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1、电动汽车电池管理系统的设计 第 1 页 共 33 页电动汽车电池管理系统的设计1 绪论11 研究背景随着经济的发展，汽车的拥有量也在急剧增加。目前，市场上以燃油汽车为主，燃油汽车的不断增加，不仅加剧了环境的污染，也严重的威胁到了能源安全，使用替代能源将成为汽车的重要发展方向。电动汽车（EV,Electric Vehicle）1，作为清洁、高效、智能的汽车，可有效的解决环境和能源问题，是燃油汽车理想的替代品。目前，电动汽车尚不如燃油汽车技术完善，而制约电动汽车推广的最主要问题是动力电源的寿命短，使用成本高，电池储容量小。因此电池组的有效管理对电动汽车的发展具有重要意义，而准确估算电动汽车电池SO
2、C，可以提高动力电池的能量效率，延长电池的使用寿命。而影响SOC准确计量的因素很多，其中开路电压、自恢复效应、温度、充放电电流、老化程度等都与SOC密切相关，本课题将对电动汽车电池SOC进行估算研究。随着电动汽车的推广应用，将减少对石油资源的依赖以及减少环境污染。12 动力电池SOC的定义电池荷电状态SOC（State of Charge）2是一个相对量，表示电池目前的剩余电量与电池的额定电量的比值。是描述电池状态的一个重要参数。通常把一定温度下的电池充电到不能再吸收能量的状态，定义SOC为1；而将电池再不能放出能量的状态，定义SOC为0。SOC的理想定义和实车环境下的SOC的计算方法是有差别
3、的。从能量的角度定义SOC： （1-1）其中，E1为已放出能量，E0为总的可用能量。 （1-2）其中、分别为描述放电倍率、环境温度和循环工作次数的参数。从电量的角度定义SOC： （1-3）日本本田公司电动汽车EV plus定义SOC： （1-4）剩余容量=额定容量-净放电量-自放电量-温度补偿容量 （1-5）由于SOC受很多因素的影响，所以不同的电动汽车对SOC的定义使用形式也不一样。13 动力电池的估算方法目前SOC估算方法有：放电实验法、Ah计量法、开路电压法、负载电压法、内阻法、线性模型法、神经网络法、卡尔曼滤波法3。1.3.1 放电实验法放电实验法采用恒定电流进行连续放电，放电电流与时
4、间的乘积为剩余电量。该方法适用于所有电池，但是需要大量的时间，电池进行的工作也要被迫中断，所以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。1.3.2 Ah计量法如果充放电起始状态为SOCo，那么当前状态的SOC为： （1-6）Cn为额定容量；I为电池电流；为充放电效率。1.3.3 开路电压法开路电压法在数值上接近电池的电动势。MH/NI电池和锂离子电池的开路电压与SOC关系的线性度不如铅酸电池好，但在充电初期和末期可根据对应关系估算SOC。该方法需要电池长时间静置，而电池恢复稳定需要几个小时甚至十几个小时，测量不方便，所以只适用于电动汽车驻车状态。1.3.4 负载电压法电池放电
5、开始瞬间，电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态，在负载电流保持不变时，负载电压随SOC变化的规律与开路电压随SOC的变化规律相似。该方法能够实时估算SOC值，但实际应用时，剧烈波动的电池电压给负载电压应用带来了困难。1.3.5 内阻法内阻是电池内部化学反应的表现，也是反映电池寿命的重要指标。电池内阻有交流内阻和直流内阻之分，它们都与SOC有密切关系。电池交流阻抗可用交流阻抗仪来测量，受温度影响很大。实际测量中，将电池从开路状态开始恒流充电或放电，相同时间里负载电压和开路电压的差值除以电流值就是直流内阻。准确测量电池单体内阻比较困难，这是内阻法的缺点。1.3.6 线性模型法该方法是基于SOC变
6、化量、电流、电压和上一个时间点SOC值，建立的线性方程： （1-7） （1-8）为当前时刻SOC值，为SOC变化量，U和I为当前时刻的电压和电流值，为系数。1.3.7 神经网络法神经网络具有非线性的基本特性，具有并行结构和学习能力，对于外部激励，能给出相应的输出，它可以模拟电池的动态特性，估算其SOC值。神经网络法适用于各种电池，但是需要大量参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。1.3.8 卡尔曼滤波法卡尔曼滤波法的核心思想，是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估算，应用于电池SOC估算，电池被看成动力系统，SOC是系统的内部状态。卡尔曼滤波法是近年才开始的，该方法适
7、用于各种电池，尤其适用于电流波动比较剧烈的混合动力汽车电池SOC估算。 电动汽车电池SOC估算的方法很多，由上述介绍可知，不同的方法有各自的优缺点。Ah计量法适用于所有的电动汽车电池，是目前最常用的办法之一。开路电压法在充电初期和末期估算效果比较好，常和Ah计量法结合使用。负载电压法很少应用到实车上，但常用来作为电池充放电截止的判据。内阻法存在争议，在实车上应用较少。线性模型法、神经网络法和卡尔曼滤波法是近来发展起来的新方法，这些方法常被结合起来提高SOC估算的结果准确度。14 本文研究的基本内容及意义本文第一章介绍了课题的研究背景，主要估算方法和意义，并对SOC给出了不同的定义；第二章对电动
8、汽车的发展史进行概述，主要阐述了发展电动汽车的意义和目前电动汽车在国内外发展的现状；第三章介绍了锂离子电池的原理，以及影响电池SOC的不同因素；第四章分析了神经网络的特点，学习算法，以及我们对神经网络结构的设计；第五章具体给出运用神经网络法对电池SOC进行估算的过程。准确估算电动汽车电池SOC，可以帮助我们及时了解到电池所处的状态，准确预测电动汽车的续驶里程，以及防止电池的过充电或过放电，延长电动汽车电池的寿命。所以准确估算电动汽车电池SOC对于电动汽车的发展有着非常重要的意义。2 电动汽车发展史概述21 电动汽车发展史概述19世纪30年代到20世纪电动汽车的崛起。电动汽车的历史并不比内燃机汽
9、车短，它也是最古老的汽车之一。电动车由美国人托马斯-达文波特和苏格兰人罗伯特-戴维森在1842年研制，他们首次使用了不可充电电池。20世纪初，安东尼电气、贝克、底特律电气 、爱迪生、Studebaker和其它公司相继推出电动汽车，电动车的销量全面超越汽油动力汽车。电动车在19世纪20年代大获成功，销量在1912年达到了顶峰。20世纪20年代到80年代汽柴油机成为主流。电动车在20世纪初迎来成功之后，很快又失去了成长的势头。 电动汽车数年都没能取得技术上的突破，而内燃机汽车却得到迅猛发展。从20世纪20年代开始，电动汽车逐渐被内燃机汽车替代。20世纪90年代到现在电动汽车的复苏。20世纪70年代
10、和80年代的能源危机令电动车再次得到业界的重视。在1990年的洛杉矶车展，通用汽车首席执行官罗杰-史密斯(Roger Smith)发布了Impact纯电动概念车，并宣布通用汽车电动车将实现量产，并上市销售。上世纪90年代，汽车制造商们对于节省燃油和减少排放的环保车型的兴趣有所下降。在美国市场，SUV越来越受到欢迎。进入21世纪之后，面对全球范围日益严峻的能源形势和环保压力，电动汽车（EV，Electric Vehicle）作为新能源汽车的主体，面临着新的机遇和挑战4。22 电动汽车国内外发展现状2.2.1 目前我国电动汽车发展情况经过10多年的努力，我国电动汽车自主创新取得了重要突破，自主开发
11、的产品开始批量化进入市场，发展环境逐步改善，产业发展具备了较好基础，具有了加快发展的有利条件和比较优势。电动汽车的核心是动力系统电气化。我国电动汽车开发高起点起步，围绕重点目标和核心技术，建立起了纯电动、混合动力和燃料电池三类汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。自20022008年，我国在电动汽车领域已获得专利1796项，其中发明专利达940项。我国自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kW以下永磁无
12、刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%；纯电动汽车技术在国际上处于先进水平，大容量锂离子动力电池纯电动客车实现了规模应用，小型纯电动轿车批量出口欧美；燃料电池汽车可靠性明显提高，无故障间隔里程与国外同步达到3000公里，燃料经济性国际领先。2.2.2 国外主要国家电动汽车发展情况目前世界各国著名的汽车厂商都在加紧研
13、制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。继PRIUS混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了ESTIMA混合动力汽车和搭载软混合动力系统的CROWN轿车。此外，本田汽车公司开发的Insight混合动力电动汽车也已投放市场，供不应求。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车。现已推出三款混合动力
14、概念车GMPrecept、FordProdigy、DaimlerchryslerDodgeESX3。23 电动汽车的电池管理系统电池是电动汽车的动力源，在电动汽车中占有重要的地位。如何有效管理和监控电池一直是电动汽车的关键技术之一，因此电动汽车的电池管理系统是电动汽车必不可少的重要组成部分。电池管理系统主要有三个功能：(1)精确监测电池电压、电流和温度参数，这是电池管理系统有效运行的基础和关键；(2)在监控正确参数的前提下，应用一定的算法准确预测出电池电量状态；(3)建立起一个四通八达的数据传递通道，实现电动汽车内部部件间，内部与外部计算机的数据通讯和处理。 在电池管理系统中，电池电压的精确测
15、量和剩余电量的准确预测是管理系统亟待突破的两个技术关键。在电池的充、放电过程中，电池的端电压变化只有数十毫伏，因此电池电压检测需要很高的精度，否则就无法正确判断电池的工作状态。而且电池在线充、放电时电压、电流都会产生波动，汽车内温度变化及电磁干扰对电压检测产生较大的影响，要使电压测量达到要求的精度比较困难。而目前应用在剩余电量预测方面有许多种算法，由于对电池内部运行机理的复杂性以及状态的不可确定性，一般建立在实验数据上的算法更为准确，对不同类型和安时数的电池而言算法可能不同，因此专用性较强。2.3.1 电动汽车电池管理系统的研究现状 电动汽车的发展不断成熟，但也还有很多问题没有解决，例如如何提高电动汽车的续驶里程和舒适性，电池的剩余电量的指示，电池如何在变化的气候条件下工作，如何对电池快速充电。电池的数量有限，充放电并不均衡。如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿命。电动车还有能量回收的问题。这些问题都涉及到电池的能量管理和整车的能量管理。与电机、电机控制技术、电池技术相比，电池管理技术还不是很成熟。电池自身
