【正文】 過純電動(dòng)汽車。 從目前世界范圍內(nèi)的整個(gè)形勢來看，日本是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個(gè)國家之一，特別是在混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)品發(fā)展方面，日本居世界領(lǐng)先地位。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)。 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，面對全球范圍日益嚴(yán)峻的能源形勢和環(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]。 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。 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頭。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。 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。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)?？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。 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)。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。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)，測量不方便，所以只適用于電動(dòng)汽車駐車狀態(tài)。 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。 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 SOC 的定義使用形式也不一樣。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。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)，本課題將對電動(dòng)汽車電池 SOC 進(jìn)行估算研究。目前，市場上以燃油汽車為主，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?。隨著電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用，將減少對石油資源的依賴以及減少環(huán)境污染。 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。 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]。 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。 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。電池交流阻抗可用交流阻抗儀來測量，受溫度影響很大。 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。 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)。 內(nèi)阻法存在爭議，在實(shí)車上應(yīng)用較少。所以準(zhǔn)確估算電動(dòng)汽車電池 SOC 對于電動(dòng)汽車的發(fā)展有著非常重要的意義。 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)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。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。 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，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。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)掌握車用百千瓦級燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、制造以及測試技術(shù)的國家之一。 1997年 12 月，豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車 PRIUS?，F(xiàn)已推出三款混合動(dòng)力概念車 GM Precept、Ford Prodigy、 Daimler chrysler Dodge ESX3。 在電池管理系統(tǒng)中，電池電壓的精確測量和剩余電量的準(zhǔn)確預(yù)測是管理系統(tǒng)亟待突破的兩個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 電動(dòng)汽車的發(fā)展不斷成熟，但也還有很多問題沒有解決，例如如何提高電動(dòng)汽車的續(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，如何對電池快速充電。這些問題都涉及到電池的能量管理和整車的能量管理。 從電動(dòng)汽車的使用過程中發(fā)現(xiàn)，單個(gè)電池的壽電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 33 頁 命遠(yuǎn)比電動(dòng)汽車中的電池長，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。電池監(jiān)測和控制系統(tǒng)是一個(gè)隨車系統(tǒng)，因此電池的狀況是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。目前我國的石油對外依存太高，燃油車耗油占全國總油耗比例也日益增加。 （ 3）優(yōu)化資源配置。準(zhǔn)確估算電動(dòng)汽車電池 SOC，將有效的解決電池的使用壽命等問題。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)。 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)為儲氫合金，其反應(yīng)原理如下： 陰極反應(yīng) ?? ???? OHMHOHM e2 陽極反應(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。 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、無污染等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。 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。 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，延長電池的使用壽命。 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。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)事先通過離線實(shí)驗(yàn)測得的自放電率來計(jì)算靜置時(shí)電池組的自放電，完成自放電補(bǔ)償。但是如果溫度過高，電解液會發(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。假定在理想狀態(tài)下，用電流積分法（安時(shí)法）計(jì)算電量的公式如下： dttt ti ???00 )()t()t( （ 32） 式中： )(TQ t 時(shí)刻的電池電量； )(0tQ t 時(shí)刻的電池電量，這里假設(shè) t0 時(shí)刻的電量為滿電量； 若考慮溫度對容量的影響，在溫度 T 時(shí)電池的初始容量變?yōu)?)0t(QmT ，總?cè)萘孔優(yōu)?0QmT ( Tm 是與溫度有關(guān)的溫度系數(shù)， 0Q 是標(biāo)準(zhǔn)溫度下的總?cè)萘浚?。在不同溫度下，同一個(gè)電池在相同 SOC 的情況下電動(dòng)勢 是不同的?；瘜W(xué)電源在存儲過程中容量會下降，這 主要就是由兩個(gè)電極的自放電引起的。也就是說，在初始條件相同的情況下，用不同電流放電至截止電壓，電池所能放出的電量是不同的。為了確定常數(shù) n， K 的值，需要用兩種放電率 1I ， 2I 進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，記錄兩種放電電流的放電時(shí)間 1t 和 2t ，于是根據(jù)式（ 36）得到如下兩式： KtIn ?11 , KtI ?2n2 （ 37） 分別 取對數(shù)得到： KtIn lglglg 11 ?? , KtIn lglglg 22 ?? （ 38） 聯(lián)立