【正文】 和 SOH補(bǔ)償 的 SOC 計(jì)算公式： dttiQk kktS O CS O C tt l TI )()()t( 0 00 ??? （ 315） 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jiǎn)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。 隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，會(huì)出現(xiàn)充放電容量下降和電池內(nèi)阻增加的現(xiàn)象，它們的變化趨勢(shì)與電池的健康狀 態(tài)（ State of Health,SOH） 有相對(duì)穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系，因此可以根據(jù)電池的容量和內(nèi)阻來確定電池 的 SOH。 影響電池壽命的主要因素有：在充放電過程中電極活性物質(zhì)表面積減少，極化增大；電極活性物質(zhì) 脫落，腐蝕或晶型改變導(dǎo)致活性降低；電池內(nèi)部短路；隔膜損壞等。當(dāng)電池的放電容量衰減到初始容量的 70%左右時(shí)（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。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(duì)放電倍率進(jìn)行修正，可以避免在工程實(shí)際中進(jìn)行繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算，同時(shí)又滿足精度的要求。 假設(shè) 0I 為標(biāo)準(zhǔn)放電電流，放出的電量 0Q 為標(biāo)準(zhǔn)容量；以電流 1I 放出的電量為 1Q 。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(duì)數(shù)得到： KtIn lglglg 11 ?? , KtIn lglglg 22 ?? （ 38） 聯(lián)立兩式求解可得到 n 的值： 1212 lglg lglgn II tt ??? （ 39） 將 n 帶入 Peukert 方程即可得到 K 的值。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(yàn)公式，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蓄電池在變電流工作時(shí)的容量修正。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。溫度越高，電池的容量保持能力就越低，自放電率越大?；瘜W(xué)電源在存儲(chǔ)過程中容量會(huì)下降，這 主要就是由兩個(gè)電極的自放電引起的。在工程實(shí)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。在不同溫度下，同一個(gè)電池在相同 SOC 的情況下電動(dòng)勢(shì) 是不同的?？梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)的方法得到在不同溫度下的 Tk ，建立表格，計(jì)算時(shí)通過查表和線性插值的方法進(jìn)行計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。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(duì)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?。?dāng)然也可以選擇其他溫度（如 25℃ ）下的容量作為標(biāo)準(zhǔn)。但是如果溫度過高，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。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。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(cè)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。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。 自放電因素 電池在貯存的過程中容量會(huì)下降，這是由電池的自放電引起的。 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。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。 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。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。 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。 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。 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。 鉛酸電池 安全性好 、 成本低，在微混和城市型純電動(dòng)汽車上具有一定優(yōu)勢(shì)。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)。 鉛酸電池 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 33 頁 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。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。 但是目前電動(dòng)汽車行業(yè)還存在著一些問題亟待解決，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)。 （ 3）優(yōu)化資源配置。 （ 2） 保護(hù)環(huán)境，減少碳排放量。目前我國(guó)的石油對(duì)外依存太高，燃油車耗油占全國(guó)總油耗比例也日益增加。 2． 4 發(fā)展電動(dòng)汽車的重要意義 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)汽車將成為經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)上的主角。電池監(jiān)測(cè)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。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。 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(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。 電池自身的性能參數(shù)影響電池的壽命，但電池本身的問題不在電池管理的范圍之內(nèi)。這些問題都涉及到電池的能量管理和整車的能量管理。如何有效地利用電池的能量，延長(zhǎng)電池的壽命。 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(duì)電池快速充電。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。 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。如何有效管理和監(jiān)控電池一直是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此電動(dòng)汽 車的電池管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車必不可少的重要組成部分?，F(xiàn)已推出三款混合動(dòng)力概念車 GM Precept、Ford Prodigy、 Daimler chrysler Dodge ESX3。此外，本田汽車公司開發(fā)的 Insight混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也已投放市場(chǎng)，供不應(yīng)求。 1997年 12 月，豐田汽車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 PRIUS。 國(guó)外主要國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展情況 目前 世界各國(guó)著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動(dòng)汽車，并且取得了一定程度的進(jìn)展和突破。我國(guó)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(guó)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(guó)家之一。我國(guó)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)。 2． 2 電動(dòng)汽車國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前我國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展情況 經(jīng)過 10 多年的努力，我國(guó)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)。在美國(guó)市場(chǎng)， SUV越來越受到歡迎。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。 20世紀(jì) 90年代到現(xiàn)在 —— 電動(dòng)汽車的復(fù)蘇。 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。 20世紀(jì) 20年代到 80年代 —— 汽柴油機(jī)成為主流。 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。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。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 4 頁 共