电动汽车蓄电池管理系统

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1、北京交通大学顿士研究生论文丫5 8 6 0 1 6电动汽车蓄电池管理系统摘 要为了 解决汽车尾气所带来的空气污染， 以及城市交通过分依赖于石油燃料的能源安全问题， 美国、日本、欧盟都制订了长期的电动汽车发展规划，我国也展开了这方面的研究。电动汽车由电池组提供能源或辅助能源， 因此电动汽车所使用电池组的剩余电量 ( S O O 的准确估算、电池组故障预测与报警、蓄电池均衡充电、快速充电等技术是至关重要的，因为它们决定了电动汽车的续驶里程、安全性、电池组寿命、 综合成本等重要指标。本文首先简要介绍了相关的化学电池基本概念， 随后着重论述了车载电池组电压、电流、 温度等信号的采集; 剩余电量( S

2、O O 的准确估算，蓄电 池均衡充电 这三部分内 容的现有理论与技术实现， 通过比较其各自的优缺点， 提出了适用于电动汽车镍氢电池组的电池管理系统方案。 在系统中采用分布式测控系统来检测温度、 电压等信号， 多参数输入智能综合补偿算禾 经 r 者、 等帅回恩 勿全文公r北京交通大学硕十 研究生论文法来估算剩余电量S O C ，以及 一 种新颖的串联蓄电池组自 动均衡装置。 该系统现已应用于8 6 3 计划资助课题 混合动力汽车用镍氢动力电池组及其管理 ( 2 0 0 1 A A 5 0 1 5 3 3)和( 2 0 0 2 A A 5 0 1 6 3 1 )中，日前运行良 好。关键词:电动汽车

3、 ( E V ) ,蓄电池管理系统 ( B M S ) ，剩余电量( S O C )， M H - N i 电池 ( M H - N i )， 均衡充电北京交通大学硕士研究生论文B ATT ERY M ANAGEM ENT S YS TEMF OR ELECTRI C VEHI CLEABS TR ACTT o r e s o l v e t h e a i r p o l l u t i o n c a u s e d b y a u t o m o b i l e a n d e n e r g ys a f e ty , t h e U n i t e d S t a t e s , J

4、 a p a n a n d E u r o p e a n F e d e r a t i o n h a v ee s t a b l i s h e d t h e i r o w n l o n g - t e r m p r o g r a m t o d e v e l o p t h e e l e c t r i cv e h i c l e s . T h e s a me r e s e a r c h i s d o n e i n C h i n a .B a t t e ry p r o v i d e s a l l t h e e n e r g y o r p

5、a rt e n e r g y f o r e l e c t r i cv e h i c l e s . S o t h e p r e c i s e m e a s u r e o f s t a t e o f c h a r g e ; p r e d i c t i o nm a l f u n c t i o n o f b a t t e ry a n d a l a r m ; c h a r g e e q u a l i z a t i o n t e c h n i q u e ;f a s t c h a r g e t e c h n i q u e a r e

6、 a l l v e ry i m p o rt a n t . B e c a u s e t h e s et e c h n i q u e s d e t e r m i n e t h e m o s t i m p o rt a n t c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a sr a n g e , s e c u r i t y o f E V , l i f e o f t h e b a t t e r y a n d c o s t o f t h e E V .S o m e o f t h e p e r t i n e n t

7、 c h a r a c t e r i s t i c s o f b a t t e r y a r ei n t r o d u c e d f i r s t i n t h i s t h e s i s . T h e n a c c u r a t e a n d r e l i a b l e s t a t e o fc h a r g e ( S O C ) m e a s u r e , p r e d i c t m a l f u n c t i o n o f b a t t e ry, A n o v e l北京交通大学硕十研究生论文c h a r g e e q

8、 u a l i z a t i o n t e c h n i q u e a r e i n t r o d u c e d . B y d i s c u s s t h ee x i s t i n g t e c h n i q u e s , t h i s t h e s i s s u m m a r i z e a n e w b a t t e rym a n a g e me n t s y s t e m o f N M- N i u s i n g i n e l e c t r i c v e h i c l e w h i c hi n c l u d e m u

9、 t l i - p a r a m e t e r i n t e l l i g e n t S O C E s t i m a t i o n m e t h o d s ;c h a r g e e q u a l i z a t i o n t e c h n i q u e a n d d i s t r i b u t e d m e a s u r e a n d c o n t r o ls y s t e m . T h i s s y s t e m h a s b e e n a p p l i e d i n 8 6 3 P r o g r a m ( B a t t

10、 e r ym a n a g e m e n t s y s t e m f o r MH - N i i n H y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e)( 2 0 0 1 A A 5 0 1 5 3 3 ) 欧洲各国提出了到2 0 0 5 年轿车的百公里油耗均值柴油机车不应超过3 L 、汽油机车不应超过4 L ;日本也有类似目 标。新世纪人们呼吁并期待着、关注着清洁、节能汽车技术的发展和广泛应用。北京交通大学硕士研究生论文1 . 2当前需要重点解决的主要问题由于电动汽车和混合动力车特定的工作方式对动力电池提出了特殊的要求:良好的充电接受能力 ( 再

11、生制动、补充充电) ，高的功率密度和比功率，高的循环效率和低的内阻 ( 功率均衡) ，良 好的一致性，低的自 放电率和高的能量密度和比能量 ( 保证零排放行驶里程)等。阀控铅酸电池、高功率镍氢电池、铿离子电池成为电动汽车和混合动力汽车的主要选择。为弥补电池组功率密度的不足，超级电容器、超高速飞轮在混合电动车辆上得到了应用。另外， 对电池组实施智能化的管理对提高电池寿命、 为多能源管理控制系统提高准确的电池组状态很有必要，是决定电池组是否能实现车辆行驶功率均衡的关键。目 前， 能量管理系统中电池电量状态普遍采用剩余电量S O C ( S t a t eo f C h a r g e ) 表示，也

12、称为 荷电 状态S O C 。 采用的主要算法有:安培时间积分法、开路电压法、负载电压法、内阻法等单参数算法以及安时一内阻法、等效电压预测电池名义内阻修正模糊推理算法，多参数输入 ( 电池电流、累积安时数、平均温度、电池组中单个电池最低温度)双层神经网络算法，双模糊推理算法，带有自 校正规则的模糊推理算法，基于平均放电电流的计算算法、基于定值参考电流的计算算法、基于两者的综合改进算法， 开路电 压一内阻测试、电 池寿命状态 S O H修正算法， 对电池阻抗特征值进行频谱分析而建立起的模糊推理算法，卡尔曼滤波器算法等智能化的多参数算法。由于不同电池的反应机理、不同温度下的充放电特性、自 放电率、

13、使用寿命等诸多因素都不相同，因此对不同电类型的池需要建立不同的剩余电量估算方法。另外，即使是相同类型的电池，由于贮氢合金的组北京交通大学硕士研究生论文成、电池的组装工艺、隔膜选择、电解液的选择等都将影响电池的电化学特性。因此，对不同型号的电池也要找到适合其内在规律的剩余电量估算方法。由于电池组就象一 根链条，每只单体电池是其中的一节。链条的强度取决于其中最弱的 一 节，电池组的品质也同样取决于由其中质量最差的一只。一只电池特性变差不仅影响了整个电池组的性能，还会引起恶性的链锁反应。因此在实际工况下如何迅速、准确地判断和预测电池组中某些电池的故障将有效地延长整组电池的使用寿命，因而能有效降低电动

14、汽车的运行成本。在电动汽车有限的空间内，既要安装多组电池、还要考虑散热、通风、测控单元的检测维修、数据采集的抗干扰等问题。因此，需要研制一种适合于电动汽车的电池电压、温度测试系统。在电动汽车内较大的干扰情况下，如何可靠、高效地实现蓄电池管理系统与车上其他设备的通讯也是需要重点解决定问题。由于此课题是8 6 3 计划资助课题 混合动力汽车用镍氢动力电池组及其管理) ( 2 0 0 1 A A 5 0 1 5 3 3 ) 和 ( 2 0 0 2 A A 5 0 1 6 3 1 )，本课题具体需要解决的问题有以下几点:1 、单节电 池电压测量及其方案的选择。2 、单节电池温度的测量。3 、电池组充放

15、电电流的精确测量。4 、适合于棍合动力车运行工况的系统电源设计。5 、分布式测量系统的通讯方案设计。6 、均衡充电 方案设计。7 、预测电池故障以及实时计算电池剩余电量的专家诊断系统设计。8 、与车上 其他设备的通讯。北京交通大学硕 L 研究生论文第二章化学电池的基本知识由于本文中大量涉及到蓄电池性能方面的许多概念， 因而在此集中作简要说明:2. 1电池内阻电池内阻有欧姆电阻 ( R。 ) 和电极在电化学反应时 一 所表现的极化电( R f ) 。 欧 姆电 阻 和 极 化电 阻 之 和 为电 池 的内 阻( R i ) 。 欧 姆电 阻 由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成

16、。隔膜电阻是当电 流流 过电 解液时， 隔 膜有效微孔中电 解液所产生的电 阻R M o极 化电 阻R f 是 指 电 化 学 反 应 时 由 于 极 化 引 起的 电 阻 。 包 括电 化 学极化和浓差极化引起的电阻。为比较相同系列不同型号的化学电源的内阻，引 入比电阻 ( R , )，即单位容量下电 池的内 阻。( 2 - 1 )形-c一-R式中: C一 电 池容量， A h ; R ， 一 电 池内 阻，。 。2. 2开路电压和工作电压开路电压是外电路没有电流流过时电极之间的电位差 (C U o )，一般开路电 压小于电 池电动势。工作电压 ( U _ )又称放电电 压或负荷电 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北京交通人学硕十研究生论文成的阻力。工作电 压: U ,_ ,= E - T R ; = E一T ( R . + R f )电池的工作电J + 受放电制度影响，即放电时间、放电电流、环境温度、终止电压等都影响电池的工作电压。放电方