【正文】 展情況 目前 世界各國(guó)著名的汽車(chē)廠商都在加緊研制各類電動(dòng)汽車(chē)，并且取得了一定程度的進(jìn)展和突破。 從目前世界范圍內(nèi)的整個(gè)形勢(shì)來(lái)看，日本是電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一，特別是在混合動(dòng)力汽車(chē)的產(chǎn)品發(fā)展方面，日本居世界領(lǐng)先地位。 1997年 12 月，豐田汽車(chē)公司首先在日本市場(chǎng)上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車(chē) PRIUS。繼 PRIUS 混合動(dòng)力轎車(chē)之后，豐田汽車(chē)公司還推出了 ESTIMA 混合 動(dòng)力汽車(chē)和搭載軟混合動(dòng)力系統(tǒng)的 CROWN 轎車(chē)。此外，本田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的 Insight混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)也已投放市場(chǎng)，供不應(yīng)求。 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 33 頁(yè) 美國(guó)的汽車(chē)公司在電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化方面比來(lái)自日本的同 行遜色不少，三大汽車(chē)公司僅僅小批量生產(chǎn)、銷售過(guò)純電動(dòng)汽車(chē)?，F(xiàn)已推出三款混合動(dòng)力概念車(chē) GM Precept、Ford Prodigy、 Daimler chrysler Dodge ESX3。 2． 3 電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng) 電池是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，在電動(dòng)汽車(chē)中占有重要的地位。如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此電動(dòng)汽 車(chē)的電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)必不可少的重要組成部分。電池管理系統(tǒng)主要有三個(gè)功能： (1)精確監(jiān)測(cè)電池電壓、電流和溫度參數(shù)，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵； (2)在監(jiān)控正確參數(shù)的前提下，應(yīng)用一定的算法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出電池電量狀態(tài)； (3)建立起一個(gè)四通八達(dá)的數(shù)據(jù)傳遞通道，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部部件間，內(nèi)部與外部計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊和處理。 在電池管理系統(tǒng)中，電池電壓的精確測(cè)量和剩余電量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是管理系統(tǒng)亟待突破的兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。在電池的充、放電過(guò)程中，電池的端電壓變化只有數(shù)十毫伏，因此電池電壓檢測(cè)需要很高的精度，否則就無(wú)法 正確判斷電池的工作狀態(tài)。而且電池在線充、放電時(shí)電壓、電流都會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，汽車(chē)內(nèi)溫度變化及電磁干擾對(duì)電壓檢測(cè)產(chǎn)生較大的影響，要使電壓測(cè)量達(dá)到要求的精度比較困難。而目前應(yīng)用在剩余電量預(yù)測(cè)方面有許多種算法，由于對(duì)電池內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理的復(fù)雜性以及狀態(tài)的不可確定性，一般建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的算法更為準(zhǔn)確，對(duì)不同類型和安時(shí)數(shù)的電池而言算法可能不同，因此專用性較強(qiáng)。 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展不斷成熟，但也還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，例如如何提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程和舒適性，電池的剩余電量的指示，電池如 何在變化的氣候條件下工作，如何對(duì)電池快速充電。電池的數(shù)量有限，充放電并不均衡。如何有效地利用電池的能量，延長(zhǎng)電池的壽命。電動(dòng)車(chē)還有能量回收的問(wèn)題。這些問(wèn)題都涉及到電池的能量管理和整車(chē)的能量管理。與電機(jī)、電機(jī)控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，電池管理技術(shù)還不是很成熟。 電池自身的性能參數(shù)影響電池的壽命，但電池本身的問(wèn)題不在電池管理的范圍之內(nèi)。電池外部因素也影響電池的壽命，如電池的充電參數(shù)，包括充電方式、充電電流、充電結(jié)束電壓；電池的放電參數(shù)，包括電池的放電電流、放電深度、脈沖電流等；電池的溫度；對(duì)電池維護(hù)的方式和頻率。 從電動(dòng)汽車(chē)的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，單個(gè)電池的壽電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 33 頁(yè) 命遠(yuǎn)比電動(dòng)汽車(chē)中的電池長(zhǎng)，借助電池管理系統(tǒng) (BMS)，還可以優(yōu)化電池的外部參數(shù)，大大增加電池的壽命。 要實(shí)現(xiàn)這些功能就應(yīng)建立一個(gè)電池監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，其功用是通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制單個(gè)電池的性能，最大化電池的充放電效果。它是一個(gè)基于微處理器的適時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每個(gè)不良電池的情況都應(yīng)及時(shí)顯示在駕駛員儀表板上。預(yù)測(cè)電池每個(gè)循環(huán)可提供的電量及回收制動(dòng)的能量所產(chǎn)生的電量，并控制放電深度和充電時(shí)和制動(dòng)回收能量時(shí)的過(guò)充電。電池監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)是一個(gè)隨車(chē)系統(tǒng)，因此電池的狀況是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。 本文 主要運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法估算 電動(dòng)汽車(chē)電池 SOC，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化參數(shù)使得剩余電量預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。 2． 4 發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)的重要意義 隨著能源危機(jī)的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上升的危害加劇，作為有效緩解環(huán)境污染和能源衰竭的電動(dòng)汽車(chē)將成為經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)上的主角。電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境的影響意義重大： （ 1）節(jié)約能源，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)的石油對(duì)外依存太高，燃油車(chē)耗油占全國(guó)總油耗比例也日益增加。而電動(dòng)汽車(chē)能量來(lái)源可以是多樣化的，推廣電動(dòng)汽車(chē)能夠優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的能源安全。 （ 2） 保護(hù)環(huán)境，減少碳排放量。電動(dòng)汽車(chē)排放污染大氣的有害氣體是有限的，推廣電動(dòng)企業(yè)的發(fā)展，可以減少溫室氣體排放量，有效緩解大氣污染。 （ 3）優(yōu)化資源配置。我國(guó)鋰資源、稀土資源儲(chǔ)藏量豐富，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)可充分利用我國(guó)現(xiàn)有的 資源。 但是目前電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)還存在著一些問(wèn)題亟待解決，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命短與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比相差很遠(yuǎn)。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本居高不下，這將制約著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。準(zhǔn)確估算電動(dòng)汽車(chē)電池 SOC，將有效的解決電池的使用壽命等問(wèn)題。 3 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池 3． 1 動(dòng)力電池的分類 動(dòng)力電池是為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力 系統(tǒng)提供能量的蓄電池，主要包括鋰離子電池、鎳氫電池和鉛酸電池等 [5][6]。 鉛酸電池 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 33 頁(yè) 鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)是 PbO2， 負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀的金屬鉛，電解液是稀硫酸。其反應(yīng)原理如下： 陽(yáng)極反應(yīng) ??? ???? HP b S OeH S OP 44 2b 陰極反應(yīng) OHSOPH S OHP b O 2442 2be23 ????? ??? 總反應(yīng) OHP b S OH S OOPPb 2442 222b ???? 鉛酸蓄電池是最早發(fā)明的二次電池，其開(kāi)路電壓高，價(jià)格便宜，放電電壓平穩(wěn)，生產(chǎn)技術(shù)成熟，使用可靠，因此一直被范圍廣的應(yīng)用。但鉛酸蓄電池作為動(dòng)力蓄電池主要存在循環(huán)壽命短、電池自放電較強(qiáng)、比能量低等缺點(diǎn)。 由于電極與電解液稀硫酸直接接觸，使極板柵很容易被腐蝕，且在電極上會(huì)生成緊密的白色硫酸鹽外皮，導(dǎo)致電池不能再充電，并且在放電過(guò)程中正極活性物質(zhì)容易脫落，因此循環(huán)壽命一般僅為 150300 次。 鉛酸電池 安全性好 、 成本低，在微混和城市型純電動(dòng)汽車(chē)上具有一定優(yōu)勢(shì)。但能量密度低， 所以 無(wú)法在其它類型 電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用。 鎳氫電池 MH/Ni電池正極的活性物質(zhì)為氫氧化鎳，負(fù)極板的活性物質(zhì)為儲(chǔ)氫合金，其反應(yīng)原理如下： 陰極反應(yīng) ?? ???? OHMHOHM e2 陽(yáng)極反應(yīng) ?? ???? eOHOOHNOHOHN 22 i)(i 總反應(yīng) MHN iO O HOHNM ??? 2)(i 鎳氫蓄電池的電解液多采用 KOH 溶液 ，有時(shí)加入少量的 LiOH。隔膜采用尼龍無(wú)紡布、多孔維尼綸無(wú)紡布等。 為了防止過(guò)充生成氣態(tài)氫氣引起爆炸，電池中設(shè)有防爆裝置。在充電時(shí)，負(fù)極析出的氫貯存在儲(chǔ)氫合金中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳 NiOOH 和 H2O，放電時(shí)氧在負(fù)極被還原，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。 鎳氫動(dòng)力蓄電池具有良好的可逆性、高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無(wú)污染等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。 鎳氫電池技術(shù)成熟、安全性好，在混合動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域占據(jù)主流地位。但能量密度低，成本高，技術(shù)發(fā)展較慢，性能也難以進(jìn)一步提高。 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 33 頁(yè) 鋰離子電池 由于金屬鋰位于元素周期表的第一主族第二位，在金屬中具有最負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位 ()，以及最小的電化當(dāng)量 ()，因而與適當(dāng)?shù)恼龢O材料匹配構(gòu)成的鋰電池，具有比能量高、電壓高的特點(diǎn)。 以石墨 /鋰鈷氧電池為例，反應(yīng)原理如下： 負(fù)極： 6xix6 CLieLC x??? ?? 正極： ??? ??? eC o OLiOCL x xx L ioi 212 電池總反應(yīng)： 6212 ii6oi CLC o OLCOCL xx ??? ? 與其它二次電池相比，鋰離子電池具有更良好的綜合性能，電池的平均電壓為；與相同瓦時(shí)數(shù)的鎳氫電池相比，重量和體積比鎳氫電池小約 20%~30%，真正達(dá)到了高比能量。鋰離子電池特點(diǎn)是質(zhì)量輕、能量大、使用壽命長(zhǎng)、工作電壓高、低自放電，能夠連續(xù)、平穩(wěn)的放電，是目前世界上比能量最高、循環(huán)壽命最長(zhǎng)的可充電電池之一。因?yàn)殇囯x子電池有以上優(yōu)勢(shì)，鋰離子動(dòng)力電池的研究也逐漸受到人們的重視。鋰離子電池性能較好，適用范圍也比較廣，具有 良好的應(yīng)用前景，在未來(lái)將逐步占據(jù)電動(dòng)汽車(chē)電池市場(chǎng)的主流地位。 3． 2 影響電池 SOC 的因素 準(zhǔn)確估算電池 SOC，可以提高動(dòng)力電池的能量效率，延長(zhǎng)電池的使用壽命。而影響 SOC 準(zhǔn)確計(jì)量的因素很多，其中自放電因素、溫度因素、放電倍率因素、電池壽命因素等都與 SOC 密切相關(guān)。 自放電因素 電池在貯存的過(guò)程中容量會(huì)下降，這是由電池的自放電引起的。引起自放電的原因是多方面的，包括電極的腐蝕，活性物質(zhì)的溶解，電極上的歧化反應(yīng)等，其中最主要的主要原因是負(fù)極的腐蝕和正極的自放電。 電池的負(fù)極一般是比較活潑的金屬 ，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位比氫的電極負(fù)，當(dāng)有正電性的金屬雜質(zhì)存在時(shí)，就容易與負(fù)極形成有腐蝕作用的微電池。貯存過(guò)程中，在電池的正極上會(huì)發(fā)生副反應(yīng)消耗正極的活性物質(zhì)，從而使電池的容量下降。如果正極物質(zhì)從電極上溶解，到達(dá)負(fù)極后就會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引起自放電。 電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 33 頁(yè) 自放電速率可以用單位時(shí)間內(nèi)容量降低的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。為了計(jì)算電池的自放電，一般為電池管理系統(tǒng)配置一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，系統(tǒng)記錄下電池組上次掉電時(shí)和本次上電時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間，得到電池組的靜置時(shí)間，然后根據(jù)事先通過(guò)離線實(shí)驗(yàn)測(cè)得的自放電率來(lái)計(jì)算靜置時(shí)電池組的自放電，完成自放電補(bǔ)償。 溫度因素 由于電池中電極材料的活性和電解液的電遷移率等都與溫度有密切關(guān)系，所以環(huán)境溫度對(duì)電池性能的影響非常關(guān)鍵。其影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：對(duì)電池容量的影響，對(duì)電池電動(dòng)勢(shì)的影響以及對(duì)電池自放電率的影響。 一般來(lái)說(shuō)，電池的中高溫放電容量明顯比低溫時(shí)放電容量大，這是因?yàn)楦邷赜欣陔姌O材料中離子的擴(kuò)散，提高了材料的動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)電解液中電解質(zhì)的電導(dǎo)率也隨著溫度的升高而增加，使得遷移內(nèi)阻減小。但是如果溫度過(guò)高，電解液會(huì)發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生大量的氣體，使電極材料變質(zhì)，從而加速電池的老化，使電池的容量迅速衰 減。 對(duì)于鉛酸蓄電池，可以根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)針對(duì)溫度對(duì)電池容量的影響進(jìn)行補(bǔ)償：