【正文】 33 頁(yè) 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(guó)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(guò)程。 內(nèi)阻法存在爭(zhēng)議，在實(shí)車上應(yīng)用較少。開(kāi)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。 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)。 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)。 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。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)。電池交流阻抗可用交流阻抗儀來(lái)測(cè)量，受溫度影響很大。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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)。 負(fù)載電壓法 電池放電開(kāi)始瞬間，電壓迅速?gòu)拈_(kāi)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(kāi)路電壓隨 SOC 的變化規(guī)律相似。 MH/NI 電池和鋰離子電池的開(kāi)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。 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。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。 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(kāi)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]。 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)。 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。是描述電池狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。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。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(zhǎng)電池的使用壽命。 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(wèn)題，是燃油汽車?yán)硐氲奶娲贰ｋ妱?dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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。目前，電動(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(wèn)題是動(dòng)力電源的壽命短，使用成本高，電池儲(chǔ)容量小。而影響 SOC 準(zhǔn)確計(jì)量的因素很多，其中開(kāi)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。 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。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。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。 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(yè) 共 33 頁(yè) 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。 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。 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。 開(kāi)路電壓法 開(kāi)路電壓法在數(shù)值上接近電池的電動(dòng)勢(shì)。該方法需要電池長(zhǎng)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)。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(lái)了困難。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。實(shí)際測(cè)量中，將電池從開(kāi)路狀態(tài)開(kāi)始恒流充電或放電，相同時(shí)間里負(fù)載電壓和開(kāi)路電壓的差值除以電流值就是直流內(nèi)阻。 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?？柭鼮V波法是近年才開(kāi)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。 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。負(fù)載電壓法很少應(yīng)用到實(shí)車上，但常用來(lái)作為電池充放電截止的判據(jù)。線性模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和卡爾曼濾波法是近來(lái)發(fā)展起來(lái)的新方法，這些方法常被結(jié)合起 來(lái)提高 SOC 估算的結(jié)果準(zhǔn)確度。 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(guò)充電或過(guò)放電，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車電池的壽命。 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)車由美國(guó)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。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。 電動(dòng)車在 20世紀(jì)初迎來(lái)成功之后，很快又失去了成長(zhǎng)的勢(shì)頭。從 20世紀(jì) 20年代開(kāi)始，電動(dòng)汽車逐漸被內(nèi)燃機(jī)汽車替代。 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。 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。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 33 頁(yè) 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]。 電動(dòng)汽車的核心是動(dòng)力系統(tǒng)電氣化。自20xx~20xx 年，我國(guó)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)。 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(guó)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(wú)故障間隔里程與國(guó)外同步達(dá)到 3000 公里，燃料經(jīng)濟(jì)性國(guó)際領(lǐng)先。 從目前世界范圍內(nèi)的整個(gè)形勢(shì)來(lái)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(guó)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。繼 PRIUS 混合動(dòng)力轎車之后，豐田汽車公司還推出了 ESTIMA 混合 動(dòng)力汽車和搭載軟混合動(dòng)力系統(tǒng)的 CROWN 轎車。 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 33 頁(yè) 美國(guó)的汽車公司在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化方面比來(lái)自日本的同 行遜色不少，三大汽車公司僅僅小批量生產(chǎn)、銷售過(guò)純電動(dòng)汽車。 2． 3 電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng) 電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，在電動(dòng)汽車中占有重要的地位。電池管理系統(tǒng)主要有三個(gè)功能： (1)精確監(jiān)測(cè)電池電壓、電流和溫度參數(shù)，這是電池管理系統(tǒng)有效運(yùn)行的基礎(chǔ)和關(guān)鍵； (2)在監(jiān)控正確參數(shù)的前提下，應(yīng)用一定的算法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出電池電量狀態(tài)； (3)建立起一個(gè)四通八達(dá)的數(shù)據(jù)傳遞通道，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車內(nèi)部部件間，內(nèi)部與外部計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊和處理。在電池的充、放電過(guò)程中，電池的端電壓變化只有數(shù)十毫伏，因此電池電壓檢測(cè)需要很高的精度，否則就無(wú)法 正確判斷電池的工作狀態(tài)。而目前應(yīng)用在剩余電量預(yù)測(cè)方面有許多種算法，由于對(duì)電池內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理的復(fù)雜性以及狀態(tài)的不可確定性，一般建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的算法更為準(zhǔn)確，對(duì)不同類型和安時(shí)數(shù)的電池而言算法可能不同，因此專用性較強(qiáng)。電池的數(shù)量有限，充放電并不均衡。電動(dòng)車還有能量回收的問(wèn)題。與電機(jī)、電機(jī)控制技術(shù)、電池技術(shù)相比，電池管理技術(shù)還不是很成熟。電池外部因素也影響電池的壽命，如電池的充電參數(shù)，包括充電方式、充電電流、充電結(jié)束電壓；電池的放電參數(shù)，包括電池的放電電流、放電深度、脈沖電流等；電池的溫度；對(duì)電池維護(hù)的方式和頻率。 要實(shí)現(xiàn)這些功能就應(yīng)建立一個(gè)電池監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，其功用是通過(guò)監(jiān)測(cè)和控制單個(gè)電池的性能，最大化電池的充放電效果。預(yù)測(cè)電池每個(gè)循環(huán)可提供的電量及回收制動(dòng)的能量所產(chǎn)生的電量，并控制放電深度和充電