【正文】 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 33 頁 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 緒論 1． 1 研究背景 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的擁有量也在急劇增加。目前，市場(chǎng)上以燃油汽車為主，燃油汽車的不斷增加，不僅加劇了環(huán)境的污染，也嚴(yán)重的威脅到了能源安全，使用替代能源將成為汽車的重要發(fā)展方向。 電動(dòng)汽車（ EV,Electric Vehicle） [1]，作為清潔、高效、智能的汽車，可有效的解決環(huán)境和能源問題，是燃油汽車?yán)硐氲奶娲贰Ｄ壳?，電?dòng)汽車尚不如燃油汽車技術(shù)完善，而制約電動(dòng)汽車推廣的最主要問題是動(dòng)力電源的壽命短，使用成本高，電池儲(chǔ)容量小。因此電池組的有效管理對(duì) 電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義，而準(zhǔn)確估算電動(dòng)汽車電池 SOC，可以提高動(dòng)力電池的能量效率，延長電池的使用壽命。而影響 SOC 準(zhǔn)確計(jì)量的因素很多，其中開路電壓、自恢復(fù)效應(yīng)、溫度、充放電電流、老化程度等都與 SOC 密切相關(guān)，本課題將對(duì)電動(dòng)汽車電池 SOC 進(jìn)行估算研究。隨著電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用，將減少對(duì)石油資源的依賴以及減少環(huán)境污染。 1． 2 動(dòng)力電池 SOC 的定義 電池荷電狀態(tài) SOC（ State of Charge） [2]是一個(gè)相對(duì)量，表示電池目前的剩余電量與電池的額定電量的比值。是描述電池狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。通常把一定溫 度下的電池充電到不能再吸收能量的狀態(tài)，定義 SOC 為 1；而將電池再不能放出能量的狀態(tài)，定義 SOC 為 0。 SOC 的理想定義和實(shí)車環(huán)境下的 SOC 的計(jì)算方法是有差別的。從能量的角度定義 SOC： ? ???????1001 )(1 tPtPEEr e sar e sadttPS OC 總的可用能量剩余的可用能量 （ 11） 其中， E1 為已放出能量， E0 為總的可用能量。 AIKE FaN Tgf ???? )()(0 （ 12） 其中 )(Iaf 、 )(Tg 、 AF 分別為描述放電倍率、環(huán)境溫度和循環(huán)工作次數(shù)的參數(shù)。 從電量的角度定義 SOC： 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 33 頁 電池的初始容量電池的最大容量 電池的初始容量容量電池隨時(shí)間變化的剩余 ? ??S O C （ 13） 日本本田公司電 動(dòng)汽車 EV plus 定義 SOC： 容量衰減因子額定容量 剩余容量 ??S O C （ 14） 剩余容量 =額定容量 凈放電量 自放電量 溫度補(bǔ)償容量 （ 15） 由于 SOC 受很多因素的影響，所以不同的電動(dòng)汽車對(duì) SOC 的定義使用形式也不一樣。 1． 3 動(dòng)力電池的估算方法 目前 SOC 估算方法有：放電實(shí)驗(yàn)法、 Ah 計(jì)量法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、內(nèi)阻法、線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法 [3]。 放電實(shí)驗(yàn)法 放電實(shí)驗(yàn)法采用恒定電流進(jìn)行連續(xù)放電，放電電流 與時(shí)間的乘積為剩余電量。該方法適用于所有電池，但是需要大量的時(shí)間，電池進(jìn)行的工作也要被迫中斷，所以放電實(shí)驗(yàn)法不適合行駛中的電動(dòng)汽車，可用于電動(dòng)汽車電池的檢修。 Ah 計(jì)量法 如果充放電起始狀態(tài)為 SOC 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 o，那么當(dāng)前狀態(tài)的 SOC 為： ??? t ICS O CS O C0 dn1o ?? （ 16） Cn為額定容量； I 為電池電流； ?為充放電效率。 開路電壓法 開路電壓法在數(shù)值上接近電池的電動(dòng)勢(shì)。 MH/NI 電池和鋰離子電池的開路電壓與SOC 關(guān)系的線性度不如鉛酸電池好，但在充電初期和末期可根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系估算 SOC。該方法需要電池長時(shí)間靜置，而電池恢復(fù)穩(wěn)定需要幾個(gè)小時(shí)甚至十幾個(gè)小時(shí)，測(cè)量不方便，所以只適用于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)。 負(fù)載電壓法 電池放電開始瞬間，電壓迅速從開路電壓狀態(tài)進(jìn)入負(fù)載電壓狀態(tài)，在負(fù)載電流保持不變時(shí)，負(fù)載電壓隨 SOC 變化的規(guī)律與開路電壓隨 SOC 的變化規(guī)律相似。該方法能夠?qū)崟r(shí)估算 SOC 值，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，劇烈波動(dòng)的電池電壓給負(fù)載電壓應(yīng)用帶來了困難。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 33 頁 內(nèi)阻法 內(nèi)阻是電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的表現(xiàn)，也是反映電池壽命的重要指標(biāo)。電池內(nèi)阻有交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻之分，它們都與 SOC 有密切關(guān)系。電池交流阻抗可用交流阻抗儀來測(cè)量，受溫度影響很大。實(shí)際測(cè)量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流充電或放電，相同時(shí)間里負(fù)載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。準(zhǔn)確測(cè)量電池單體內(nèi)阻比較困難，這是內(nèi)阻法的缺點(diǎn)。 線性模型法 該方法是基于 SOC 變化量、電流、電 壓和上一個(gè)時(shí)間點(diǎn) SOC 值，建立的線性方程： ? ? ? ? ? ? ?? 132i10i ?????? iSO CiIUSO C ???? （ 17） ? ? ?? ? ?i1ii S O CS O CS O C ???? （ 18） ??iSOC 為當(dāng)前時(shí)刻 SOC 值， ??iSOC? 為 SOC 變化量， U 和 I 為 當(dāng)前時(shí)刻的電壓和電流值， ? 為系數(shù)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性的基本特性，具有并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力，對(duì)于外部激勵(lì)，能給出相應(yīng)的輸出，它可以模擬電池的動(dòng)態(tài)特性，估算其 SOC 值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適用于各種電池，但是需要大量參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計(jì)誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。 卡爾曼濾波法 卡爾曼濾波法的核心思想，是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估算，應(yīng)用于電池 SOC 估算，電池被看成動(dòng)力系統(tǒng)， SOC 是系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)?？柭鼮V波法是近年才開始的，該方法適用于各種電池，尤其適用于電流波動(dòng)比較劇烈的混合動(dòng)力汽車電池 SOC 估算。 電動(dòng)汽車電池 SOC 估算的方法很多，由上述介紹可知，不同的方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 Ah 計(jì)量法適用于所有的電動(dòng)汽車電池，是目前最常用的辦法之一。開路電壓法在充電初期和末期估算效果比較好，常和 Ah 計(jì)量法結(jié)合使用。負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實(shí)車上，但常用來作為電池充放電截止的判據(jù)。 內(nèi)阻法存在爭(zhēng)議，在實(shí)車上應(yīng)用較少。線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法是近來發(fā)展起來的新方法，這些方法常被結(jié)合起 來提高 SOC 估算的結(jié)果準(zhǔn)確度。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 33 頁 1． 4 本文研究的基本內(nèi)容及意義 本文第一章介紹了課題的研究背景，主要估算方法和意義，并對(duì) SOC 給出了不同的定義； 第二章對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展史進(jìn)行概述，主要闡述了發(fā)展電動(dòng)汽車的意義和目前電動(dòng)汽車在國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀； 第三章介紹了鋰離子電池的原理，以及影響電池 SOC 的不同因素； 第四章分析了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)算法，以及我們對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)； 第五章具體給出運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)電池 SOC 進(jìn)行估算的過程。 準(zhǔn)確估算電動(dòng)汽車電池 SOC，可以幫助我們及時(shí)了解到電池所處的狀態(tài)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，以及防止電池的過充電或過放電，延長電動(dòng)汽車電池的壽命。所以準(zhǔn)確估算電動(dòng)汽車電池 SOC 對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展有著非常重要的意義。 2 電動(dòng)汽車發(fā)展史概述 2． 1 電動(dòng)汽車發(fā)展史概述 19世紀(jì) 30年代到 20世紀(jì) —— 電動(dòng)汽車的崛起。 電動(dòng)汽車的歷史并不比內(nèi)燃機(jī)汽車短，它也是最古老的汽車之一。電動(dòng)車由美國人托馬斯 達(dá)文波特和蘇格蘭人羅伯特 戴維森在 1842年研制，他們首次使用了不可充電電池。 20世紀(jì)初，安東尼電氣、貝克、底特律電氣 、愛迪生、 Studebaker和其它公司相繼推出電動(dòng)汽車，電動(dòng)車的 銷量全面超越汽油動(dòng)力汽車。電動(dòng)車在 19世紀(jì) 20年代大獲成功，銷量在 1912年達(dá)到了頂峰。 20世紀(jì) 20年代到 80年代 —— 汽柴油機(jī)成為主流。 電動(dòng)車在 20世紀(jì)初迎來成功之后，很快又失去了成長的勢(shì)頭。 電動(dòng)汽車數(shù)年都沒能取得技術(shù)上的突破，而內(nèi)燃機(jī)汽車卻得到迅猛發(fā)展。從 20世紀(jì) 20年代開始，電動(dòng)汽車逐漸被內(nèi)燃機(jī)汽車替代。 20世紀(jì) 90年代到現(xiàn)在 —— 電動(dòng)汽車的復(fù)蘇。 20世紀(jì) 70年代和 80年代的能源危機(jī)令電動(dòng)車再次得到業(yè)界的重視。在 1990年的洛杉磯車展，通用汽車首席執(zhí)行官羅杰 史密斯 (Roger Smith)發(fā)布了 Impact純電動(dòng)概念車，并宣布通用汽車電動(dòng)車將實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，并上市銷售。 上世紀(jì) 90年代，汽車制造商們對(duì)于節(jié)省燃油和減少排放的環(huán)保車型的興趣有所下降。在美國市場(chǎng)， SUV越來越受到歡迎。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 5 頁 共 33 頁 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后，面對(duì)全球范圍日益嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和環(huán)保壓力，電動(dòng)汽車（ EV，Electric Vehicle）作為新能源汽車的主體，面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn) [4]。 2． 2 電動(dòng)汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前我國電動(dòng)汽車發(fā)展情況 經(jīng)過 10 多年的努力，我國電動(dòng)汽車自主創(chuàng)新取得了重要突破，自主開發(fā)的產(chǎn)品開始批量化進(jìn)入市場(chǎng)，發(fā)展環(huán) 境逐步改善，產(chǎn)業(yè)發(fā)展具備了較好基礎(chǔ)，具有了加快發(fā)展的有利條件和比較優(yōu)勢(shì)。 電動(dòng)汽車的核心是動(dòng)力系統(tǒng)電氣化。我國電動(dòng)汽車開發(fā)高起點(diǎn)起步，圍繞重點(diǎn)目標(biāo)和核心技術(shù)，建立起了純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池三類汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)和產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)體系，取得了一系列突破性成果，為整車開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。自20xx~20xx 年，我國在電動(dòng)汽車領(lǐng)域已獲得專利 1796 項(xiàng)，其中發(fā)明專利達(dá) 940 項(xiàng)。我國自主研制出容量為 6Ah100Ah 的鎳氫和鋰離子動(dòng)力電池系列產(chǎn)品，能量密度和功率密度接近國際水平，同時(shí)突破了安全技術(shù)瓶頸，在世界上 首次規(guī)模應(yīng)用于城市公交大客車；自主開發(fā)的 200kW 以下永磁無刷電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，電機(jī)重量比功率超過 1300w/kg，電機(jī)系統(tǒng)最高效率達(dá)到 93％；自主開發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)先進(jìn)，效率超過 50%，成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握車用百千瓦級(jí)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、制造以及測(cè)試技術(shù)的國家之一。 混合動(dòng)力汽車在系統(tǒng)集成、可靠性、節(jié)油性能等方面進(jìn)步顯著，不同技術(shù)方案可實(shí)現(xiàn)節(jié)油 10%40%；純電動(dòng)汽車技術(shù)在國際上處于先進(jìn)水平，大容量鋰離子動(dòng)力電池純電動(dòng)客車實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用，小型純電動(dòng)轎車批量出口歐美；燃料電池汽車可 靠性明顯提高，無故障間隔里程與國外同步達(dá)到 3000 公里，燃料經(jīng)濟(jì)性國際領(lǐng)先。 國外主要國家電動(dòng)汽車發(fā)