【導(dǎo)讀】適應(yīng)未來社會發(fā)展的需要。為此，電動汽車的發(fā)展得到了廣泛的關(guān)注，各種類型的電。動汽車也在研究和開發(fā)之中。了蓄電池組的布置位置和安放結(jié)構(gòu)，同時對制動系統(tǒng)進行了初步改裝設(shè)計。

　　

【正文】 寫 )電池的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠。電壓、容量和密封在線上進行 100%檢驗。 鎳 – 氫蓄電池 鎳 – 氫（ Ni – H2）電池亦稱氫 – 鎳（ H2 Ni）電池。常見的鎳 – 氫蓄電池是高壓鎳 – 氫電池。高壓氫 – 鎳電池是 20 世紀 70 年代初由美國 和 等首先研制的，單體電池氫電極為負級，鎳電極為正極，在氫電極和鎳電極間夾有一層 KOH 電解質(zhì)溶液（ 20℃時，密度為 178。 cm3）的石棉膜。氫電極是用活性炭作載體，聚四氟乙烯（ PTFE）粘結(jié)式多孔氣體擴散電極，它由含鉑催化劑的催化層、多孔聚四氟乙烯防水層組成。鎳電極可以用壓制的 Ni(OH)2電極。 高壓鎳 – 氫電池的優(yōu)點主要是比能量較高、壽命長、耐過充過放以及可以通過氫壓來指示電池荷點狀態(tài)等。主要缺點為：容器需要耐高壓，一般充電后氫壓達 3~5MPa, 19 這就需要用較重耐壓容器，降低了電池的體積比能量及質(zhì)量比能量；自放電較大；不能漏氣，否則電池容量減小，并且容易發(fā)生爆炸事故；成本高；能量密度低。因此，目前研制的高壓氫 – 鎳電池主要是應(yīng)用于空間技術(shù) [6,22]。 鎳 – 鎘蓄電池 鎳 – 鎘（ Ni– Cd）亦稱鎘 – 鎳 Cd– Ni7 電池于 1898 年由瑞典尤格爾（ ）發(fā)明，已有 100 多年歷史。在 20 世紀前 50年研制生產(chǎn)的是極板（或袋式）電池，從20 世紀 50 年代開始研制生產(chǎn)燒結(jié)式電池，從 20 世紀 60 年代研制生產(chǎn)密封式電池。 電動汽車用 Ni– Cd 電池應(yīng)采用密封和全密封結(jié)構(gòu)的電池。密封 Ni– Cd電池指液體密封或稱液密、半密封電池。這種電池允許任意姿態(tài)使用，不會有電液溢出，形狀有圓柱形、扁形（扣式）。全密封結(jié)構(gòu)的電池有圓柱形和方形兩種。 Ni– Cd 電池的主要特點是容易充電、壽命長、維 護方便，可以制成無需維護的密封和全密封結(jié)構(gòu)的電池。缺點是鎘對環(huán)境的污染較大，開路電壓低，維護不當易報廢，這些都限制了電池的大規(guī)模使用，預(yù)期有被淘汰的可能 [6]。 鋰離子蓄電池 鋰離子蓄電池是在二次鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種全新概念的蓄電池。該類電池不僅保持了二次鋰電池的優(yōu)點，而且較好地克服了二次鋰電池的缺點，循環(huán)壽命長，電池容量高，安全性好，是一類具有很大開發(fā)價值的蓄電池。 鋰離子電池的優(yōu)點主要有 6方面： （ 1）能量密度高。與同等容量的 Ni – Cd或 Ni – MH 電池相比，鋰離子電池的重量輕，其 能量密度是這兩類電池的 ~2 倍。 （ 2）電壓高。鋰離子電池的端電壓高達 ，是 Ni – Cd 或 Ni – MH 電池電壓的 3 倍。 （ 3）無污染，環(huán)保型。 （ 4）循環(huán)壽命長。壽命超過 1000 次。 （ 5）負載能力大。鋰離子電池可以大電流連續(xù)放電，適合于動力電源。 （ 6）安全性好。由于使用優(yōu)良的負極材料，克服了電池充電過程中鋰枝晶的生長問題，使得鋰離子電池的安全性大大提高。同時采用特殊的可恢復(fù)配件，保證了電池在使用過程中的安全性 [6,22]。 空氣電池 鋅 – 空氣電池的特點 （ 1）比能量大。鋅空氣電池的 理論比能量可達 1350W178。 h178。 kg1,但鋅空氣電池的實際比能量僅為 180~230 W178。 h178。 kg1，仍然是鉛酸電池的 ~ 倍。能量密度達 20 230 W178。 h178。 L1，也是鉛酸電池的 2 ~ 3 倍。采用鋅空氣電池后，電動汽車能夠明顯地增加續(xù)駛里程。 （ 2）采用機械充電模式，彌補了蓄電池充電時間長的不足。 （ 3）性能穩(wěn)定。鋅空氣電池具有良好的一致性，沒有其他類型電池充電和放電不均勻現(xiàn)象。允許深度放電，電池的容量不受放電強度和溫度的影響。能在 20 ~ 80℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。鋅空氣電池可以完全實現(xiàn) 密封免維護，便于電池組能量的管理。 （ 4）安全性好。鋅空氣電池能夠有效地防止因泄漏、短路引起的起火或爆炸。鋅沒有腐蝕作用，可以完全實現(xiàn)密封免維護，對人體不會造成傷害和危險。 （ 5）鋅可以回收利用、制造成本低。鋅的來源豐富，生產(chǎn)成本較低?；厥赵偕奖?，且成本也較低，可以建立廢電池回收再生工廠。鋅在循環(huán)使用過程中，不會污染環(huán)境。 鋅空氣電池應(yīng)用中存在的主要問題是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電池效率低，空氣極和電解液的管理難度大 [6]。 鋁 – 空氣電池的特點 （ 1）比能量大。鋁空氣電池的理論比能量可達 8100 W178。 h178。 kg1，目前的鋁空氣電池的實際比能量只達到 350 W178。 h178。 kg1，但也是鉛酸電池的 7 ~ 8 倍、鋰電池的 倍，采用鋁空氣電池后，能夠明顯提高電動汽車的續(xù)駛里程。 （ 2）可采用機械充電模式。 （ 3）質(zhì)量輕。電池質(zhì)量大幅度減小，可使電動汽車的整備質(zhì)量降低，電動汽車的續(xù)駛里程延長。 （ 4）鋁沒有毒性和危險性。鋁對人體不會造成傷害。鋁還可以回收循環(huán)使用，不污染環(huán)境。鋁的原材料豐富，已具有大規(guī)模的鋁冶煉廠，生產(chǎn)成本較低。鋁回收再生方便，回收再生成本也較低，可以采用更換鋁電極的方法解決鋁空氣電池充電較慢的問題。雖然鋁空 氣電池含有高的比能量，但比功率較低，充電和放電速度比較緩慢，電壓滯后，自放電率較大，還需要采用熱管理系統(tǒng)來防止鋁空氣電池工作時的過熱問題。 鋁空氣電池應(yīng)用中需解決的主要問題是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作過程起泡，空氣極壽命短，電池效率低，需 CO2 清除劑，鋁成本高。由于鋁不可能在水溶液中重新電沉積到電極上，因此，不能像一般的蓄電池那樣充電，只能采用更換電極的機械充電模式 [6]。 所以，鋁 – 空氣電池很少用于生活中，空氣電池部分只考慮鋅 – 空氣電池。 表 給出以上幾種蓄電池的性能參數(shù) 21 表 各種蓄電池性能參 數(shù) [14] —— 比能量 Wh/kg 能量密度 Wh/L 比功率 W/kg 循環(huán)壽命 次 價格 美元 /kWh LeadAcid 3050 60100 200400 400600 120150 NiCd 4050 80100 150350 80020xx 300350 NiH2 5070 100140 150300 80020xx 150200 Zn/Air 180230 230 105 NA 100 LiIon 120140 240280 200300 1200 150180 蓄電池存在的問題 能量密度低 由于電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度都很低，與汽油和柴油相比有較大的差距，造成了電動汽車的運行效率較低，同時也限制了電動汽車的動力性能。 快速充電能力差，充電耗費時間長 目前的蓄電池充電時間都較長，一般情況下充電需 10～ 12 小時，就算使用快速充電也遠遠達不到內(nèi)燃機汽車加油的速度。這就使得電動汽車的使用效率較低，推廣使用難度大。 蓄電池價格昂貴 目前的動力蓄電池的價格一直居高不下，整個動力蓄電池組的價格占整個電動汽車成本的很大一 部分，這使得目前電動汽車在價格方面對內(nèi)燃機汽車不具備競爭優(yōu)勢。 汽車附屬設(shè)備使用受到限制 由于動力蓄電池的性能限制，電動汽車的能量很寶貴，不能隨便浪費，這就要對車載用電設(shè)備進行較嚴格的要求，避免影響電動汽車的基本性能。 正因為存在這些問題和不足，同時又不能在短時間內(nèi)得到解決，所以對蓄電池的管理就顯得很重要。 本研究用蓄電池 本研究用鉛酸蓄電池 圖 為本研究純電動中型城市客車所選用的 12V110Ah 鉛酸蓄電池，由廣州某公司生產(chǎn)，技術(shù)參數(shù)見下表 。蓄電池組總電壓為 288V，總?cè)萘繛?110Ah。 22 圖 本研究用鉛酸蓄電池 表 本研究用鉛酸蓄電池的基本參數(shù) 型號 6DA110 電壓 V 12 額定容量 Ah 110 單體質(zhì)量 kg 30 通過計算車輛在平直路面上勻速行駛的續(xù)駛里程來檢查所選蓄電池容量是否滿足要求。車輛運行時的電量消耗率λ a（ A? h / km）可由下式計算： a? = ?aUuP179。 1000 （ ） 其中： U 為蓄電池組總電壓。則續(xù)駛里 程 s（ km）為 s = aC? （ ） 其中： C 為蓄電池總?cè)萘俊? 由公式（ ）和（ ）可以得本車的續(xù)駛里程圖，如圖 所示。本車以 40km/h的速度勻速行駛時，續(xù)駛里程為 ，可以滿足使用要求 圖 續(xù)駛里程圖 23 鉛酸蓄電池放電特性 本課題組利用饒線電位器，對該型蓄電池進行了 30A、 40A、 50A、 60A 四個電流值的恒流放電特性試驗，結(jié)果如下： 圖 蓄電池 30A（左）和 40A（右）放電曲線 圖 蓄電池 50A（左）和 60A（右）放電曲線 從圖 和圖 中可以看出，蓄電池以不同的放電率進行放電時，放電時間長短不一樣：放電電流越大，放電時間越短，容量越?。环粗畡t放電時間越長，容量越大。 蓄電池管理系統(tǒng)總體設(shè)計 蓄電池管理系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu) 蓄電池管理系統(tǒng)的作用就是用來對蓄電池組的使用進行全面管理，它是電動汽車上一個重要而基本的組成部分。其主要功能包括： （ 1） 檢測電池電壓、電路電流、電池溫度等參數(shù)； （ 2） 對檢測數(shù)據(jù)進行處理 分析，通過顯示器顯示； （ 3） 對蓄電池組進行均衡充放電管理； （ 4） 計算剩余容量，提供續(xù)駛里程參考值； （ 5） 對制動能量回收進行管理； （ 6） 對電池的異常情況進行報警； （ 7） 提供安全保護。 蓄電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 24 圖 蓄電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 各模塊功能 （ 1） 主控機 主控機根據(jù)檢測模塊檢測到的蓄電池組的各種數(shù)據(jù)信號來對蓄電池組進行管理，防止過流放電（放電電流大于最大允許放電電流）和欠壓放電（放電過程中蓄電池電壓低于截止電壓 ）、防止過流充電（充電電流高于允許的最大充電電流）和過電壓充電（充電電壓高于蓄電池的發(fā)泡電壓），控制均衡充放電模塊進行蓄電池組的均衡充放電，保持蓄電池組性能一致性。同時，主控機還要計算剩余容量值和給出續(xù)駛里程數(shù)，對蓄電池狀態(tài)進行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有異常的單體電池及時報警和處理。 （ 2） 檢測模塊 檢測模塊的功能就是為蓄電池管理提供與之相關(guān)的蓄電池的參數(shù)數(shù)據(jù)，其中包括了電路電壓檢測、電池電流檢測和溫度檢測。 （ 3） 均衡充放電模塊 均衡充放電模塊的功能就是實現(xiàn)各單體蓄電池之間性能的一致性，延長蓄電池組的使用壽命，維持其性 能的穩(wěn)定。 （ 4） 顯示模塊 顯示模塊的功能包括了蓄電池電流、電壓、溫度的顯示， SOC 值和續(xù)駛里程數(shù)顯示以及各種提示和報警顯示。 主控機的選擇及介紹 主控機采用研華公司的 UNO2052 嵌入式計算機，該產(chǎn)品實時操作系統(tǒng)技術(shù)，提供 Windows 既有解決方案，支持大部分網(wǎng)絡(luò)接口，具有開放結(jié)構(gòu)、豐富擴展功能、無風(fēng)扇和無盤設(shè)計的特點，是工業(yè)級應(yīng)用的理想平臺。 主要特點 [15]： （ 1） 內(nèi)嵌 GX1300 MHz 處理器 , 64 MB/128 MB RAM； （ 2） 1 個 10/100 BaseTRJ45 端口和 1 個 USB 端口； （ 3） 支持 UNO hdd 擴展配件； 電流檢測模塊 主控機 均衡充放電模塊 電壓、溫度測試模塊 顯示模塊 25 （ 4） 雙 CAN 總線和一個標準 RS232 接口； （ 5） 4 通道隔離 I/O 口； （ 6） 2 路熱電偶輸入； 圖 為主控機的主界面和蓄電池信息界面。 圖 主控機主界面（左）和蓄電池信息界面（右） 蓄電池組檢測方法 目前對蓄電池組的檢測方法主要有整組檢測和單體檢測兩種。 整組檢測的檢測方法相對簡單。但是如果只對整組蓄電池進行檢測，很難發(fā)現(xiàn)其中單體電池的緩慢變化，包括單體電池本身的老化和因為單體蓄電池一致性問題 而帶來的積累效應(yīng)。整組檢測無法檢測單體蓄電池的性能及蓄電池組的實際容量，也就無法快速準確的找出其中已經(jīng)性能衰退的蓄電池。 實用的方法是檢測每一個單體電池。目前采用的主要是集中檢測和分布檢測兩種方法。集中檢測法是用一套檢測電路分時檢測各個單體電池。檢測技術(shù)比較直觀，為了檢測每只蓄電池的電壓，需要將每只蓄電池的電壓信號引入檢測設(shè)備，采用多通道切換的技術(shù)，即通過開關(guān)器件 (繼電器 )把多節(jié)單體蓄電池的電壓信號切換到同一個差分放大器，經(jīng)信號處理后用一只 A/D 轉(zhuǎn)換器進行采樣。集中檢測法的缺點：需要引出較多的導(dǎo)線，容易發(fā) 生短路或破損，影響蓄電池組的安全；接線難度和復(fù)雜度較大；引線較長，不僅容易引入干擾，較大的線阻也會影響測量精度。分布式檢測技術(shù)，就是將單體電池電壓及溫度的檢測模塊化、本地化，然后通過一定的傳輸手段將這些檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)集中起來，統(tǒng)一處理。分布式檢測連線簡單、性能可靠，容易實現(xiàn)較高的測量精度。但檢測模塊的功耗不能大，否則將增加蓄電池的“負擔”；由于檢測模塊直接從被測電池上持續(xù)取電，不利于節(jié)能和安全；當電池較多時，模塊數(shù)量也多，使得成本和復(fù)雜度提高，并且要求通信總線有較高的帶載能力 [8,23]。 本研究使用 集中 /分布式的檢測方法。該方法將全部 24 塊蓄電池分成 12 個小組，每組 2 塊蓄電池，每個小組用一個電壓溫度檢測模塊進行集中檢測，電流則 24 塊蓄電池共用一個電流檢測模塊，這樣整個系統(tǒng)由 13 個分布檢測模塊通過 CAN 總線連接而成。集中 /分布式檢測除了具有前集中檢測和分布檢測的優(yōu)點之外，還具有增加搭建 26 系統(tǒng)的靈活性和擴展性、提高系統(tǒng)的可靠性和性價比等優(yōu)點。 各檢測模塊基本設(shè)計 電壓溫度檢測模塊設(shè)計 電路電壓檢測 通過電容的充放電特性進行電壓的采集。將電容與蓄電池并聯(lián)，電容充當一個中間橋 梁的作用，利用其可以存儲電能的特性，從蓄電池上得到電壓值，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器最終完成蓄電池電壓的采集 [8]。 因為 MCU—— P87C591 的工作電壓為 5V， A/D 轉(zhuǎn)換電壓不能超過 5V，而單體鉛酸蓄電池的電壓為 11~15V，所以要把檢測電壓降到 5V 以下。本研究采用分壓原理，即串聯(lián)兩個電阻 R1 和 R2， R1=2 R2，將 Cf 與 R2 并聯(lián)，這樣就可以使 Cf 的電壓降到5V 以下。 電池溫度檢測 通過溫度芯片 DS18B20 進行溫度采集， DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度 傳感器，數(shù)據(jù)傳輸接口為 1wire 總線，溫度測量范圍為 55℃ ~125℃；內(nèi)部有溫度上、下報警設(shè)置；不需要外部元器件即可實現(xiàn)測溫，適用于遠距離多點溫度測量系統(tǒng)。圖 為 DS18B20 的示意圖。 圖 DS18B20 示意圖 CAN 接口設(shè)計 因為作為 MCU 的 P87C591 內(nèi)部集成了 CAN 通信控制器，所以不需再外接 CAN 控制器了。 CAN 總線驅(qū)動器采用 82C250，它是 CAN 控制器和物理總線的接口，提供對總線的發(fā)送和接收功能。為了增強 CAN 通信的抗干擾能力， CANTX1 和 CANTX2 并不是直接與 82C250 的 TXD 和 RXD 相連，而是設(shè)計了光耦隔離電路，選用的是光耦 6N137。P87C591 通過光耦 6N137 和驅(qū)動器 82C250 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送通信任務(wù) [8]。 MCU 工作流程設(shè)計 27 電壓溫度檢測模塊的 MCU 選用 P87C591，它管理蓄電池電壓、溫度的檢測，數(shù)據(jù)預(yù)處理和向主控機傳送數(shù)據(jù)。 MCU 主流程圖如圖 所示 [8]。上電初始化后， MCU 處于查詢狀態(tài)，當查詢到 CAN 數(shù)據(jù)到來后，先判斷 CAN 送來的主控機指令地址是否是自己的，如果不是，則不處理；如果是， 則先讀取溫度傳感器的數(shù)據(jù)，然后將 K1 合上，等待 10 毫秒，斷開 K1，再合上 K2，然后從 A/D 口讀取電壓數(shù)據(jù)，之后斷開 K2，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后將溫度數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)封裝，通過 CAN 發(fā)送給主控機，最后返回繼續(xù)等待下一個工作循環(huán)。 圖 MCU 主流程圖 電流檢測模塊設(shè)計 傳感器選擇及檢測原理 蓄電池電流的檢測通過電流傳感器來完成。由于磁平衡式電壓輸出型傳感器具有性能穩(wěn)定、工耗小、與被測電流沒有電接觸等優(yōu)點，所以選用該類電流傳感器 。本研初始化 查詢 CAN 數(shù)據(jù) 合上 K1 延時 10ms 斷開 K1，合上 K2 讀取 A/D 數(shù)據(jù) 斷開 K2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)封裝 CAN 發(fā)送數(shù)據(jù) 等待確認 28 究具體選用的是南京某公司生產(chǎn)的 TBC300E 型傳感器，結(jié)構(gòu)如圖 所示，其主要性能參數(shù)見表 。 表 電流傳感器主要參數(shù) 額定輸入 輸出 電源電壓 精度 線性度 響應(yīng)時間 177。 290A 177。 4V 177。 15V % ≤ % ≤ 1μ s 圖 電流傳感器機構(gòu)圖 電流檢測原理，即電流傳感器將主電源回路電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送給 A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為 8 位二進制數(shù)字信號送 MCU， MCU 進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，再通過 CAN 發(fā)送給主控機。 MCU 工作流程設(shè)計 MCU 的工作流程如圖 所示。 圖 MCU 工作流程圖 開始 CAN 查詢 讀 A/D 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)預(yù)處理 數(shù)據(jù)封裝 CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送 等待確認 29 首先查詢 CAN 總線是否有主控機發(fā)送來的采樣控制命令，如果有采樣命令的話讀A/D 數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)預(yù)處理和封裝，接著通過 CAN 發(fā)送數(shù)據(jù)給主控機，最后再返回 CAN查詢等待。