（硕士学位论文）混合动力摩托车动力电池管理系统的研究

（硕士学位论文）混合动力摩托车动力电池管理系统的研究 (硕士学位论文)混合动力摩托车动力电池管理系统的 研究 摘 要 旦旦旦巴里巴里巴旦里曰宫三巴巴巴 摘 要 根据当前环保和节能的要求混合动力汽车作为燃油机动车到纯电动汽车 过渡已经得到了飞速发展与汽车比较起来虽然排量小但数量庞大的摩托车 在这方面的发展却没有受到足够的重视参考混合动力电动汽车的成功经验 开发混合动力摩托车十分具有可行性也势必会在节约能源和降低排放等方面 发挥巨大作用 本课题采用的混合动力摩托车系统动力是由使用LPG燃料的发动机和四块 动力电池提供本文主要论述了这种混合动力摩托车上的动力电池管理系统 动力电池可以通过普通外接电动自行车充电器进行充电也可以使用车顶上一 块50W的太阳能电池板或车载轮毅式直流无刷电动机进行补充充电 为了使电池能够最大限度的输出动力并拥有足够长的寿命电池组的管 理就显得尤为重要因此本文结合现有的电驱动系统平台和条件分析了不 同工况下电池组的使用状况在此基础上制定了电池管理系统的策略并研究 提出了一种以工ntel80C196KC单片机为控制核心的电池管理系统通过智能电 池监测芯片DS2438和霍尔电压传感器来实现监测各块电池的参数和电池组的 电压并将这些参数实时显示在液晶显示屏上当个别电池的电压Soc值低于 平均水平将视天气状况启用太阳能电池充电器或车载磁电机对该块电池进 行 补充充电行驶过程中用太阳能对电池组进行补充充电从而保证电池组的均 衡 经过实验室的程序调试和试验运行证明本论文提出的控制方案可行且 成本低廉开发简单人机界面清晰明了易于操作能够有效的提高电池性 能为下一步优化整车能量系统提供了理论依据和实验参考 关键词混合动力摩托车80C196单片机DS2438电池管理LCD Abstract Abstract Tomeettherequirementsofenvironmentprotectionandenergyconservationthehybrid powervehiclehasbeendevelopedrapidlyasthertansitionoffuel-combustionvehicletoelectric vehicleHoweverthereisnomuchfocusonlargenumberofmotorcycleswhichhavelow displacementReferringtothesuccessofhybridelecrticvehiclesahybridmotorcyclesystemis feasiblewhichwillplayanimportantroleinsavingenergysourceandreducingdrain ThedrivepowerofthehybridmotorcycleconsistsofengineusingLPGfuelandfour rtactionbatteriesThispaperismainlyaboutthetractionbatterymanagementsystemThe tractionbatteriescanbechargedbyanormalelectricbicyclechargeraSOWs olarpanelora wheelhubbrushlessDCmotor Tomakesurethebatteriesoutputimumpowerandhaveenoughlife-spanthebattery managementsystemisavitalpartSotheperformanceofbatteriesisanalyzedthinkingofthe electricdrivesystemanddifferentrunningconditionsOnthebaseoftheanalysistheconrtol srtategyisdecidedandaconrtollerofbattery managementsystem isdesignedwith microconrtollerIntel80C196KCTheDS2438smartbatterymonitorisusedtomeasurethe parametersofeachbatteryandahallvoltagesensorisusedtosensethevoltageofbatterypack InadditionLCDmoduleisdesignedtodisplayallthedataWhenthevoltageSOC stateof charge ofsomebatteriesislowerthattheaveragesolarchargerortheDCmotorisusedto chargeitduetotheweatherconditionWhenthemotorcycleisrunningsolarchargerisusedto chargethebatterypackandmakesuretheequalizationofbatterypack Theprogramdebuggingandtherunningexperimentdemonstratethatthetheoreticalanalysis iscorrectandtheconrtolstrategyisfeasibleTheconrtollerischeapandsimplewithexcellent performanceThispaperpresentabatterymanagementsystemwithaneasy-handlingclear humanmachineinterfacewhichcanimprovetheperformanceofbatterypackef fectivelyAllthe researchesinthispaperpresentthebasisonboththeoryandexperimentreferencefornextstage workonwholevehicleenerygsystemforhybridmotorcycle KeywordsHybridmotorcycle80C196KC DS2438Battery ManagementSystem BMS LCD 第 1章 绪论 第1章 绪论 引言 电动汽车的发明最早可追溯到1834年m[19世纪末叶美英法的一些 公司开始生产电动汽车由于受电池性能的限制特别是内燃机汽车的迅猛发 展 到20世纪30年代电动车己几乎绝迹到了20世纪50年代电动汽车又开始受 到重视这主要有三个原因一是全球保有量呈天文数字的内燃机汽车排放的尾 气己成为大气的主要污染源之一而电动汽车能真正达到零排放污染二是不可 再生石油资源日趋枯竭各国纷纷把目光投向了不耗燃油的电动汽车以缓解能 源危机三是现代电力电子开关器件及控制技术动力蓄电池技术和计算机集成 控制技术的飞速发展为电动汽车性能的改善提供了强有力的技术支持和保障目 前国外己对电动汽车进行了商品化试验其一次充电续行里程最高车速己接近 人们所能接受的程度例如日本日东电力公司生产的IZA型电动轿车一次充 电 后以176kmh的速度可持续行驶548km可以预料随着上述核心技术的进一步 发展和突破电动汽车终究会成为21世纪人们广泛使用的绿色交通工具 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 电池管理还不是很成熟如何实现无损电池的充电监控电池的放电状态避免 过放电现象同时对电池进行实时的或定期自动检测诊断和维护最大限度地 保证电池的可靠运行国内外都在进行研发 电动汽车电池管理系统 BMS 是电动汽车中一个越来越重要的关键部分我 国在这方面的研究还刚刚起步即使美国等汽车工业发达国家的研制工作也不完 善 电池自身的性能参数影响电池的寿命但电池本身的问题不在电池管理的范 围之内电池外部因素也影响电池的寿命如电池的充电参数包括充电方式 充电电流充电结束电压电池的放电参数包括电池的放电电流放电深度 脉冲电流等电池的温度对电池维护的方式和频率从电动汽车的使用过程中 发现单个电池的寿命远比电动汽车中的电池长研究明这是因为电池处在不 均衡的状态中充放电过程也不均衡而不断重复的充放电过程更加剧了不均衡 现象充电少的电池的寿命缩短引起所在的电池组的寿命缩短从而使整个电 北京工业大学工学硕士学位论文 池系统的寿命缩短为了解决这个问题必须实现均衡充放电且应创造保证均衡 的温度的条件借助电池管理系统 BMS 还可以优化电池的外部参数大大增 加电池的寿命z[1 我国自主研究与试制混合动力电动汽车既是一个挑战又是一个历史的机 遇目前国内进行的电动汽车研究主要是针对电动小轿车及电动大客车而对混 合动力摩托车技术研究的却不多本课题组针对摩托车的特点在原有混合动力 电动车的基础上提出了混合辅助动力摩托车的技术路线并在现有残疾人摩托车 基础上进行研究和相关技术开发 2国内外电池管理技术发展状况 21国外研究发展状况 电池管理系统 BMSBatteryManagementSystem 是混合动力电动汽车中 越来越重要的一个关键部分但是我国在这方面的研究刚刚起步即使在美国等 汽车工业发达国家其研制工作也不完善目前在国外虽有许多公司和科研机 构正在着手研制和开发但大都没有取得明显的效果实际应用中还存在许多问 题从有关资料来看有以下公司取得了进展 美国蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业["e1989年美国电力研究所 与国家电能研究公司合作共同研究了无人值守场站PBWC铅酸蓄电池综合在 线状态监测系统经过4年的研究与开发耗资200万美元于1994年完成样 机的现场试验测定的参数包括电池组电压单体电压 浮充电 维持电流 电池内部温度电池组环境温度电解液比重电解液液面高度以及电极利用情 况等其方法是采用安装在每一只电池上的多传感器电池监测模块这种模块通 过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器每一电池组监测器可监测256个单电 池远程控制中心通过MODEMS和公用电话线对电池组监测器进行监测可监 测的电池组监测器的数量不受限制控制中心PC机能定期查询所有运行组的监 测器下载并处理储存的数据存储和显示电池状态及其趋势的信息能获得每 一节电池的参数其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立监 测单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有稳压的A心转换器电池组 电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻器和带有稳压参考的AD转换器 由电池组供电 电池组电流的测量用霍尔效应磁场传感器来测量电池内部 温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器来测量并且 同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离电池组温度的测量是用同样的装置 来测量由于蓄电池的监测有多种监测目的因此监测的重点也有差异在监 第 1章 绪论 测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索 在圣巴巴拉某区的电车上[41使用了VRLA蓄电池作为电源同时在蓄电池 上安装有BMS蓄电池监测系统以评价蓄电池的运行状况BMS能够向操作人 员提供有关剩余电量的信息及电池性能接近极限状态时的报警状态同样重要的 是为对电池状态进行分析和维护将数据进行这里使用的电池单电压是 12V此BMS的数据采集系统包括16路单电压通道测量一个显示电池温度及 环境温度的4路温度通道电池组电压和电流通道AD采样速率是每秒40个 采样点精度好于01电源供电部分使用了DCDC变换器此BMS通过获 得电池的数据来分析电池和车辆的运行状况 通用汽车公司的BMS采用了一个微电脑对电池组进行管理监测和控制 蓄电池组的充放电工作状态提高电池的充放电性能预测蓄电池组的荷电状态 和剩余能量 克莱斯勒汽车公司与NOVIKTRACTION公司在1993年1月联合开发了智 能充电技术设计了汽车用电池能量管理系统 BEMS I1该BEMS利用 NORVIK 公司开发的MINICHARGER超快速充电技术其核心是将 MINICHARGER方法应用到电池能量管理中MINICHARGER技术是持续调整 充电电流以匹配电池组中各块电池的充电接受能力这就使对任何电池进行快速 优化充电成为可能该技术可以延长电池的使用寿命BEMS扩展了电池充电 循环控制的概念包括快速充电和过夜充电该BEMS对电池组中单块电池进 行精确控制防止电池使用中的过放电和过充电随车储存记录电池的充放电 的历史资料早期故障检测警告和诊断这些都是BEMS的显著特征另外 还有一个精确的电量表它是这种智能管理方法的副产品即向驾驶员提供电 池组的剩余能量显示 在欧洲法国是电动汽车发展较快的国家法国随车电池能量管理系统主要 功能为电池寿命的记录充电监测行驶过程中电池的管理辅助电池的维护 剩余电量显示它防止对电池的有害使用收集电池信息从而确定如何恰当使用 和更换电池最大限度地提高电池的能量使用效率在德国西门子公司开发的 电池管理系统其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线进行充电提高充 电效率节约了电能电池管理系统对电池组的工作状况进行监控检测电池组 的电量消耗和剩余能量等并将有关信息反馈到仪表板的仪表和信号装置上通 过DC-DC变换器保证电器系统的能源供应和器件正常运行61〔 在日本本田公司开发的车用电池能量管理系统包括管理控制模块车载 充电器惯性控制开关高压系统安全检测装置DC-DC变换器等如果电动 汽车发生碰撞时会立即切断电源从而保证用电安全门 在韩国8[1有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测铅酸蓄电池作为独立 光伏系统的能量的储存设备可防止过度放电和过度充电对延长整个系统的服 一一一一一一一一 t s t 务寿命非常重要蓄电池组的监测内容有单电池电压电池组电压通过电池 组的电流及电解液的比重等每一个被选择的单电池电压使用一个便携式数据采 集系统监测这个系统中有一个20个通道的扫描器一个数字多路选择器及一 个笔记本电脑电解液的比重是通过数字比重计测量研究的监测系统不仅要监 测以上这些内容而且采用了一种电流中断技术以测量电池组充电时电池的 内部电阻根据单电压和电流的关系通过连续测量内部电阻以监测电池的老化 趋势 国外有人研究VMSWRIABatteryManagementSystem 阀控密封铅酸蓄电 池管理系统19这个管理系统不是简单的监测蓄电池而是设计成具有管理和控 制蓄电池的功能此系统的目的是改变蓄电池恒压充电的方法因为恒压充电 的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流系统监测的内容包括单电池 电压电池内部温度放电电流及放电过程中测量电池组总电压VMS中包含 了BMS它是在监测的基础上对蓄电池进行分析并进行管理和控制这样更 有利于对蓄电池的维护延长蓄电池使用寿命 国外蓄电池监测系统的技术比较成熟并且研究发展了蓄电池管理系统在 蓄电池管理系统中监测的电池参数有所不同研究的方法更复杂国外先进技 术及研究成果对我国进一步进行有关蓄电池管理方面的研究可以起到借鉴作 用 com究发展状况 我国从70年代开始研制电动汽车曾经制造出一些样车进行试验但由 于 资金人力有限未取得什么进展1992年电动汽车第一次被列入国家科技 攻关项目由国家科委国家计委国防科工委国家经贸委等资助研制微型电 动汽车电动大客车及与之配套的电池电机充电器等使我国电动汽车水平 有了明显的进步19 年国家科委把电动汽车列入 九五国家重大产业工 程项目所列的4个课题全部启动即电动概念车的研制电动改装车的研制 电动汽车应用示范区的建立和有关电动汽车的政策法规运行机制和关 键技术的研究[101至此我国全面拉开了电动汽车研究与开发的序幕 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863科技攻关项目[111该专项确定了以然料电池汽车 混合动力电动汽车纯电动汽车三种车型为 三纵以多能源动力总成电动 汽车驱动电机电动汽车动力电池三种共性技术为 三横的 三纵三横的研 发布局 见图1-D 第 1章 绪论 电动汽车丈大专顶总体专家组 监理公司 捆料电他盛车项目 提合动力整车顶目 纯电动汽车项目 一 以 擞料电 acrt c 黑 池发动饥 多能源动力 jt 动力I II多能滚动毓力祠ipA 稚KIM 总皮控制系 总成控制系 二二巴孟三分盟J留尘州匕三护 鳍 c塑1n 黔习产竺1壑钾土 坐 喇1写区动轰 电伯I驱动系 1 V-耍 长理鳖鳖墓黑别二招戮二副 电池及电渔 电池及电池 电池及电 池 管理系统 管理系统 管理系统 政策 法侧技术标准课题组 图1-1 三纵三横研究开发布局及其组织管理模型 Fig1-1OverallarrangementandmodelofRD 随着国家将电动汽车作为863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 在我国清华大学与全国十多个生产和研究单位密切合作 八五期间成 功开发出EV6580轻型电动客车此电动客车装有较为先进的电池管理系统在 行驶过程中可对电池的充放电电流电压等参数进行实时测量和监控防止过充 电过放电提高了电池寿命和效率同时还开发了与该系统相匹配的充电系统 清华大学对电动汽车电池管理系统基本结构的设想如图1-2所示1121系统由 六个子电路组成信号输入电路VIF变换器 电压频率变换电路 光电隔离电 路微处理器控制电路 MCU 输入输出电路RS-232串行口通信电路来自 电池组电压电流和温度传感器的信号在逻辑开关的控制下进入VF变换器这 些信号被变换为频率可变的数字脉冲信号送微处理器处理微处理芯片就能够判 断电池组中各块电池电压电流温度等信号大小除此之外电池管理系统通 过RS-232串行口通信电路将数据输入到PC计算机以进行进一步的分析和处 理 北京工业大学工学硕士学位论文 图1一电池能量管理系统的基本结构 清华研发 Figl-2theStructureofBatteryManagementSystem TsinghuaUniversity 另外华南理工大学北京理工大学等多所科研院校也进行了电动汽车能量 管理系统的研究和开发工作 北京理工大学开发的电池管理系统的系统框图如图1-3所示[131图中动力电 池组由32块电池串联而成在电池箱中安装有检测电池组电流的霍尔传感器 霍尔传感器把检测到的电池组电流信号输入电池管理系统主体部分电池组中每 块电池两端的引线也连接入电池管理系统主体部份以实现电池管理系统对电池 组总电压每块电池端电压的信号采集电池组上每块电他表面安装了温度传感 器它们检测到的各块电池温度信号送入电池管理系统主体部分中电池管理 系 统主体部分对动力电池组输入的各种信号进行分析处理后发出电动汽车后续里 程电池组总电压电池组电流和电池组是否有故障需要报警等信号给驾驶室仪 表显示部分进行相关信息显示电池管理系统主体部分给电池组中的霍尔电流传 感器和温度传感器提供电源向电池组提供均衡各块电池电压的控制信号以改 善电池组中各块电池的均衡性提高电池组中各块电池的使用寿命电池管理系 统主体部分留有RS232串行接口以便与手提式计算机双向交换数据 组中各使电忿电压布号 图1-3电池管理系统主体部分外接信号流程 北京理工大学 研发 Figl一themainpartexternalsignalflowpathofBMS伽BeijingInstituteofTechnology 电池管理系统发展至今己经比较完善生产的车载电池管理系统已经广泛 第 1章 绪论 应用于混合动力汽车电动汽车上但是国内针对混合动力电动汽车的电池能 量管理系统仍然处于起步阶段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 SOC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 13混合动力摩托车的发展概况 com的历史及发展状况 1885年德国人戴姆勒制造出第一辆真正意义上的以汽油为燃料的摩托车 在之后的几年当中不断有人改进摩托车技术[late1893年意大利人设计出第一辆 配备四冲程单缸汽油发动机的摩托车此后人们不断加强对摩托车进行专门的 研究设计二战后摩托车成为大众的消费热点产量逐年上升1972年世 界两轮摩托车年产量首次突破千万辆大关此后每年产量都在千万辆以上 上世纪80年代以后摩托车产业开始进入巅峰时期这个时期依然是以日本 和欧美国家代表技术的最高水平但发展中国家的摩托车产业也逐渐壮大起来 进入21世纪摩托车的发展在发展中国家中尤为迅猛包括中国在内的亚洲和非 洲的一些国家不断生产出成本低廉的实用型摩托车产量逐年升高并大量出口 国外2003年世界摩托车总的贸易额为12053亿美元比上一年增长18 1950年第一辆国产摩托车在北京诞生我国摩托车工业也自上世纪70年 代末开始起步之后产销量一直不断攀升并从1993年起中国摩托车年产量 一直居世界第一位1[" 2004年中国摩托车产销1700万辆占世界总量的一 半经过20多年的快速发展现在已成为世界上摩托车生产第一大国商务部 市场建设司数据显示2005年中国摩托车累计产销分别为 177672万辆和 177451万辆同比增长675和652据有关部门预测到2010年市场需 求量为144万一155万辆社会保有量为11677万辆 随着中国加入WTO摩托车产业的营销体制逐渐的完善及消费群体走向成 熟市场竞争的主要特征将从低层次的价格竞争表现为产品开发能力以及产 品性能质量等方面 数量庞大的燃油摩托车的存在使能源紧张和环境恶化的状况更加严峻摩 托车行业的发展和技术的创新工作直接面临着石油能源危机和环境污染控制的 严峻挑战混合动力摩托车已经成为摩托车产业的一个研究热点 日本丸红公司早在1992年就成功开发世界第一台实用型电动踏板车ES- 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 21电动汽车用动力电池 电动汽车能源系统的体积重量形状和技术参数决定了电动汽车的行驶 性能是电动汽车最重要的子系统在目前以及可预见的将来能源系统是电动 汽车系统实现市场化的瓶颈正是电池技术的相对落后制约了电动车的发展 和普 及 com车用动力电池的基本性能指标 蓄电池是电动车发展的动力源泉一直以来人们将电池技术视为电动车 发展的瓶颈评价电动汽车用蓄电池的性能指标主要有以下几点 容量一般是指它的库仑容量定义为 C 乒 t dt 一 在实际应用中我们一般采用荷电状态SOC stateofcharge 来描述需电池的 剩余容量SOC定义为剩余容量与总容量的百分比 质量比能量用WhKg表示它标志着一次充电能行驶多少里程代表每 千克质量的电池能够提供多少能量它影响到电动车的整车质量及续驶里程 是评价电动汽车的蓄电池是否满足预定的续驶里程的重要指标 体积比能量用WhL表示它标志着蓄电池占据车内多少空间代表每 升体积的电池能够提供多少能量它影响到电池的布置空间 质量比功率用WKg表示它标志着汽车的加速性能和最高车速代表 每千克电池可以提供多大功力它是评价蓄电池能否满足电动汽车加速和爬 坡 能力的重要指标 自放电率指蓄电池在一段时间内的自放电容量与电池总容量的比一般 时间是以月为单位如放电率加月它标志了蓄电池电池在未使用状态下的 能量损失的快慢 循环使用寿命通常定义为蓄电池失效前所允许的深放电次数所谓深放 电一般是指蓄电池完全放电到截止电压它是影响电动车总的续驶里程的重要 指标 寿命用工作时间或总行驶里程表示它标志着使用的经济性方便性 价格用总计购入价表示它标志着使用的经济性代表按里程计算的使 北京工业大学工学硕士学位论文 用成本因素动力电池的造价是其重要的指标之一它关系到电动车的整车成 本是影响电动车市场化进程的重要因素正是由于电动汽车的成本过高使 其不能与传统的燃油汽车竞争 为了确保电动车合理的行驶性能对其能源系统有如下要求高比能量 能确保电动车达到合理的行驶里程高比功率确保加速和爬坡性能寿命长 免维护成本低自放电小充电快效率高以提高车辆的使用效率和接受 制动回输功率的能力尺寸小安全性好可回收更换简便 美国先进电池联合会 USABC 提出的电动汽车电池主要性能指标如表 2-1 所示 161 表2-1USABC制定的电池中长期发展目标 Table2-1thedevelopmentgoalforEVbatteries 指标 中期 长期 质量比能量 C3放电 WAkg 80-100 200 体积比能量 C3放电WhL 135 300 质量比功率侈放电深度 150200 400 S Wkg 体积比功率 80放电深度30 250 600 S W几 使用寿命年 5 10 循环寿命 80放电深度 600次 1000次 销售价格美元KWh 150 100 使用温度? 一30--65 -40--85 正常充电时间h 6 3巧 快速充电时 min 40 15 60 20 效率 C3放电率6h充电 75 80 自放电 15 48h 15 月 48h内32WKWh 热损耗 高温电池 15额定容量 维护方式 免维护极小的车载 控制 表2-2十五863针划的指标 Table2-2thegoalof"863"projectinChina HEV EV 性能 MH-NiILi-ion ME-Ni Li-ion 比能量Whkg 40 70 65 130 比功率Wkg 600 800 160 160 温度范围? -20 55 -20-55 循环寿命 可行驶10万公里 500次 目前一些大的电池生产商及汽车制造商都在共同进行HEVEV的研制 和 开发许多类型的储能装置如铅酸锅镍氢镍铿离子超级电容器等都进 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 行了装车实验取得了良好的结果有些车型已经商业化 com用动力电池介绍 目前的研究结果表明不管是对电动汽车或是电动助动车的开发欲取得 商业上的成功就整体技术难度而言最关键的仍是动力电源要使电动汽车 能与内燃机汽车相竞争关键是开发出比能量高比功率大使用寿命长成 本低的蓄电池表2-3所示为目前已开发的电动车用大型蓄电池的现状以下 所述仅为其中几种电池的研究概要 表2一 电动车 EV 用大型蓄电池现状概要[m Table2-3theperformanceofbatteriesforEV Pd-acid Ni-Cd Ni-Fe Ni-Zn Ni-MH Li-ion 比能量 35 55 57 70 60一70 100 WhKg 比功率 130 170 130 180 170 300 WKg 循环寿命 400-600 500以上 800-1000 200-300 1000以上 1200 次 比能量较 比能量较 廉价可靠 高寿命长 高寿命长 比能量高 比能量高 比能量高 优点 性高 耐过充放 耐过充放 功率大 寿命长 电压高 性好 性好 比能量较 Cd有毒性 需经常补 寿命短价 价高高温 价高安全 缺点 低耐过充 价高高温 水价高充 高高温充 充电性差 性问题 放性差 充电性差 电效率低 电性差 部分达实 部分达实 实用试验 实用试验 实用试验 开发实用 现状 用化 用化 中 中 中 试验中 1 铅酸蓄电池 Pd-acid 铅酸蓄电池因其价格便宜材料来源丰富比功率较高技术和制造工艺 成熟等综合因素被各国电动车普遍采用铅酸蓄电池是己有100多年的历史的 老产品而且比能量较低因此很多人认为铅酸蓄电池是落后过时的产品 在电动汽车上应用的前途不大实际上铅酸蓄电池100多年的历史中一直不断 地在改进提高比能量从不到IOWhKg提高到60WhKg广泛用作内燃机汽 车的起动动力源它也是成熟的电动汽车蓄电池目前约有80-90的采用率 它可靠性好原材料易得价格便宜目前己经实现了大批量的生产其产品 回收较为容易比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求但它有两大缺 点一是比能量低所占的质量和体积太大且一次充电行驶里程较短另一 个是使用寿命短使用成本过高同时由于铅是重金属因此铅酸电池存在 污染问题 北京工业大学工学硕士学位论文 铅酸电池由于存在价格便宜原材料易得到等优点目前人们正在对其实 施各种改良以使其能满足电动汽车用蓄电池的标准其发展趋势是提高它的 比能量循环使用寿命及快速充电性能等 为了EV的普及电池的标准化和完整的电池评价体系都是必不可少的 表2一所示系美国和日本电动车协会所制定的技术标准 表24EV用铅酸蓄电池的技术条件 Table2-4specificationofPd-acidbatteriesforEV 电池类型 A型 B型 体积nun 296xl30x200 388x115x175 3h放电容量Ah 60 60 重量kg 21 21 体积比能量Wh1 34 34 重量比能量Whkg 73 93 功率wh1 200 200 我国在八五计划期间国家科委和国家计委就把电动车用铅蓄电池的研 究和开发列为重点项目予以支持许多从事电动车设计和研制的单位认为虽 然铅蓄电池比能量低但在我国期望将公交车出租车放在电动车使用的首要 地位的情况下铅蓄电池以其价格低廉能够大量生产供应的优势被列入近 期电动车产业化工程项目计划中还是可行的 2 镍氢电池 Ni-MH Ni-MH蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍负极活性物质为贮氢合金电 解液为氢氧化钾溶液其具有高比能量高比功率长寿命适合大电流放电 充电快安全性高无污染等优点己被日本美国等发达国家列为重点发展 领域 高温性能差是Ni-MH 电池用于电动车的主要问题之一自放电大也是 Ni-MH电池的一大缺点在电池使用和贮存过程中常出现一些低电压甚至零 电压通过表面处理和改进电极材料可以减少毛刺从而减少自放电电池注液 后快速封口及封口后立即充一部分电可减少微短路发生的可能性还可以对 贮存后的低电压电池通过特殊的处理方法来消除由C桥或Mn桥引起的短路 现 象从而也可以减少自放电除此以外Ni-MH电池还存在极板材料均一性较差 价格居高不下等缺点 美国和日本等国均大力研制开发不同类型的动力车用MHNi电池美国 先 进电池联合会 USABC 将MHNi电池作为电动车主要的中期候选电源美国的 Ovonic电池公司已开发出电动车用大容量方形MHNi电池提供给通用汽车公 司作电动汽车试运行 3 铿离子电池 Li-ion 铿离子电池具有比能量高自放电小循环寿命长无记忆效应和对环境 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 污染小等优点高能量的铿离子电池的比能量超过100Whkg高功率的锉离子 电池的比功率大于300Wkg循环寿命超过1000次聚合物铿离子电池的比能 量超过Ak002g 比功率超过400Wkg循环寿命超过500次一次充电可使 电动汽车行程超过480km是USABC实现2010年远期目标的电动车用铿离子 电池日产Hypemnini电动车采用铿离子电池其最高时速达100kmh行驶 里程为130km武汉力兴深圳比亚迪韩国LG等正积极开拓铿离子蓄电池 在电动车领域的市场 制约铿离子电池作为电动车用电池的主要因素是它的安全性和价格电动 车用电池的安全问题是必须严肃对待的问题也是倍受关注的问题铿离子电 池使用过程中发生安全事故的主要原因是电池中大的短路电流使电池局部温度 升高从而导致正极与有机电解液发生剧烈反应以至电池起火或爆炸 为了适应电动车对电池高比能量高比功率的要求从20世纪90年代中 期开始日本法国德国加拿大等国进行了大容量锉离子电池研究1996 年日本Sony公司试制成功用铿离子电池 100Ah 驱动的电动车法国Saft公 司也于1998年对电动车用铿离子电池 50Ah 进行中试IS] 我国天津电源所也于19年开始进行大容量铿离子电池的开发研制成功 的55Ah的大型圆柱型电池目前己具备小批量生产的工艺条件具有较好的性 能同时该电池的各项指标也基本上符合电动车用电池的国家标准 4 金属空气电池 主要为锌空气电池其潜在比能量为200WhKg左右锌一空气电池以锌为 负极空气中的氧作为正极活性物质氢氧化钾溶液为电解液它的优点是 性能稳定安全性好没有毒性和危险性原材料价廉制造成本低质量比 能量较高工作电压平稳电池的生产过程对环境没有明显的影响但存在寿 命短比功率小不能输出大电流及难以充电等缺点目前实现商业化的锌- 空气电池以一次电池为主锌一空气电池要作为电动车用电源以上问题必须解 决 铝空气电池也是一种发展态势很好的电池其质量比能量大理论值达到 8100WhKg目前实际只达到350WhKg这种电池质量小没有毒性和危险 性但比功率低充放电速度比较缓慢电压滞后自放电大工作期间容易 过热只能采用机械式充电使用起来不太方便尽管铝资源丰富但氧电极 催化剂的价格很高各种因素都限制了铝一空气电池作为电动车电源的应用继 以色列EFL公司之后我国博信公司通锐新能源等也进行了电动车用锌一空 气 电池的研究开发 总之金属一空气电池用于电动车的很多研究还在摸索和尝试过程中 5 超级电容器1[161 北京工业大学工学硕士学位论文 优点功率密度远高于电池能量密度又远高于传统的电容器适应超高 电流快速充放电功率密度高寿命长可达10万次以上无任何污染制造 成本低 缺点能量密度低必须与其他电池结合起来应用 超级电容器对于电动车的启动加速上坡有重要的意义超级电容器一 般与其他二次电池结合起来应用在HEV上可以提高能量利用效率并且减少 了大电流对蓄电池的冲击作用提高电池的使用寿命 6 燃料电池[ 19] 燃料电池直接将化学反应释放的能量转换成电能工作时十分安静无污 染而且这种电池不受热效应理论的限制实际效率要高于内燃机可以达到 50-70是一种较理想的动力源目前燃料电池的质子交换膜的价格太高 而且它的电极要用贵金属铂做催化剂才有较高的性能如果全球的铂都用来供 电动车燃料电池用也只能满足500-600万辆车用此外怎样为燃料电池车提 供燃料也是一个很重要的问题这涉及到生产储存运输等一系列的问题 要解决这些问题必须投入巨大的人力物力和技术力量 日本对燃料电池电力车的开发领先于其他国家丰田公司已开发出采用纯 氢或甲烷重整作燃料的电动车还设计了一种混合结构的电动装置即燃料电 池为主其他充电电池为辅的动力系统加拿大的BallardPowerSystems结合 DuPont开发的性能良好的燃料电池用的离子交换膜使得燃料电池电动车使用 化成为可能丰田公司的FCHV和本田公司的FCX燃料电池电动车已在去年完 成日本和美国的道路实验并在日本政府部门和美国的学校出售总之燃料 电池要作为电动车用电池使用必须在催化剂质子交换膜及sM料供应系统方面 取得突破性进展 29所选用蓄电池 水平铅布蓄电池的特点 在混合动力摩托车中选用北京世纪千网公司EV25 6DII25C 型电池北 京世纪千网公司生产的水平铅布蓄电池是普通铅酸蓄电池的升级产品水平 铅布 电池技术是在阀控密封铅酸电池技术基础上的又一次飞跃与传统铅酸蓄电池相 比它有四大技术特点轻质的复合材料技术水平双极性结构独特的电池盒 设计和压力框架结构生产过程的全自动化正是由于水平铅布电池技术的创新 它被誉为铅酸蓄电池的又一次革 -z[olo 与传统铅酸蓄电池相比水平铅布电池主要有以下结构和技术特点 1〕复合材料技术 铅网板栅是由纯铅 或〔铅合金 经固态挤压包覆在高强度玻璃纤维上形成的 北京工业大学工学硕士学位论文 2-4 这里Cu为当前状态下己经用掉的容量 C fKxIdt 2-5 式中K为不同放电电流下电量的加权系数 com池剩余容量的因素 铅酸蓄电池的放电过程是一个复杂的电化学变化过程蓄电池的剩余容量 受到温度放电电流充电电池退化等多种因素的影响使得对于剩余容量 的估计十分困难当电池放电时以下的一些因素将会给电池的实际剩余容量 带来主要影响 1 放电电流 在不同的放电电流下蓄电池的起始端电压和截止端电压都是不同的其 中放电电流越大则起始端电压和截止端电压越小放电容量也越小反之则 都变大 2 放电截止电压 放电截止电压指当电池放电电池的电压降到某点时如继续放电电池电 压会急剧下降若持续放电会对电池造成损害图2-2为铅酸电池典型恒流放 电曲线 1 电 且 压 之 o V 八 25吧 L n 拐点 y 台_ 备 J 闷 n 助 心 二 了 放电时同 h 10 is 劝 图2一铅酸电池典型恒流放电曲线 图2-3铅酸电池在各种温度下的放电曲线 Fig2-2constantcurrentdischargecurveof Fig2-3thedischargecurveunderdifferent Pd-acidbatteries temperatureofPd-acidbatteries 3 温度 温度对蓄电池的剩余容量的影响也比较突出随着温度的升高蓄电池的 放电时间增加即放电容量增加反之则下降通常在2001C-400?可获得 最好的电流放电特性温度过高也不好图2-3给出了启动型铅酸电池在不同 温度下的典型放电曲线 4 老化 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 蓄电池在使用一段时间后它的额定容量会有一定的变化一开始会有所 增加大约增幅在 5-20接下来的一段时间电池的容量维持不变然后 其容量会逐步减少当电池的容量低于额定容量的加时可以认为电池的寿 命结束 C5 电池的不均衡性 指电池之间的质量不同所造成的容量的差异在一组电池单元中 所能放出的容量将由实际容量最小的电池单元决定这就是所说的木桶效 应o com容量估计的意义和难点 欲提高铅酸蓄电池的寿命特性除需对生产技术要素进行改进外电池的 使用管理也是一个很重的环节有效的电池管理系统会有利于电池的寿命提高 同时实现电池能量管理系统的各种功能的基础首先要正确判断电池的荷电状 态所以对蓄电池的剩余容量的准确估计成为电动车电池能量管理系统的中心 问题本文的研究对象是针对铅酸蓄电池的下面就铅酸蓄电池电量监测问题 进行论述当前对铅酸蓄电池电量监测的方法一般比较单一虽然有的开始 时对铅酸电池的剩余容量的估计比较准确但随着温度变化蓄电池老化等变 化发生后估计的误差会变得非常大因此估计蓄电池的剩余容量就成为能量 管理系统的一个关键难点如果能够正确估计蓄电池的剩余容量就能够在实 现能量管理系统的其它功能时做到避免对蓄电池造成损害合理利用蓄电池提 供的电能可以在同样的情况下使得电动车能够行驶更远的距离延长电池组 的使用寿命 但是如上所述影响铅酸蓄电池荷电状态的因素很多铅酸电池的内部 参数如电动势内阻电容等随着放电过程变化比较大从有关论文和试验来 看铅酸电池的电动势变换大概有以下几个趋势电动势随着放电过程的进行而 降低并且对于在不同放电电流下电动势的下降速度是不同的一般这种下 降的快慢与放电电流的大小成正比即放电电流大电动势下降的速度就快反 之则慢这种变化情况大概如图2-4示这是一种几乎没有规律可寻的复杂变 化曲线铅酸电池的内阻变化状况和它的电动势变化类似也是随着放电的进 行内阻增加但是变化过程十分复杂在不同的电流下的变化也是非常复杂 的计算内阻是根据公式?V AEIxR进行的而?E特别难以得到使得计 算内阻也非常困难另外铅酸电池的电容随着放电的变化趋势以及铅酸电池 的剩余容量随着放电电流的大小变化的趋势都呈现出不规则的状态 北京工业大学工学硕士学位论文 电动势 仍 t-IC 卜12C 时何阂 图2-4铅酸电池电动势随放电时间的变化曲线图 Fig2-4thecurvesofPd-acidbatterieselectromotiveforcechangewithdischarg ingtime 因此一般来说对铅酸电池的内部模型辨识以及确定蓄电池的剩余容量 以及确定充放电的上下限比较困难所以在行驶过程中由于不能正确估计 蓄电池的剩余容量而导致对蓄电池造成损害使得电池的性能降低寿命大大 减少 com法简介 为确保对电池进行合理有效的管理和控制必须准确而又可靠地获得电池现 存的容量参数用可测得的电池参数对现存电池容量状态作出准确可靠的估计 一直是混合动力汽车和电池研究人员关注并投入大量精力的研究课题这里首先 分析一下电池容量的影响因素电池容量的影响因素很多且关系复杂从电池的 内部结构放电机理及所表现的特征分析将影响电池容量的因素分为可恢复性 影响因素和不可恢复性影响因素两类1221 可恢复性影响因素放电电流温度电解液的密度等影响因素造成电池容 量下降是因为在电流大温度低电解液密度过高时电池极板内层的活性物质 没有被充分利用如果在电池的一个完全放电过程中其影响因素的条件值向影 响小的方向改变比如放电电流从大电流放电改为小电流放电温度升高等 电解液能有时间向极板内层渗透使极板内层原未被利用的活性物质又参加 电化 学反应电池容量就会回升 不可恢复性影响因素如电池极板硫酸盐化活性物质脱落板栅腐蚀及自 放电电池老化等影响因素使极板上的有效的活性物质总量减少了即电池丧失 的容量在放电过程中是不可能因为放电条件的改变而恢复的 目前国内外较为普遍地采用电池荷电状态 SOC 来描述电池容量状态 准确和可靠地获得电池荷电状态 SOC 是电池管理系统中最基本和最首要的任 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 务因为soc值的大小直接反映了电池所处的状态由此可限定电池的最大放 电电流和预测电动车的续驶里程根据各节电池的soc值可以识别电池组中 各电池间的性能差异并依此进行均衡充电以保持电池性能的均匀性最终达 到延长电池寿命的目的 大多数电池的荷电状态发生变化时其电化学特性变化不显著或不太规则 因而无法用来直接指示充电状态即soc这就需要研究电池复杂的电化学特性 诸如开路电压负载电压温度内阻电解液的比重电解液导电系数等参数 与电池充电状态之间的关系由此出现了多种估计电池soc值的方法介绍如下 1 密度法2[31 蓄电池剩余电量和其内部电解液密度密切相关其电解液密度由硫酸铅氧 化铅和铅三者决定通过测量电解液的密度值可间接推算其剩余电量但在电 池使用后期随着正负极板的腐蚀断筋上述三种物质的比例跟电池制造时的 配制比例发生较大差异从而导致用密度值推算剩余电量不再准确另外密度 法不适合目前正在大量使用的密封式蓄电池 2 开路电压法 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用开路电压可估计soc文献[24] 描述了铅酸电池开路电压剩余容量和电解液密度的关系MHNi电池和铿离 子电池的开路电压与soc关系的线性度不如铅酸电池好但其对应关系也可以 估计soc尤其在充电初期和末期效果较好 开路电压法的显著缺点是需要电池长时静置以达到电压稳定电池状态从 工作恢复到稳定需要几个小时甚至十几个小时这给测量造成困难静置时间 如何确定也是一个问题所以该方法单独使用只适于电动汽车驻车状态开路电 压法在充电初期和末期soc估计效果好常与Ah计量法结合使用 3 放电实验法 放电实验法是最可靠的soc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1 需要大量时间2 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 4 Ah计量法 Ah计量法是最常用的soc估计方法如果充放电起始状态为soco那么 当前状态的soc为 SOC SOC一CN如? 2-6 其中CN为额定容量I为电池电流为充放电效率不是常数 北京工业大学工学硕士学位论文 Ah计量法应用中的问题有电流测量不准将造成Soc计算误差长期积 累误差越来越大要考虑电池充放电效率在高温状态和电流波动剧烈的情况 下误差较大电流测量可通过使用高性能电流传感器解决但成本增加解决 电池充放电效率要通过事前大量实验建立电池充放电效率经验公式从 计量 法可用于所有电动汽车电池若电流测量准确有足够的估计起始状态的数据 它是一种简单可靠的Soc估计方法 5 负载电压法 电池放电开始瞬间电压迅速从开路电压状态进入负载电压状态在电池负 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[251 负载电压法的优点是能够实时估计电池组的Soc在恒流放电时具有 较好的效果实际应用中剧烈波动的电池电压给负载电压法应用带来困难解 决该问题要贮存大量电压数据建立动态负载电压和Soc的数学模型负载 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 6 内阻法阴 电池内阻有交流内阻 impedance常称交流阻抗 和直流内阻 resistance 之分 它们都与SOC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池处于静置后的开路状态还是对电池在充放电 过程中进行交流阻抗测量存在争议所以很少用于实车上交流阻抗法原理及 应用 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铅酸 电池在放电后期直流内阻明显增大可用来估计电池SOCMHIQi电池和锉 离子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间段影响若时间段短于10ms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 这是直流内阻法的缺点内阻法适用于放电后期电池SOC的估计可与Ah计 量法组合使用 7 线性模型法1271 该方法是基于SOC变化量电流电压和上一个时间点SOC值建立的线 性方程 OSOC i 3o6U i 6Z1 i 8SOC i一1 2-7 SOC i SOC I一1 OSOC i 2-8 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 SOC i 为当前时刻的soc值ASOC i 为soc的变化量U和I为当前时 刻的电压与电流即p1p2阳为利用参考数据通过最小二乘法得到 的系数没有特别的物理含义上述模型适用于低电流soc缓变的情况对 测量误差和错误的初始条件有很高的鲁棒性线性模型理论上可应用于各种类 型和在不同老化阶段的电池目前只查到在铅酸电池上的应用在其他电池上的 适用性及变电流情况的估计效果要进一步研究 8 神经网络法2[81 电池是高度非线性的系统对其充放电过程很难建立准确的数学模型神经 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 相应的输出所以能够模拟电池动态特性来估计soc估计电池soc常采用 3层典型神经网络率输入输出层神经元个数由实际问题的需要来确定一般 为线性函数中间层神经元个数取决于问题的复杂程度及分析精度 估计电池 soc常用的输入变量有电压电流累积放出电量温度内 阻环境温度等神经网络输入变量的选择是否合适变量数量是否恰当直接 影响模型的准确性和计算量神经网络法适用于各种电池缺点是需要大量的参 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 9 卡尔曼滤波法[291 卡尔曼滤波理论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 优估计应用于电池soc估计电池被看成动力系统soc是系统的一个内部 状态电池模型的一般数学形式为 状态方程 Xkt一AkxkBkukw一f XkUk wk 2-9 观测方程 yk CkXkVk g Xk Uk Vk 2-10 系统的输入向量Uk中通常包含电池电流温度剩余容量和内阻等变量 系统的输出yk通常为电池的工作电压电池soc包含在系统的状态量Xk中减 Xkl Uk 和S XkUk 都是由电池模型确定的非线性方程在计算过程中要进行线性 化 估计soc算法的核心是一套包括soc估计值和反映估计误差的协方差矩阵 的递归方程协方差矩阵用来给出估计误差范围这一方程是在电池模型状态方 程中将soc描述为状态矢量的依据 7OkAt Sock Sock C 2-11 卡尔曼滤波方法估计电池soc的研究在近年才开始如文献[2930]所列 该方法适用于各种电池与其他方法相比尤其适合于电流波动比较剧烈的混合 动力汽车电池soc的估计它不仅给出了soc的估计值还给出了soc的估 北京工业大学工学硕士学位论文 计误差该方法的缺点能力要求高 com能量管理系统中采用的方案及进展 电池的实际有效容量要受到放电电流密度电解液温度电池老化自放电 和非恒定电流放电条件下的恢复效应等诸多因素的影响要想较为准确地预测剩 余电量就必须全面考虑这些因素同时还要考虑每一块电池性能的不一致问 题所以当前在国内外电动车能量管理系统的研究中国际上大致有以下两大 类方法3 11 1 将上述多种基本方法中的几种组合起来在考虑电池温度放电条件等因 素后进行补偿来提高剩余容量的预测精度如内阻一安时法[3z1Peukert安时 法[[331 2 采用更为复杂的模型如TN模型 Hoxie模型的改进 Shepard模型和 Martin模型的组合模型 这两类方法各有利弊前者方法简单计算量少对硬件要求相对较低但 精度差一些后者精度高些但方法复杂计算量大对硬件要求较高 近年来采用模糊逻辑推理和神经网络的方法较多下面介绍几种能量管理 系统及其所采用的剩余容量预测的方法 MorioKayano等人在论文3〔41中介绍的应用于本田公司开发的电动车EV Plus上的电池剩余容量和续驶里程显示仪采用公式如下 蓄电池剩余容量 Ah 额定容量一放电容量一自放电容量一温度补偿容量 蓄电池荷电状态 卜100x剩余容量额定容量一退化率 即综合考虑了电池的自放电温度电池老化的因素影响从理论上来说 这套系统还比较理想但需要对铅酸电池有较多的先验知识在适用不同厂家 生产的铅酸蓄电池方面还很困难计算的数据也非常多像自放电容量温度 补偿容量退化率等需要大量的先验知识而且计算出来的结果的可信度也不 高 清华大学研制的电动自行车智能控制器[351用PHILIPS的9XC752微 处理 器作主控单元电池荷电状态的判断采用开路电压法负载电压法安时法三 种方法相结合在放电前用开路电压法判断剩余容量在放电开始后的几分钟 内用负载电压法校正结果在电池放电后期用安时法来预测剩余容量 日本ChugokuElectricCoInc技术研究中心开发的铅酸电池状态指示器是 结合安时法和内阻法来估计剩余容量的韩国SamsungAdvancedInstituteof TechnologyCoreResearchCenterautomotiveElectronicsLab开发的SOC指示器 采用的是Peukert方程结合安时法香港大学DeptElectricalEngineering研制的 第2章 混合动力摩托车用动力电池性能分析 智能电池管理系统与韩国人的方法相比考虑了温度和老化的因素 JinchunPengYaobinChenRussEberhart在论文[36]中介绍T用神经网络的 方法来预测剩余容量网络结构为四输入单输出的三层前馈网络四个输入量 分别为电流放电容量 汕 温度电压结构图如图2-5所示该方法虽然 考虑了较多的因素但网络结构简单需要的训练数据较多学习过程较慢 从 目 七川n v阳日 图2-5SOC判断神经网络结构图 Fig2-5TheneuralnetworksconfigurationofestimateSOC com所采用方案 上面介绍了铅酸电池容量计算的几种常用方法由于不同蓄电池的特性 及 影响蓄电池性能的多种因素它们在实际应用于电动车上都存在较大的误差 根据我校电动车实验室在电池使用和监测经验数据的研究基础结合当前国 内外 的研究进展同时综合分析了上述各种方法的优缺点本文提出了一种适合混 合动力摩托车上使用的检测蓄电池剩余容量的方法即结合安时和开路电压的 综合方法这种方法考虑到温度和使用时间长短等因素对蓄电池的实际容量 进行校正达到准确预测电池的剩余容量的目的 因为蓄电池剩余容量预测的主要难点在于电池的实际容量难以确定而蓄 电池的实际容量受很多因素影响如不同的放电电流不同的工作温度及上次 充放电情况不同都会影响蓄电池的实际容量单纯采用安时法虽能准确计量 进出电池的能量但无法确定电池充放电的原点本文中采用静置电池后初始 的开路电压法来估计初始电量的测量此时开路电压非常准确在车辆行驶过 程中采用Ah计量法来估计电池的剩余容量并考虑到放电电流温度和循 环使用次数的补偿最后通过具体实验数据来确定蓄电池工作电压电流温 度与剩余电量之间的非线性关系t37]来确定剩余电量并达到使用精度具体的 实现方法将在下面的章节中详细介绍 北京工业大学工学硕士学位论文 com 本章首先介绍了一些电动汽车常用动力电池及其基本的性能指标然后介 绍了本文选用的蓄电池 水平铅布蓄电池及蓄电池剩余容量等概念论述 了影响电池荷电状态的因素和判断电池荷电状态的意义及难点最后介绍了剩 余容量估计常用的方法及国内外研究进展提出了本文所采用的安时和开路 电 压的综合判断方法 第3章 蓄电池管理系统的硬件实现 第3章 蓄电池管理系统的硬件实现 31电池管理系统的总体结构 混合动力摩托车电池管理系统的结构框图如图3-1 图3-1电池管理系统的结构框图 Fig3-1SchematicofBMS com器介绍 主处理器采用INTEL公司的MCS96系列16位单片机8OC196KC在单片 机家族的众多成员中MCS-51系列单片机以其优越的性能成熟的技术及高 可靠性和高性能价格比迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场 但是在一些比较复杂的系统中它就显得力不从心不得不让位于 16位机 MCS96系列单片机是在工业界应用广泛的嵌入式控制器具有高性能的寄存 器 一寄存器结构可以很好地运用于实时控制应用如自动化控制车辆控制电 机控制等下面就介绍一下MCS96系列单片机的特点 1 CPU采用寄存器一寄存器结构CPU操作直接面向512字节的寄存器 消除了CPU结构中的累加器的瓶颈效应提高了操作速度和数据吞吐能力 2 有一套效率更高执行速度更快的指令系统可以对带符号数和不带符 号数进行操作 3 增加了一个外设事务服务器PTS专门用于处理外设中断事务它是一 种微代码硬件中断处理器提高了中断事务的实时处理的能力比普通中断的 北京工业大学工学硕士学位论文 服务大大减少了CPU的软件开销 4 80C196KC还集成了更为丰富的外设装置 令 振荡器和时钟发生器振荡信号频率达16MHz的运算速度更快 冷 定时器1计时器 个 标准输入it出口8个AD通道可以方便地实现被控对象多点电压 和电流采样 令 全双工异步和同步串行输入喻出口可实现与PC机之间的通信 4 监视定时器W atchdog 用于提高系统抗千扰能力 令 模拟擞字转换器 命 高速输AV出器 HSIO 或事件处理器阵列 EPA 用于记载引脚上输 入 事件的发生时刻和按预定时间执行操作 令 脉宽调制输出可用于直接驱动电机类的元件或滤波后获得直流输出 令 频率发生器能产生一定范围的频率信号形成频率调制的编码信号 另外新增l00H-1FFH内部RAM在垂直窗下具有更灵活的运用具有 三路脉宽调制 PVdM 输出在80C196KB的基础上又增加了5条 KB已经 增加了6条 使程序编制更加方便16位多路复用地址数据地址线可以与 PSD直接接口同时通过锁存器后可将地址和数据分别接至双口RAM实现 多个CPU之间的数据传输等 com理系统的硬件的设计 本设计中电池管理系统的硬件设计就是基于上述的80C196KC单片机上 完成的主要由电池监测即参数采集部分充电部分均衡部分以及显示部分 组成 如图3-1所示 其中参数采集主要由电池智能管理芯片DS2438来实现 测量到各块电池在工作过程中的电压电流剩余电量和温度采集数据传送 到Intel16位单片机80C196KC的UO口Pll口电池组总电压由霍尔电压传 感器完成直接传送到单片机的AD转换部分通过单片机处理来显示数据 硬件的设计要实现对混合动力摩托车动力电池组的合理管理首先必须保证 采 集数据的准确性其次是可靠稳定的系统通信最后非常重要的是系统的抗干 扰性在具体实现过程中根据设计要求决定需要采集动力电池组的数据类型 根据采集量以及精度要求决定前向通道的设计 另外系统中设计有RS232串行通讯接口主要实现两方面的功能 1 在软硬件的调试阶段实现调试功能通过串行通讯接口和上位机相连通过 在上位机编的串口通讯调试程序对电池管理系统的AD采样端口数字量输 入输出端口的硬件功能和相应的软件算法进行调试和检验 2 通过串行通 第3章蓄电池管理系统的硬件实现 讯接口和LCD显示屏的串行口连接实现对LCD显示屏的驱动调用LCD的 相应页面并显示电池组的参数和报警信息形成良好的人机界面 32参数采集系统 com理芯片DS2438 DS243813s391是Dallas公司推出的智能电池监视器该器件是为了解决 便携 式电子产品电池工作状态的实时监测而推出的主要性能特点如下 独特的单总线工作方式只需要一根数据线实现数据的输入输出 为每个被测电池设置唯一的64位序号标记 片内13位精度温度传感器测量蓄电池壳温最小分辨率0031250C 片内10位二通道电压AD转换器用于测量电池的端电压最小分辨率为 10mve 片内10位电流AD转换器可测量电池组的电流 片内逝去时间计数器二进制计量流逝时间完成充放电时间计时 片内40字节非易失性用户存储器 正常工作温度范围为一40?一850C 单电源工作低功耗特性 DS2438采用SOIC表面贴装封装形式其外形及引脚排列如图3-2所示 引脚 功能说明见表3-10 咖 口 日 口 D O 表3-1DS2438的管脚描述 1 Table3-1basepindiscripsionofDS2438 朴 门 门 门 2 7 尸 门 』 毗 引脚号 引脚名称 说 明 』 门 3 6 目 N C 1 GND 接地 日 口 2 4 6 V a o Vsarrs 电源电流监视输入 3 VsNEs- 电池电流监视输入 - DS2438Z 4 VAD 通用AD输入端 8-PinSOIC 150-mil 5 VDD 供电电压 24-10V 图3-2DS2438外形及引脚排列图 6 7 NC 空引脚 8 DQ 数据输入t1出I线操作开漏 Fig3-2configurationofDS2438 DS2438的功能原理结构框图如图3-3所示 一一一一一一1M4IAtIWLRi1-t一--一 一一 图3-3DS2438的功能原理结构框图 Fig3-3thefunctionandprincipleschemeticdisgramofDS2438 通过DS2438片内的集成温度传感器测量温度对电池进行温度测量时要 将DS2438芯片紧贴于被测电池上测量的结果将放入温度寄存器中并通过单 总线接口串行传送DS2438测量的温度范围为一55C1250C分辨率为 003125? DS2438内置了一个 10位的电压AD转换器用于测量电池的端电压当 DS2438收到转换电压的命令时片内ADC转换器将对VAD管脚上的电压进行 数字转换转换时间为 4ms电压测量结果将被保存在两字节的电压寄存器 DS243SADC的测量范围为0-lov分辨率为lOmv最大量程为0-1023V DS2438内置了一个电流AD转换器用于测量电池组的电流单片机控制 DS2438使其电流AD转换器使能DS2438便会以每秒3641次的速度对流入 流出电池块电流 自动进行测量侧量的结果存放于电流寄存器中电流寄存器的 高字节的高六位是流入电池电流的符号位为1时表示电池正在充电也就是仪 器正由交流电源供电为0表示电池正在放电即仪器正由直流电池供电因此 单片机读出电流寄存器的值对其高六位进行判断就可获悉供电方式同时也获 得了电流值 电池的剩余电量用集成电流累加器 ICA 的值求得ICA是一个累积电池组 投入使用后的全部流入和流出电池电流的寄存器其值是由DS2438定时自动测 量外接电阻RSENS的电压后更改的无需对其进行控制只需单片机读出ICA寄 存器的值然后由下式计算得出电池的剩余电量 剩余电Ri ICA 2048XRsNEs 其中RsNEs为外加电阻见图3-3所示单位为a 第3章蓄电池管理系统的硬件实现 com感器 电池组电压的测量使用了北京森社科技公司的闭环霍尔电压传感器 由于电池组的电压信号为强电信号直接测量存在一定的难度和危险性 而霍尔传感器为感应式传感器其输出信号与感应的原始信号保持精确的 线性关系因此比较适宜用作混合动力摩托车的强电信号测量传感器 传感器原理霍耳效应是一种物理现象通电的半导体在磁场变化时 它的两个表面就会产生电势差通过放大器将其放大可以产生标准的信 号有利于计算机的接口工作原理如图3一所示 磁铁 图3-4霍耳效应原理图 Fig3-4schemeticdisgramofHallEffect 闭环控制霍耳元件电压传感器的工作原理如图3-5所示被测电压VN流过 R1的电流通过导体产生的磁场由霍耳元件输出信号控制的补偿电流玩流过 次级线圈产生的磁场补偿当原边和副边的磁场达到平衡时其补偿电流Im即 可精确反映原边电压值 v颐边电饭 卜ImrrYnlt叱 川 鑫 朗 侧盈旅出 加e邵 图3-5闭环控制霍耳元件电压传感器工作原理图 Fig3-5theprincipleofclosedloopHallvoltagesensor 霍耳电压传感器标定时接线如图3-b霍耳电压传感器采用原厂加工模 块线 路板IN十接输入电压正IN一接输入电压负十端接12V电源一端接一12V 电 源M为输出信号端地端接公共地 北京工业大学工学硕士学位论文 图3-6电压传感器接线图 Fig3-6theconnectionofthevoltagesensor 图3-7为该霍尔电压传感器的输出特性曲线拟合后的方程为 U 999653u-011129其中U为电池组的端电压u为霍尔传感器的相应输出信 号传感器的额定电压为50V测量范围是0-100V U--999653u-011129 3 0 ( ) 势 汤 0未一半 一一一一一一尸一一 0 1 2 3 4 5 封M 图3-7电压传感器输出信号特性曲线 Fig3-7Characteristicofvoltagesensorsoutputsignal 使用电压传感器的目的就是为了及时检测蓄电池电压由图3-7以及传 感 器的工作原理可知传感器的某一个输出值对应一个测量值而且基本上是线 性关系根据图3-7中的方程对AD获取的霍尔电压数值进行线性计算可直 接得出电池组电压值那么ECU就可通过计算直接显示实际测量到的电压这 种测量方法稳定而且可靠数据也比较准确 33充电系统 com充电器 由于在混合动力摩托车上使用的是四节12V25AH的电池并联成48V动 力 第3章蓄电池管理系统的硬件实现 源所以固定式充电器的选择就和市面上很多电动摩托车相同基本原理图如 图3-8 路肠这48v电动车充 电拐 匡 功 『 书 图3-8电动车48V充电器原理图 Fig3-8principleofelectricvehiclecharger 这种固定式充电器功能以DDCC-48V电动车智能充电器为例它是一种高 质量的高频开关电源充电器适用48V的阀控铅酸蓄电池组的充电这种充电 器具有典型的恒流恒压浮充三段式铅酸电池充电时序可以提供铅酸蓄电 池组所需的恒定均充电流自动监测蓄电池组的端电压自动转入恒压状态 保证蓄电池电量充足当电池充饱之后可以自动转入浮充状态 充电器的红灯是电源指示灯亮起时表示电源接通绿灯不停闪烁表 示处于充电状态绿灯转为不闪动时进入浮充电即电池已充满可以取下 使用 因此当没有阳光照射时混合动力摩托车可采用固定式充电器停车补充 充电的方式补充电能适用性广 com电池充电器 1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池是把光能直接转换成电能的一种半导体器件太阳能发电具 有 许多优点如安全可靠无噪音无污染能量随处可得无需消耗燃料无 机械转动部件维护简便使用寿命长建设周期短规模大小随意可以无 人值守也无需架设输电线路还可方便与建筑物相结合等这些都是常规发 电和其他发电方式所不及的 北京工业大学工学硕士学位论文 图3-20摩托车磁电机的点火及交流发电系统 Fig3-20theignitionandACgeneratingsystemofmotocycle 34均衡管理系统 com放电管理的必要性 1 蓄电池不一致性产生的原因 由于选用的动力电池以4块串联的形式组成动力电池组而组成电池组的 每块电池存在不一致性这就造成动力电池组的使用性能达不到单一电池原有 水平蓄电池组的循环寿命往往达不到厂商标称值蓄电池不一致性产生的原 因有两个方面4[1气 在制造过程中由于工艺的问题和材质的不均匀使得电池极板活性物 质的活化程度和厚度微孔率连条隔板等存在很微小的差别这种电池内部 结构和材质上的不完全一致性就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量 内阻等不可能完全一致 在装车使用时由于电池组中各个电池的电解液密度运行温度湿度 和通风条件自放电程度及充放电过程等差别的影响在一定程度上增加了电 池的电压内阻及容量等参数的不一致性 2 电池的不一致性分类 根据电池组不一致性对电池性能影响方式不同和作用原理不同可以把 电 池的不一致分为容量不一致电阻不一致和电压不一致4[21 容量不一致容量不一致性的影响可以分为3个方面 1 汽车行驶距 离相同因容量不同电池的放电深度也不同在大多数电池还属于浅放电情 况下容量不足的电池己经进入深放电阶段并且在其他电池深放电时低容 量电池可能己经没有电量放出成为电路中的负载 2 同一种电池都有相同 的最佳放电率容量不同最佳放电电流就不同在串联组中电流相同所以 有的电池以最佳放电电流放电而有的电池达不到或超过了最佳放电电流 3 在充电过程中小容量电池将提前充满为使电池组中其他电池充满小容量 电池必将过充电充电后期充电电压偏高甚至超出电池电压最高限形成安 全隐患影响整个电池组充电过程以上3个原因使容量不足的电池在充放 电过程中进入恶性循环提前损坏 电阻不一致性对于串联电池组在放电过程中串联组中电流相同 内阻大的电池电压降大能量损失大产生大量热量而温度越高内阻越 第3章 蓄电池管理系统的硬件实现 大能量损失越大在充电过程中由于内阻不同分配到串联组各个电池的 充电电压不同将使电池充电电压不一致随着充电过程的进行内阻大的电 池电压可能提前到达充电的最高电压极限由此为了保证充电安全而不得不 在 大多数电池还末充满的情况下停止充电 电压不一致电压不一致性主要影响在于并联组中电池的互充电当一 节电池电压低时并联组中其他电池将给此电池充电这种联结方式能量将 损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出 电压是不一致性最为直观也最容易测量的表现形式在汽车行驶过程中 如果某块电池的电压比电池组中其他电池低如果继续使用将成为电池组的 负载影响其他电池的工作而电压较低的电池由于没有电量可以放出若继 续使用将造成永久性的损坏而使整个电池组不能正常工作如果让蓄电池系 统在这种情况下运行而不加以适当的管理电池单体间的不一致性会逐步扩 大 使得在使用中有些电池过度充电有些电池又过度放电两者都会明显缩短电 池的寿命 在电动汽车电池充放电的研究过程中曾经遇到过这种情况电池组的开 路电压大约还有202V但是接通主电源回路后电池组电压突降到只有8v0驱 动系统根本无法正常工作最后检查的结果是电池组中的一块电池损坏其 电压比其他电池低得多而内阻比其他电池大得多最终造成整个电池组工作 不正常 为了研究电动汽车水平铅布电池组的电池均衡性分别测量了充电前开 路 状态各个电池的电压以及以12A恒流充电时达到不同充电电压情况下的各 个 电池的电压试验结果见图3一21 二入 人办 卜