【正文】 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汽車，電動車的 銷量全面超越汽油動力汽車。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純電動概念車，并宣布通用汽車電動車將實現(xiàn)量產(chǎn)，并上市銷售。我國自主研制出容量為 6Ah100Ah 的鎳氫和鋰離子動力電池系列產(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、交流異步電機和開關(guān)磁阻電機，電機重量比功率超過 1300w/kg，電機系統(tǒng)最高效率達到 93％；自主開發(fā)的燃料電池發(fā)動機技術(shù)先進，效率超過 50%，成為世界上少數(shù)幾個掌握車用百千瓦級燃料電池發(fā)動機研發(fā)、制造以及測試技術(shù)的國家之一?，F(xiàn)已推出三款混合動力概念車 GM Precept、Ford Prodigy、 Daimler chrysler Dodge ESX3。 電動汽車電池管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 電動汽車的發(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。 從電動汽車的使用過程中發(fā)現(xiàn)，單個電池的壽電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 第 7 頁 共 33 頁 命遠比電動汽車中的電池長，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。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。準確估算電動汽車電池 SOC，將有效的解決電池的使用壽命等問題。 鎳氫電池 MH/Ni電池正極的活性物質(zhì)為氫氧化鎳，負極板的活性物質(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 ，有時加入少量的 LiOH。 以石墨 /鋰鈷氧電池為例，反應(yīng)原理如下： 負極： 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%，真正達到了高比能量。 電池的負極一般是比較活潑的金屬 ，其標準電極電位比氫的電極負，當有正電性的金屬雜質(zhì)存在時，就容易與負極形成有腐蝕作用的微電池。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。在不同溫度下，同一個電池在相同 SOC 的情況下電動勢 是不同的。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。根據(jù) n 和 K 的值確定不同電流下的 IK ，建立表格，通過查表和插值的方法來對放電倍率進行修正，可以避免在工程實際中進行繁瑣的數(shù)學(xué)運算，同時又滿足精度的要求。考慮 容量的修正系數(shù) lk ，得到如下同時考慮溫度、放電倍率 和 SOH補償 的 SOC 計算公式： dttiQk kktS O CS O C tt l TI )()()t( 0 00 ??? （ 315） 電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 第 14 頁 共 33 頁 4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， Neural Network） [13][14]是模擬人腦思維方式的數(shù)學(xué)模型。神經(jīng)元之間樹突和軸突相互連接的接觸點稱為突觸，其是調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間相互作用的基本單元，每個神經(jīng)細胞所產(chǎn)生和傳遞的基本信息是興奮或抑制在兩個神經(jīng)細胞之間由突觸傳遞，同時它還可以加強興奮或抑制的作用，但兩者不能同時發(fā)生。感知器和誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)采用前向網(wǎng)絡(luò)形式。 BP 網(wǎng)絡(luò)采用 BP 學(xué)習(xí)算法來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。在網(wǎng)絡(luò)建模的過 程中，輸入層及輸出層節(jié)點數(shù)一般可根據(jù)實際需要加以確定，而隱層節(jié)點數(shù)的選取則有一定的難度，需要依據(jù)具體情況分析確定。如果輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將誤差信號沿原來的路徑返回。另一種則是采用基于數(shù)值最優(yōu)化理論的優(yōu)化算法。起始時 ， λ 取一個很大的數(shù) ,相當于經(jīng)典的梯度下降法 ； 隨著向最優(yōu)點的靠近 ， λ 減小到零 ， 則相當于牛頓法。經(jīng)過多次試驗后 ， 發(fā)現(xiàn)在隱含層中采用 15 個節(jié)點就可以比較準確地描述鋰離子電池放電電流和放電電壓與電池放電容量的關(guān)系。 電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 第 21 頁 共 33 頁 5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動汽車電池 SOC 估算研究 5． 1 動力電池的充放電實驗 樣本數(shù)據(jù)的選取 保持測試的環(huán)境溫度為 25℃ ，在相對較小的電流下進行放電，在充放電測 試儀上對鋰離子動力電池進行測試，并自動記錄電池的電壓、電流和放電容量。溫度和內(nèi)阻會對鋰離子動力電池的容量產(chǎn)生一定的影響，但影響并不是很大；電流和電壓應(yīng)是影響電池容量的主要因素小電流和常溫放電對鋰離子動力電池是有利的。這樣我們就建立了鋰離子動力電池的 BP 網(wǎng)絡(luò)模型。首先將訓(xùn)練所用的數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，分別為 、 、 、 、 、 放電倍率下，鋰離子動力電池容量測量數(shù)據(jù)（ Measured date）與預(yù)測數(shù)據(jù)（ Estimated date）的比較圖。 電池是一個高度非線性的系統(tǒng)，很難建立描述其充放電過程的準確數(shù)學(xué)模型。 （ 5）可以嘗試用反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來取代 BP 網(wǎng)絡(luò)估算電池的充放電系數(shù)。 最后，衷心地感謝在百忙中評閱本文和參加答辯的各位老師。無論是方案的確定，還是 淪文的撰寫，王業(yè)琴老師都給予了我極大的幫助和支持。 本文在針對鋰離子動力電池本身性能研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，對電動汽車用鋰離子動力電池進行建模和分析。上述實驗表明，我們已經(jīng)建立了有效的 BP 網(wǎng)絡(luò)。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。這樣我們就可以認為，鋰離子動力電的電 壓和電流有關(guān)。 標準化處理的公式： ）標 m i nm a xm i n )(( XXXXX ??? （ 51） 式中： 標X — 標準化后的數(shù)值； maxX — 測量數(shù)值中的最大值； minX — 測量數(shù)值中的最小值； 圖 51 鋰離子電池 2C 的充電曲線 電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 第 22 頁 共 33 頁 圖 52 鋰離子電池 2C 的放電曲線 5． 2 BP 網(wǎng)絡(luò)電池模型的建立 鋰離子動力電池是一種高比能量、高比功率的新型電池。一 個輸出 ， 即該時刻電池的 SOC。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立 考慮到鋰離子電池充放電的特點，本文采用 3 層 LM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對 SOC 進行預(yù)測。 LM(LeveberMarquardi）算法 ， 它無需計算優(yōu)化問題的 Hessian 矩陣， Hessian 矩陣可以用下面的矩陣來近似替換 ： JJH T? （ 45） 其梯度為 ： eTJg? （ 46） 其中， J 是雅克比矩陣，它含有網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差的一階導(dǎo)數(shù)，是權(quán)值和閩值的函數(shù)。 BP 算法的基本步驟為 ： (l)初始化權(quán)值 W 和 閾值 b，即把所有權(quán)值和 閾值 都設(shè)置成較小的隨機數(shù) ； (2)提供訓(xùn)練樣本集，包括輸入向量 P 和要求的預(yù)期輸出 T； (3)計算隱含層和輸出層的輸出 ； 隱含層的輸出為 ： )(ta na 111 bPWsig ?? （ 41） 輸出層得輸出為： ）222 b(a ?? PWpu relin （ 42） 式中， tansig 是 sigmoid 型函數(shù)的正切式， sigmoid 型函數(shù)為 )1/(1)(f xex ?? ； purelin型函數(shù)是線性函數(shù)。 (2)學(xué)習(xí)算法的收斂速度慢，通常需要上千次或更多。這兩個過程簡敘如下 : （ 1） 正向傳播，輸入的樣本從輸入層經(jīng)過隱層一層一層進行處理，通過所有的隱層之后，則傳向輸出層 :在逐層處理的過程中，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只 .對下一層神經(jīng)元的狀 態(tài)產(chǎn)生影響。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種反饋動力學(xué)系統(tǒng)，它需要工作一段時間才能達到穩(wěn)定。 簡單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其簡化結(jié)構(gòu)如圖 41 所示，其中（ 1）為細胞體 (Soma)（ 2）為樹突 (Dendrite)（ 3）為軸突 (Axon)（ 4）為突觸 (Synapse)。 4． 1 生物神經(jīng)元細胞 神經(jīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)造單元是神經(jīng)細胞，也稱神經(jīng)元，它是基本的信息處理單元。當電池的放電容量衰減到初始容量的 70%左右時（不同電池有不同的規(guī)定），電池的循環(huán)次數(shù)就是電池的循環(huán)壽命。 電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 第 12 頁 共 33 頁 早在 1898 年， Peukert 就總結(jié)出了放電容量和放電電流關(guān)系的經(jīng)驗公式，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蓄電池在變電流工作時的容量修正。在工程實際中，可以將電池在不同的溫度下靜置，獲得不同溫度下的 ΔE (T)，建立數(shù)據(jù)表格，通過查表和線性插值的方法來使用。當然也可以選擇其他溫度（如 25℃ ）下的容量作為標準。如果正極物質(zhì)從電極上溶解，到達負極后就會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，引起自放電。因為鋰離子電池有以上優(yōu)勢，鋰離子動力電池的研究也逐漸受到人們的重視。 為了防止過充生成氣態(tài)氫氣引起爆炸，電池中設(shè)有防爆裝置。 鉛酸電池 電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計 第 8 頁 共 33 頁 鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)是 PbO2， 負極活性物質(zhì)是海綿狀的金屬鉛，電解液是稀硫酸。 （ 2） 保護環(huán)境，減少碳排放量。它是一個基于微處理器的適時監(jiān)測系統(tǒng)，每個不良電池的情況都應(yīng)及時顯示在駕駛員儀表板上。如何有效地利用電池的能量，延長電池的壽命。如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此電動汽 車的電池管理系統(tǒng)是電動汽車必不可少的重要組成部分。 國外主要