电动汽车用电池组管理系统研究设计.docx

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电动汽车用电池组管理系统研究设计

电动汽车用电池组管理系统研究设计

目录

摘要3

Abstract4

1引言5

1.1选题背景和意义5

1.2研究目的和章节安排6

2蓄电池充放电特性研究8

2.1蓄电池基本特性8

2.1.1充电特性8

2.1.2放电特性9

2.2放电电流对充放电速度的影响研究9

2.3环境温度对蓄电池充放电的影响11

3电动汽车用电池组管理系统研究设计13

3.1蓄电池的充放电动态模型13

3.2能量转移均衡控制策略研究13

3.2蓄电池充放电控制系统设计16

4算例分析17

4.1均衡效果比较17

4.1二级均衡效果18

5总结20

参考文献21

摘要

铅酸蓄电池应用十分广泛，但是由于其质量、性能或者使用不当等原因，造成电池寿命远远短于预期数值，这严重影响了设备的正常运行。

从当前情况来看，对于蓄电池的维护主要是靠人工检测与维护，而人工检测具有许多局限性，如检测失真、失误、人工检测的滞后性等问题造成了对蓄电池的维护并没有做到有效及时的检修，这在一定程度上直接加大了设备发生故障的风险性。

令人欣慰的是，电池组管理系统对于解决这一问题提供了很好的解决办法，它具有智能化、高通用性等特性，有效弥补了人工检测的缺陷，成功地实现了一天24小时对蓄电池及整套设备持续的监测与反馈，这对于提高蓄电池的使用寿命、维护设备的正常运行具有重要的意义。

因此，本文选择以电动汽车为研究对象，对其电池及电池组管理系统进行研究设计，希冀能为电池组管理系统的适用与普及，提升设备的运动性能提供有意的借鉴意义。

Abstract

Thelead-acidbatteryiswidelyused,butbecauseofthequality,performanceorimproperuseandotherreasons,resultinginbatterylifeismuchshorterthanexpected,seriouslyaffectedthenormaloperationofequipment.Atpresentthemaintenanceofbatteryismainlybymanualwork,butthemanualmeasurementwillbringalotofdefects,suchasfaultdetectionisnotaccurate,lackofaccuracycheck,batteryinternalfaultwasunabletocheck,cannotbetimelycheckproblemsappearedintheprocessofoperation,checkalimitednumber.Andbatterymanagementsystemcanwellimprovethedefectsofmorethanmanualinspection,powersupplyandtheupperleveldevicebetweentheregulatory,ofcompletesetsofequipment,uninterruptedoperationprovidesmoreeffectiveprotection.

Themainresearchcontentsofthispaperareelectricvehiclebatterymanagementsystemresearchanddesign,firstofall,thebatterychargeanddischargecharacteristicsofresearch,includingresearchoninfluenceofbasiccharacteristicsanddischargecurrenttochargeanddischargerate,thenthebatterycharginganddischargingdynamicmodelandenergytransfershiftbalancecontrolstrategyresearch,onthebasisofthisdesignbatterychargeanddischargecontrolsystem.

1引言

1.1选题背景和意义

自党中央提出“五位一体”计划以来，生态文明建设成为人们新的关注点，人们在追求经济速度与效益的同时开始将重点逐渐转移到生态经济，越来越关注人们的生存环境，雾霾、沙尘暴、冰雪灾害等自然灾害已对人们的生命与生活造成了非常大的困扰，若一味地让环境保护屈从于经济建设，人类终将自食恶果。

在这种背景下，对传统燃油汽车提出了新的挑战，零污染、性能好的环保电动小汽车越来越受到人们的青睐，那么，如何维持电动小汽车的驱动系统的稳定成为整个汽车系统中技术的关键，是研究员要重点研究的领域，也是未来发展和值得关注的地方[1-2]。

国内外有大批学者致力于电动汽车驱动系统方面的研究，美国的通用汽车公司最早提出采用蓄电池对电动汽车进行供电，最先设计一款商用电动汽车，该电动汽车的时速可以达到50公里每小时，其运行距离超过100公里。

上述电动汽车离真正意义上传统汽车的距离在减小，但是由于其动力系统能量密度和功率密度不足，导致其仍然存在着很长的路要走。

随后世界范围内开始对电动汽车的动力系统展开研究，日本学者在电动汽车蓄电池系统中有着较快的发展和研究，日本学者除了将铅酸电池应用在电动汽车中，还将锂电池应用其中，锂电池供电有着更高的功率密度和能量密度，并且更加环保。

我国电动汽车行业在上述发展基础上也获得了长足的进步好发展，最为明显的就是我国比亚迪汽车，该公司一直致力于电动汽车蓄电池技术的研发，该公司已经成功研发成功多款商用型电动小汽车，并且在市场上获得了一定的地位，比亚迪电动小汽车相比国外而言，有着更加平稳的运行性能，其行驶最大公里数也一直在不断刷新国际记录。

纵观上述电动汽车驱动系统的发展历程来看，目前关于这一块的研究主要定位在如何扩大蓄电池的能量密度和功率密度，使得电动小汽车有着更大的行驶公里数和加速度。

关于蓄电池本身储能技术已经成为了该领域最大的攻关点和瓶颈，如果该项技术有所突破，那么电动小汽车将会得到巨大的发展。

本文在上述背景下，研究电动汽车电池供电系统，通过分析电池供电系统的性能和原理，引入一种新的控制策略替代原先传统的控制策略，使得电动小汽车有着更加优异的运行性能是非常有具有意义的[3]。

在电动汽车的所有电机中，永磁同步电动机具有十分优异的运行性能。

在电动机的控制策略方面，在某种情况下需要电动机具有优良的转矩特性，因此，我们有必要在电动汽车的驱动系统中运用一些稳定的控制策略，在目前看来，一些线性化的控制策略未必能满足相应的要求，我们还可以通过引入一些新型的非线性控制策略以提高其控制性能[4]。

20世纪70年代是一个标志性的年代，在这一时期，燃油汽车的发展规模达到顶峰，与之相伴随的是生态环境的日益恶化，全球变暖、雾霾、酸雨等问题已成经济发展与人们生活的最大公敌。

也是在这一时期，人们开始把目光转向环境保护，许多国家开始斥巨资设计无污染的电动汽车，这一现象多发生在后现代化国家即大部分西方发达国家。

我国也于1966年制成了国内首辆电动汽车，但遗憾的是，由于蓄电池技术的限制，最终并没有投入使用。

我国电动汽车的发展迎来春天是在2009年1月，国务院明确提出新能源汽车的建设要求。

这一号召，极大地增强了企业的研发积极性，为了得到国家政策和“十城千辆”电动汽车项目的支持，众多汽车企业纷纷响应国家的号召，积极参与到电动汽车的研发与适用当中来，制定了较为完善的电动汽车产品研发规划。

而电动汽车一个很重要的部件就是电池。

电池在大量生产的情况下，质量方面难以统一，加上随着使用时间的增加，使用环境的改变，电池的品质和寿命都会有所下降，如果电池经常处在过度放电或过度充电的状况下，很容易产生燃烧爆炸的灾害性后果。

因此，如何实现对整个电池和电池组的实施监控和检测成了众多企业研究的重要课题，电池管理系统（BMS）的出现就是可喜的一项研究成果。

它的成功运用实现了将车载动力电池与电动汽车连为一体的可能，它可以自动地不间断地对电池或电池组进行监控，而且其具有多重常规保护功能，如高低电压、高低温、过载短路等，使其能够智能地管理其充放电，延长了电池的使用寿命，降低甚至避免了爆炸事故的发生。

对电池剩余电量的精确估计，还可以使人们精心计划其活动安排，方便了人们的生活与工作。

为了保证电动汽车的安全性与普适性，我们有必要对电池管理系统进行细致的研究。

1.2研究目的和章节安排

从当前情况来看，对于蓄电池的维护主要是靠人工检测与维护，而人工检测具有许多局限性，如检测失真、失误、人工检测的滞后性等问题造成了对蓄电池的维护并没有做到有效及时的检修，这在一定程度上直接加大了设备发生故障的风险性。

令人欣慰的是，电池组管理系统对于解决这一问题提供了很好的解决办法，它具有智能化、高通用性等特性，有效弥补了人工检测的缺陷，成功地实现了一天24小时对蓄电池及整套设备持续的监测与反馈，这对于提高蓄电池的使用寿命、维护设备的正常运行具有重要的意义。

因此，本文选择以电动汽车为研究对象，对其电池及电池组管理系统进行研究设计，希冀能为电池组管理系统的适用与普及，提升设备的运动性能提供有意的借鉴意义。

本文共分为五部分，第一部分的主要内容是介绍了电池管理系统的研究背景及该课题的理论价值和现实意义，提出了研发电池管理系统的必要性和重要性；第二部分是本文的重点内容，详细地介绍了蓄电池的充电特性与放电特性，并对放电电流和环境温度对充放电特性的影响进行了细致的分析；第三部分是在建立蓄电池的充放电动态模型的基础上对电动汽车用电池组管理系统进行研究设计；第四部分主要进行了算例分析，说明了不同型号的电池会影响电动汽车的运动性能；最后一部分进行总结，指出了电池管理系统的应用价值及发展趋向。

2蓄电池充放电特性研究

2.1蓄电池基本特性

2.1.1充电特性

通过对锂离子电池的充电特性进行研究后发现，锂离子电池与其他一些材料的电池相比，具有自己的独特性质。

可以说，当我们在对其进行充电的时候在其内部就伴随着电解的过程，而且还会出现活性物质的转化。

我们以磷酸铁锂电池为例，其充电特性主要表现为以下两点。

第一，恒流充电特性。

这一特性是指我们以锂离子电池可以承受的恒定电流对其进行充电，在这一过程中锂离子移动的速度比较快，从而使得锂离子电池的电压迅速上升，很快完成充电。

但是，需要注意的是，在锂离子电池的的容量快要达到满充的时候，应停止继续对其充电，否则将很可能会因为过充电而导致爆炸事故的发生，轻者会缩短锂电池的使用寿命，引发设备故障，严重的还会危及人们的生命财产安全，必须引起注意，应对锂离子电池的充电过程格外小心。

第二，充电电压-电流特性。

这一特性是专门针对放完电的锂离子电池来说的，还是以锂离子电池可以承受的恒定电流为其充电，我们以所充的电量作为依据，来研究锂离子电池电压在充电过程中的变化情况。

如图2.1所示为磷酸铁锂电池对应的充电曲线。

图2.1磷酸铁锂电池对应的充电曲线

2.1.2放电特性

与充电特性相同，放电特性对电动汽车蓄电池而言也是非常重要的，其对电动汽车运行过程中的功率以及电流有着关键性的影响，因此我们在针对驱动系统的稳定性而制定相应的控制策略之前，首先应该对蓄电池的放电特性进行细致的了解。

本文选取了铅酸蓄电池为例，对其放电特性的研究公式表示如下：

（2.1）

在上式中，

表示的是电容大小；

表示的是电流大小；

以及

表示的均是常数，为了对该模型中的温度因素进行一个更加准确的考虑，引入如下公式：

（2.2）

其中

表示的是温度系数，这个温度系数的含义就是当环境温度为30摄氏度时，相应蓄电池容量的大小。

2.2放电电流对充放电速度的影响研究

电池的荷电状态，也可称为剩余电量（StateofCharge，SOC）。

其是指电池在使用一段时间之后剩余的容量或在长期不用的情况下而剩余的容量与其在完全充电状态下所有的容量之间的百分比。

电池的荷电状态是电池管理系统的主要研究课题之一。

对电池的荷电状态的估计具有重要意义，一方面可以实现为电池组进行充放电保护和能量分配，另一方面可以提供精确的剩余里程信息，使驾驶员合理安排自己的行车路线。

因此，研究如何提高电池组电池荷电状态估计具有重要的现实意义。

电池荷电状态不是一成不变的，它随着用电量的变化而变化，变化幅度为０％－１００％。

０％指的是空荷电状态，是指电池放电的时候不能再释放出任何的能量，即达到了0%的电池荷电状态；与0%相对应，１００％指的就是满荷电状态，是指电池充电已经满格而不能再吸纳任何一点能量为止时的电池荷电状态。

就目前而言，国内外比较公认的电池荷电状态定义如下式所示：

其中，

指的是某条件下释放出的电量，

指的是同一条件下电池组中的总电量。

在同一条件的初始状态下，随着电池的放电能力及特性的不同，电池释放出来的电量也会有所不同。

电池释放出的能量与电池的放电倍率成反比关系，有现成的经验公式如下所示：

公式中，

是指充放电的电流，单位为Ａ，ｔ是指充放电所用的时间，单位为ｈ，K是常数。

等式左边为恒流放电时的电池容量，式中有两个未知参数ｍ和Ｋ，为了确定这两个参数，则需要进行两次放电实验，则得到两次实验的I1和t1，I2和t2，即得：

通过式上面两个等式可以得到：

则计算出ｍ后，可Ｗ计算出Ｋ，然后就可Ｗ得到不同放电倍率与放电时间的关系。

通过实验的方式可获得不同放电倍率对容量影响的系数Ｋ。

在放电电流流经电池的时候，会受到电池内部电阻的阻碍，从而使得其在相互摩擦的过程中消耗掉大部分的能量。

而且随着电池的放电倍率的增大，其本身消耗的能量也会增多，那么，其释放出来的能量也就相应的有所减少。

根据电池组实际最大充放电电流，单体进行了最大３Ｃ的放电实验，并选取两组不同的电芯进行测试，最终获得了不同电芯受放电倍率影响的系数，并对其在不同放电倍率下所释放出来的能量进行了详细的记录，最后根据这些记录的实验数据绘出了不同的放电倍率对放电效率的影响曲线（如图２.２所示）。

图2.2电池不同放电倍率下电池容量实验

由实验数据可看出，不同放电倍率下电池的放电效率有很大差别，而且放电效率具有非线性的特点。

本文采用分段线性的方式，即根据实验数据对不同放电倍率进行分段，然后分段进行线性系数的矫正。

2.3环境温度对蓄电池充放电的影响

电池本身是一个电化学系统，在其充放电的过程中会产生一系列的化学反应。

不同的环境温度对蓄电池的充放电特性的影响是不同的，通常情况下，电池的电化学物质活性会随着温度的升高而增强，电池容量也会随之增加；相反，电化学的物质活性会随着温度的下降而降低，相应的电池容量也会减少。

然而有一个问题不得不提，以引起大家的注意，这一问题就是虽然电池的电化学物质活性会随着温度的升高而增强，电池容量也会增加，但并不意味着温度越高越好，过高的温度其实会隐藏着更大的安全问题，还会破坏电池的结构特性，影响其使用寿命，所以温度是影响电池荷电状态估计的重要因素之一，我们必须对其进行细致的研究，具体研究过程如下：

假设温度对电池容量的影响系数为Ｋ，一般定义室温（

）下电池的容量为额定容量（

），则温度为Ｔ时的电池容量为

，设初始时刻为

，则在该温度下电池的初始容量为

，则可得到电池的容量变化公式，如下式：

则电池的荷电状态可表示为：

其中，

为电池在Ｔ时刻的电池剩余容量占额定容量的百分比，利用高低温试验箱制造不同温度的工作条件，得到电池在不同温度下的放电容量数据。

图2.3电池在不同温度下的放电效率曲线

根据裡离子电池的工作湿度范围要求，实验选择了12个温度点对电池进行放电实验，分别为

到

中间的分档。

为了减小放电倍率对放电效率的影响，电池采用０．３Ｃ的放电电流。

电池能够释放的能量受电池工作温度的影响很大，电池在正常工作范围内（通常要求电池在

到

）正常工作。

因此实验对电池在这个区间的容量与放电效率进行了实验。

电池在低于〇‘Ｃ后能够释放的能量会大大衰减，到

时能够释放的能量就只有额定容量的６５％。

一般厂家标定的额定容量指的是常温时的容量，也就是室温

到

时的容量。

从实验可以看出，电池

附近时放出的电量与电池的额定容量最为接近。

对实验所得的数据拟合巧合成曲线如图２－３所示，我们可以看出温度对电池容量的影响具有高度的非线性，因此本文采取的仍然是分段线性化的方式进行处理，然后通过查表的方式得出每个温度段对电池容量的影响，计算时根据当前的电池工作温度情况，查表获得当前的温度矫正系数然后对电池的Ｓ０Ｃ进行矫正。

从而实现了尽量减小电池组Ｓ０Ｃ估算受温度影响的可能性，提高Ｓ０Ｃ估算的精确度。

3电动汽车用电池组管理系统研究设计

发现无功补偿的最佳解决方案主要包含在总共三个步骤：

找出薄弱母线，距离母线集薄弱选择补偿点，并确定最佳补偿容量。

总线设置弱可以通过选定的故障模拟或那些有沉重的母线电力负荷被发现。

在选址问题和大小的问题分别解决了利用不同的型号。

这些模型的制定和分析将在本节进行讨论。

3.1蓄电池的充放电动态模型

 首先，一个关键的故障集形成为

。

通过进行时域仿真记录一些薄弱节点的故障。

然后恢复时间矩阵在建立最优的选址模型下建立，如下：

（8）

在模型中，x是二元变量，用来指示是否一个无功补偿设备处选择总线i和S是可以选择的设备的总数。

目标函数意味着母线具有更长的恢复时间和较强的影响力对其他总线各地应选择作为补偿点。

这种模式是一种简单的线性规划模型，但集成了瞬态电压信息和总线之间的关系。

3.2能量转移均衡控制策略研究

从当前国内外研究情况来看，利用锂离子电池组对电压进行均衡控制的策略已不是一个难题，能量转移均衡控制策略有很多实施方案。

仅仅按照能量消耗为分类依据，我们可以将均衡电路分为能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路两种形式。

所谓能量耗散型均衡电路，指的就是电池组中能量较高的单体电池的能量以热量或其他的形式而被部分消耗掉的均衡电路；所谓能量非耗散型均衡电路，就是指在能量转移的过程中并没有出现能量耗费的情况，电池组中的具有较高能量的电池的能量通过一定的方式成功地向较低的电池转移能量的均衡电路，最终达到能量的均衡，这种能量转移方式与能量耗散型均衡电路相比，实现了能量的最大效用，然而这种能量转移方式还是存在一定的局限性，其在能量转移的过程中也有可能会因为转换效率的原因而浪费一部分能量。

二者的情况具体如下：

第一，能量耗散型均衡电路。

它可分为两大类，其中一类是通过将任意一个电阻并联到在任意单体电池的两端，以起到分流的作用，达到能量均衡的目的（如图4.4所示）。

它完成能量的均衡一般发生在电池充电阶段，由于其与低容量的电池之间不能实现能量互补，因而会造成能量的浪费，损耗了功率。

但是，它也具有一定的优势，如此均衡电路比较稳定，能够增加电池间的一致性。

这种均衡电路在卫星电源中等较为常见。

图４.４能量耗散型均衡电路

另外还有一种放电式的均衡控制策略，这种均衡控制策略与相邻的电池进行电压之间的比较，然后将比较结果以控制电路开关的通断来进行能量均衡，需要注意的是，为了在均衡电路中使开关导通时电池能够放电，必须保证相邻电池的电压差异幅度值在0.5V以上。

如果这种电路长时间与电池组相邻，将会出现漏电流而造成电池组的不一致性。

第二，能量非耗散型均衡电路。

相比较前一种而言，这种均衡电路的耗能要小得多，这是其最大的优势所在。

然而，它也不可避免的存在着一些问题，单就其电路结构而言，比较复杂，因此，其又可以划分为能量转换式均衡电路和能量转移式均衡电路。

具体如下：

（1）能量转换式均衡电路

这种均衡方式多发生在给电池充电的时候，其凭借一定的控制策略，以电池组中的单体电池为目标，把整组电池的能量与之进行能量转换，或以整体电池组为目标，实现单体电池向整体电池组的能量转换（如图4.5单体电压向整体电压转换所示）。

这种能量转换方式是通过检查电路中各个锂离子电池的端电压的形式进行的，一旦检查结果是当初设定的某个值，则立即开启电路中的均衡模块。

然后减小此电路中的充电电流，使电池的充电电压减小，其余部分的电流通过受到一定的控制从而使能量回到充电的总端，以最终达到能量的均衡的目的[38]。

还有一种方式是可以通过续流电感，也可以试下能量的均衡[39]。

图４.５单体电压向整体电压转换

我们首先以电池组整体能量向单体电池的转换为例，来看能量转移的过程，其均衡过程可以包含有充电阶段和放电阶段。

首先来看充电阶段，在这个阶段，我们可以利用主充电模块给整个电池组充电，并且要对各个单体电池进行实时的监控，因为此时，任何一个单体电池的电压过高都有可能造成主充电电路发生断裂，然后应立即启动补充式均衡模块，给整个锂离子电池电池组进行充电。

其次放电阶段。

在放电阶段末期，某节电量较小的电池的电压下降的速度会比较快。

此时，为了维持能量的均衡，我们可以从电池组整体出发，向单体电池进行能连转换，在这一过程中，电压较高的单体电池得到了比较少的能量，而电压较低的单体电池得到了比较多的能量，有效地达到了能量均衡的目的。

为了节约制作费用，提高设备的工作效率和质量，这种方式经常被用于一些中大型功率的设备当中。

因为这种锂离子电池均衡电路比较复杂，因此这种能量转换式的均衡电路不适合级联。

（2）能量转移式均衡电路

这种均衡方式是将电池组中电池电量较高的一部分电量转移到电量较低的电池中的一个能量转移过程，达到能量均衡。

同时我们进行单体电池间的能量的双向传递，但是它有一定的条件限制：

一是单体电池必须使相邻的两个单体；二是控制方式必须是电感储能。

这种传递方式其他传输方式来比，损失的能量要少很多，有效地实现了能量的最大利用率，这是其优点。

然而它也有不可忽视的缺点，即这种能量转移的过程要经历多次数和多层次的传输，因此，一方面会使得能量均衡的时间延长，另一方面也会造成能量的浪费。

这种能量转移的方式按照功能划分的话，包括充电均衡、放电均衡和动态均衡三种不同的形式，各自的特点及优缺点如下：

充电均衡。

它发生在整个充电的过程中，是把单节电池电压与之前设定的电压做比较，当单体电池的电压达到之前所设定的电压时，可以通过减小单体电池的充电电流来防止出现过充的现象，进行能量均衡。

放电均衡。

它发生在整个放电的过程中，为了避免过放电现象的出现，维持能量均衡，延长电池的使用时间，我们要向电压低的单体电池提供部分能量。

由于是在放电阶段进行均衡，所以能够把电池组中的电荷放完。

然而充电均衡却不然，在充电的过程中，经常会出现内阻小的电池电压低的情况，这就会造成内阻大的电池出现过充电的情况。

所以放电均衡适用于电池使用初期，但是其电路结构复杂，不适用于多个电池联合的情况。

动态均衡。

它是集前两者的优势于一体，成功实现了电池组在整个充放电过程的能量均衡，其比较多见于电容、电感型等能量转移的过程中。

3.3蓄电池充放电控制系统设计

针对已有的均衡策略，提出如下改进方法：

（1）以单体电池间的电压差值为依据，选择均衡方式和时间。

当电压差值比较大的情况下，我们要选择大幅度的均衡和长时间的均衡，例如本文所列的二级均衡；而在电压差值小的情况下，我们要采用小幅度短时间的均衡，例如