充电专放电的 循环过程。在每一个循环中，电池中的化学活性物质发生一次可逆的化学反应， 随着充放电次数的增加，化学活性物质老化变质，使电池充放电效率降低，最终 丧失功能，电池报废。电池的循环次数与很多因素有关：电池充放电形式、电池 温度、放电深度、电池组均衡性、电池安装，等等。循环次数是衡量电池寿命的 重要指标。 使用年限：有时也用“使用年限”来表示电池寿命。在具体产品的生产销售 中常见。 s o h ( s t a t eo fh e a l t h ) ：则反映电池的预期寿命。是相对量，定义如下： n s o h = 鳖 c n 其中，c 肼是蓄电池预测容量；g 是蓄电池标称容量。 7 放电速率( 放电率) 一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。 ( 1 ) 时率( 时间率) 电池以某种电流强度放电，放完额定容量所经过的 放电时间。汽车用蓄电池一般用2 0 h 率容量 ( 2 ) 倍率( 电流率) 电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的 倍数。例如，放电电流为0 1 c 加，对于1 2 0 a h ( c 。) 的电池，即以0 1 1 2 0 = 1 2 a 的电流放电。c 的下脚表示放电时率。 8 自放电率( a h ( t ) - 1 ) 自放电率电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池 的容量损失的速度，自放电率用单位时间( 月年) 内电池容量下降的百分数来表 示。 9 自放电率= a h o - a h 6 。1 0 0 a h o t 式中：爿矗。电池储存时的容量( a h ) ； 么级电池储存若干小时以后的容量( a h ) ； t 电池储存的时闻( 天或月) 。 除此之外，成本也是一个重要的指标。电动汽车发展的一个瓶颈就是蓄电池 价格高。电动汽车用动力电池组的价格往往是整车价格的2 3 左右。 2 2 铅酸电池的剩余容量以及s o c 的计算 2 2 1 铅酸电池的剩余容量f l o 】f 1 】 在使用过程中电池容量受许多不确定因素的影响，因而如何根据可测的电池 参数对现存电池容量状态做出准确的估算是一个难题。目前，国内外较为普遍采 焉电遣的荷电状态$ 0 c ( s t a t e o f - c h a r g e ) 作为电漶容量状态描述参数，反映电池 的剩余容量，其数值定义为电池的剩余容量占电池容量的比值：s o c = 够 u o 式中：q c 毫池的剩余能量 c 0 电池以恒定电流i 放电所具有的容量 通常把一定温度下电池充电到不能再吸收能量的状态定义为荷电状态1 0 0 ， 两将电池再不能放出能量的状态定义为荷电状态饿。则定义也可表示为： c 小 式中：q 一电池已放出的电量 显然该式只能描述指定恒流放电工况的电池萄电状态，如果在变电流工作情 况下，该定义会出现矛盾结果。比如，一个充满电( s o c = 1 ) 的电池以某恒定的 大电流放电至终止电压，放出该放电电流所能放出的电量，按定义得到了s o c = 0 的结论，健如果再以较小的电流放电，则电洼又麓继续放电，表现出s o c 筘0 。， 即定义出现了相互矛盾。 因此在这种情况下，人们对s o c 方法进行了补充和修正。首先将电池的荷电 状态设定标称荷电状态( s o c ) 和动态荷电状态( 舳g ) 两种情况。 ( 1 ) 标称荷电状态s o c 特指某恒定温度下，以标稼的慷流放电时电池所放 出的标称容量为基准所确定的舳q 值。标称舳g 只需对电池不可恢复性容量影 l o 响因素进行修正：阳g = ( 1 一蟛殇) 宰k 一口 式中：q 电池在标定的电流下所放出的电量。 c 8 电池以标定的电流恒流放电所具有的容量。 k 电池不可恢复性容量影响系数。 ( 2 ) 动态荷电状态如c d ，指随放电电流、温度参数变化的电池荷电状态， 舳c d 以标称荷电状态如c 。为基准，根据电流的变化进行换算，温度变化以影响 系数的形式予以修正：s o c o = 如g 宰丘木f ( i ) 式中：匠温度影响系数。 i 实际放电电流。 这样处理，s o c 的定义复杂了，但是使s o c 定义概念清晰化，不会出现不合逻 辑的s o c 估计结果；并使s o c 的测量和估计变得简单、可靠。 2 2 2 铅酸电池s o c 的估算方；去【1 3 】【1 4 】【1 5 】 电池容量的精确判定是发展电动车的关键技术之一，由于蓄电池在不同工作 状态下动态特性十分复杂，如何精确的判定电池的剩余电量也成了制约电动车实 用化、商品化的因素之一，在这个问题上国外很早就开始了相关的研究，而国内 则起步较晚，目前国内外常用的方法主要有如下几种： ( 1 ) 放电实验法，放电实验法是最可靠的s o c 估计方法，采用恒定电流进行 连续放电，放电电流与时间的乘积即为剩余电量。放电实验法在实验室中经常使 用，适用于所有电池，但它有2 个显著缺点：( a ) 需要大量时间；( b ) 电池进行的 工作要被迫中断。放电实验法不适合行驶中的电动汽车，可用于电动汽车电池的 检修。 ( 2 ) 电量累积法，通过累积电池在充电或放电时的电量来估计电池的s o c 并 根据电池的温度、放电率对s o c 进行补偿。电量累积法检测s o c 比较简单，是己 商品化的电动汽车用s o c 测量装置上应用最普遍的方法。但问题是：( a ) 在估计 电池s o c 时通常未对电池的老化和循环次数进行补偿：( b ) 根据已放出的电量得到 s o c ，虽对放电率的不同进行了修j 下，但未考虑放电电流对容量的影响因素具有可 恢复性：( c ) 充放电的效率具有不稳定性。因此，用电量累积法得到的s o c 估计存 在较大的误差，并会随着时间的推移其误差越来越大。因此，电量累积法得到的 s o c 可靠性较低。 ( 3 ) 电阻测量法，电池内阻有交流内阻和直流内阻之分，它们都与s o c 有 密切关系。电池交流阻抗为电池电压与电流之间的传递函数，是一个复数变量， 表示电池对交流电的反抗能力，要用交流阻抗仪来测量。电池交流阻抗受温度影 响大，是对电洼处予静置后酶- 开路状态，还是对电洼在充放电过程中进行交流阻 抗测量，存在争议，所以很少用于实车上。 直流内阻表示电池对直流电的反抗能力，等于在同一很短的时间段内，电池 电压变化量与电流变化量的比值。实际测量中，将电洼扶开路状态开始恒流充电 或放电，相同时间罩负载电压和开路电压的差值除以电流值就是直流内阻。铅酸 电池在放电后期，直流内阻明显增大，可用来估计电池s o c ；m h n i 电池和锂 电池直流内阻变化规律与铅酸电池不同，应用较少。 直流内阻的大小受计算时闻段影赡，若时闻段短于1 0m s ，只有欧姆内阻能够 检测到；若时间段较长，内阻将变得复杂。准确测量电池单体内阻比较困难，这 是直流内隰法的缺点。内阻法适用于放电后期电池s o c 的估计，可与a h 计量法 组合使餍。 ( 4 ) 开路电压测量法，电池的开路电压在数值上接近电池电动势。铅酸电池 电动势是电解液浓度的函数，电解液密度随电池放电成比例降低，铅酸电池丌路 电压与s o c 有很好的线性关系，图2 - 1 为某铅酸开路电压与s o c 的关系曲线。开 路电压法比较简单，假是不能焉于动态估算电池的s o c 。 蠢； 鑫 2 ， 1 00 。80 ，6o 4o ，20 o 搿1 建髓8 孽臻s o c 图2 一l 铅酸电池开路电匿与s o c 的关系曲线n 7 1 f i 薛一lo p e nc i r c u i tv o l t a g ev e r s u ss o c “朝 ( 5 ) 卡尔曼滤波估算法，建立蓄电池的二阶r c 模型，主要做法是通过实验获 得电池的动态r c 模型参数，利用此实验建模的研究结果，利用卡尔曼滤波算法对 蓄电洼s 砉算。 ( 6 ) 模糊推理和神经网络的方法，模糊逻辑推理和神经网络是人工智能领域的 两个分支，它们共同的特点就是均采用并行处理结构，均是无模型的预报器，可 从系统的输入、输出样本中获取系统的输入输出关系。在蓄电涟剩余容量的预测 中，考虑到影响电池状态的因素很多，系统模型难以建立的问题，用模糊逻辑推 1 2 、错秭霪一o_季譬嚣c位ao 理和神经网络的方法来判断电池的荷电状态一直是研究的热点。 s o c 的计算受到放电倍率、温度、自放电、老化等多个因素的影响。特别是在 变电流情况下的计算难度更大。目前最常用的还是前面几种比较简单的方法。通 常是将2 “ - - 3 方法结合起来使用。建立电池模型，使用先进的控制理论，将实际计 算和模型计算相结合，是目前研究的热点。下面将几种方法列表，进行对比。 表2 1s o c 估计方法总结 t a b l e 2 1s o ce s t i m a t i o nm e t h o d 方法应用领域 优点缺点 适用于所有电池系易操作且数据 放电试验法统，用于适用初期准确，与s o h 无法在线测试，费时，改变电池状 判断电池容量无关 态，有能量损失 铅酸、锂电池、锌无法在线测试，电池需要k 时间静 开路电压法 简单，成本低 溴( z n b r )置，有附带问题 可在线测试，受 没有从电池内部解决电量与电池状 电池本身情况 态的关系，只是从外部记录出入电 电量累积法适于所有电池系统限制小，易于发 池的电量，不可避免的使其电量的 挥微机监测的 计量冈电池状态的变化而失去精 度。对于干扰比较敏感，电流精确 优点 测量成本高。 电池内阻值较小，且成冈复杂，电 可在线测量，能池的j r ：作条件，如电流、温度等， 内阻法铅酸，镍镉 给出s o h 信息对电池的内阻的影响很大。冈此内 阻法只适h j 丁低s o c 状态 模糊推理和 适于所有电池系统可在线测量 需要相近电池的训练数据 神经网络法 需要合适的电池模型，确定内部参 卡尔曼滤波器 适于所有电池系统可在线测量 数困难 2 3 电池剩余电量的卡尔曼滤波估计 本课题采用卡尔曼滤波算法对电池剩余电量进行估。卡尔曼滤波是6 0 年代发 展起来的一种现代滤波方法，它的一个重要作用在于系统的状态估计。当噪声是正 态分布时，这种滤波给出了状态的最小方差估计，当不是正态情况时，这种滤波给 出了状态的线性最小方差估计，卡尔曼滤波的目的是在进行递推滤波的同时利用 观测数据提供的信息，不断地修正状态估计，减小状态估计误差，卡尔曼滤波算法 适用于平稳与非平稳过程，并且具有递推性，但又不同于其他的递归滤波器结构， 它只需要记住前一步的估计结果，由此大大减少了存贮器的使用量n 们n 8 1 。 2 3 1 电池的等效电路模型 c 睦睡| t 图2 2 电池等效r - c 模礤7 】 f i 9 2 2r cm o d e lo fb a t t e r y i l 7 1 电池工作时，其内部的电化学过程是一个对环境敏感的复杂的非线性过程， 很难用一个简单的数学模型来精确描述电池的特性。对于某一类型的电漶，通过 充放电试验和理论分析，可以用一个近似的模型来描述它的工作过程与特性。在 实验室进行恒流充放电试验和固定的充电站充电时，电池的充放电电流相对稳定 或变化平缓，可以用较为简单的静态模型来表示：但是在车载行驶条件下，电流捌 烈变化，温度等环境因素变化也大，就需要用相对复杂的动态模型来描述其特性。 现阶段常用的电池模型主要有3 种：简单的一阶电池模型、t h e v e n i n 电池模型和 四阶动力学电池模型。前2 个模型过于简单，不能反映电池的动态特性，第3 个 模型计算叉太复杂，不便于在电动汽车上使用。本文针对铅酸电池在电动车上的 应用采用二阶r - c 模型。如图2 - 2 所示，电容e 一。为一大电容，反映电池中储存 电能能力的大小，代表电池电动势；表面效应电容e 咖。和电阻足。主要反映 电遗电极的表面效应，例如：由予参与反应的有效面积和电解质离子的扩散速度 的制约，电池向外输出电流的能力会受到限制，同时电池内还存在自放电现象。 电池的内阻包括欧姆电阻和极化电限，在此模型中，r 表示电池的终端欧姆电阻； r ，分别代表放电时电潍内部的极化电阻和欧姆电疆。 由基尔霍夫电压定律可得： g o l r t + i b r e + v _ b 匕= 蝎+ 足+ 吃 奁式( 2 1 ) 减去式( 2 - 2 ) 可接得： lb r 。= l s r s + y 笃一g o b l 瘁 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 由基尔霍夫电流定律，j 徽厶+ t 及式( 2 3 ) 可推得： ( 墨+ 墨 = 积+ 名一吃 ( 2 4 ) 由于厶= 等笋g 矾，式( 2 4 ) 可推得： 丝：一整：卜幺 + 丝 瘢 g 蛾( 忍+ 墨) c 6 娥( r - i - 尽) ( 恐+ 足) 同理可由式( 2 - 1 ) ，式( 2 - 2 ) 推出： ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) d t o 瓣l + o s 啪钟t 芬+ jo s 劝船t + 多 由式( 2 - i ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 5 ) ，( 2 6 ) “ - 7 推出： = 踽志料卜搞 j 防? ) 对电池端电压k 求导，并假设电流变化缓慢，掣可忽略，由式( 2 7 ) 可得： d t 警南 协南犏南卜鼬 瓣寺式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 式( 2 8 ) w 得该南路网络的状杰方糯： 丝| d t | 封 一 ! o 乞。是+ 蕉( k 骘+ 焉 ! 二1 一0 c ：和( e + r ) ( ：咖( r + 足) 砸1 ) 0 躺3 ) 懦 k 一纛+ 一， 其孛： 彳( - ，3 ) = 一z 南+ z 南一乏；= ：j i 丽2+ 乏j ：南 露1 a ( 3 ，3 = 篡l 一一二一 毽( 墨+ 墨( + ) 2 。3 2 电池s o c 的卡尔曼滤波估计 卡尔曼滤波应用于电池s o c 估计时，电池被电池模型描述为由状态方程和量 测方程组成的系统，如图2 3 所示，电池剩余电量和系统状态变量五中的吃有 关，4 为系统矩阵，壤为控制输入矩阵，g 为量测矩阵。控制输入氓为电洼的工作 电流l ，系统输出磊为电池模型计算的电池端电压。f 呱为系统噪声，敝为量测嗓 1 5 声，它们均为g a u s s 型自噪声，协方差分别为q 和r 。本算法的核心思想是在蓄电池 静置不用时，根据开路电压来更新蓄电池模型状态变量，完成初始化工作。再利用 卡尔曼滤波算法估算电池电动势v e b ，再根据v c b 与s o