混合动力电动汽车电池管理系统的研究与设计毕业设计论文.docx

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混合动力电动汽车电池管理系统的研究与设计毕业设计论文

毕业设计（论文）正文

题目

基于混合动力电动汽车电池管理系统的研究与设计

专业

汽车工程

班级

机械与汽车工程学院汽车工程

姓名

学号

指导教师

职称

摘要

随着能源和环保问题的日益突出，混合动力电动汽车（HEV）以其排放低，噪声低等优点而受到世界各国的高度重视，作为发展电动汽车的关键技术之一的电池能量管理系统（BMS）,是电动车商品化、实用化的关键，且混合动力电动汽车的行驶工况十分复杂，对蓄电池的寿命影响很大，锂电池的使用寿命又是有限的。

因此，对混合动力电动汽车电池管理系统的研究与设计是很有必要的。

混合动力电动汽车电池管理系统是保证动力电池性能的重要手段，它负责监控电池的各个工作参数，包括电压、电流、温度、电量等。

同时还为能量的总成控制提供了必要的参数。

本文介绍了电池管理系统国内外研究现状以及混合动力技术对电池的要求，对电池管理系统作了简要概述，并介绍了电池管理系统的基本功用，且对其进行了分析，在此基础上提出了电池管理系统的设计要求。

接着以锂离子电池为例，介绍了锂离子电池的工作特性及电池剩余容量（SOC）的估算。

最后，对混合动力电动汽车电池管理系统的硬件和软件进行了设计。

关键字：

混合动力电动汽车；电池管理系统；荷电状态

Abstract

Countriesaroundtheworldattachgreatimportancetoenergyandenvironmentalissuesbecomeincreasinglyprominent,thehybridelectricvehicle（HEV）foritslowemissions,noiseandlow,asoneofthekeydevelopmentofelectricvehicles,batteryenergymanagementsystem（BMS）,isthecommercializationofelectricvehicles,thekeytothepractical,andhybridelectricvehicledrivingconditionsverycomplex,agreatinfluenceonthelifeofthebattery,lithiumbatterylifeislimited.Therefore,theresearchanddesignofhybridelectricvehiclebatterymanagementsystemisnecessary.

Hybridelectricvehiclebatterymanagementsystemistoensurethatanimportantmeansofthepowercell,whichisresponsibleformonitoringbatteryparameters,includingvoltage,current,temperature,power,etc..Alsoprovidesthenecessaryparameterstotheenergyoftheassemblycontrol.

Thisarticledescribesabatterymanagementsystem,researchstatus,aswellashybridtechnologyrequirementsofthebattery,thebatterymanagementsystemgaveabriefoverviewandintroductiontothebasicsofthebatterymanagementsystem,anditsanalysis,basedonthebatterymanagementsystemdesignrequirements.Followedbylithium-ionbattery,forexample,theestimateoftheoperatingcharacteristicsofthelithium-ionbatteryandbatteryremainingcapacity（SOC）.Finally,thehybridelectricvehiclebatterymanagementsystemhardwareandsoftwaredesign.

Keywords:

Hybridelectricvehicle;batterymanagementsystem;stateofcharge

第一章绪论

1.1电池管理系统国内外研究现状

电动汽车在广义上可以分为三类，纯电动汽车（BEV），混合动力电动汽车（HEV），燃料电池电动汽车（FCEV）。

目前，这三种电动汽车都处于不同的发展阶段，面对着不同的困难和挑战。

BEV只适用于低速短距离的运输，而HEV既能满足用户的需求，又能实现低油耗、低排放。

在目前的技术水平和发展条件下，HEV是比较理想的交通工具，但它必须具备两个动力源，即发动机、蓄电池与电机混合应用提供动力。

现今，混合动力电动汽车已实现了商业化。

优越的混合动力电动汽车结合了发动机和电机的优点，成功改善了尾气的排放，提高了燃油消耗率，降低了油耗。

并且不需要充电站等纯电动车所需的配套设施。

这种优点完全适应了燃油紧张的今天，是一种准绿色汽车。

然而，混合动力电动汽车的关键技术之一，即电池管理系统（BMS），还不完善，需要进一了解研究和设计。

因而，很有必要先了解国内外电池管理系统的发展状况。

电池管理系统是电动汽车中越来越重要的关键部分，我国在这方面的研究刚刚起步，即使在美国等汽车工业发达国家，其研制工作也不完善。

从有关资料来看，美国一直站在世界汽车技术领域的最前列，在混合动力电动汽车的电池管理系统的研究方面也走在世界各国的前列。

通用汽车公司的BMS采用了一个微电脑，对电池组进行管理。

监测和控制蓄电池组的充放电工作状态，提高电池的充放电性能，预测蓄电池组的荷电状态和剩余能量。

在欧洲，法国是电动汽车发展较快的国家。

法国电动车电池能量管理系统的主要功能为：

电池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池的管理、辅助电池的维护、剩余电量显示。

它防止对电池的有害使用，收集电池信息从而确定如何恰当使用和更换电池，最大限度地提高电池的能量使用效率。

在德国，西门子公司开发的电池管理系统，其充电控制可以使系统跟踪电池充电特性曲线。

进行充电，提高充电效率，节约电能。

电池管理系统对电池组的工作状况进行监控，检测电池组的电量消耗和剩余能量等，将有关信息反馈到仪表板的仪表和信号装置上。

通过DC-DC变换器保证电器系统的能源供应和器件正常运行。

在亚洲，日本本田公司开发的车用电池能量管理系统包括：

管理控制模块、车载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置、DC-DC变换器等。

如果电动汽车发生碰撞时，会立即切断电源，从而保证用电安全。

在韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测。

铅酸蓄电池作为独立光伏系统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长整个系统的服务寿命非常重要。

蓄电池组的监测内容有：

单电池电压、电池组电压、通过电池组的电流及电解液的比重等。

每一个被选择的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。

这个系统中有一个20个通道的扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。

电解液的比重是通过数字比重计测量。

研究的监测系统不仅要监测以上这些内容，而且采用了一种“电流中断技术”，以测量电池组充电时电池的内部电阻。

根据单电压和电流的关系，通过连续测量内部电阻以监测电池的老化趋势。

国外有人研究VMS（VRLABatteryManagementSystem）阀控密封铅酸蓄电池管理系统。

这个管理系统不是简单的监测蓄电池，而是设计成具有管理和控制蓄电池的功能。

此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。

因为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。

系统监测的内容包括：

单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。

VMS中包含了BMS。

它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。

这样更有利于对蓄电池的维护，延长蓄电池使用寿命。

国外蓄电池监测系统的技术比较成熟，并且研究发展了蓄电池管理系统。

在蓄电池管理系统中，监测的电池参数有所不同，研究的方法更复杂。

国外先进技术及研究成果对我国进一步进行有关蓄电池管理方面的研究，可以起到借鉴作用。

我国从70年代开始研制电动汽车，曾经制造出一些样车进行试验，但由于资金、人力有限，未取得什么进展。

1992年，电动汽车第一次被列入国家科技攻关项目，由国家科委、国家计委、国防科工委、国家经贸委等资助研制微型电动汽车、电动大客车及与之配套的电池、电机、充电器等，使我国电动汽车水平有了明显的进步。

1996年，国家科委把电动汽车列入“九五”国家重大产业工程项目，所列的4个课题全部启动，即电动概念车的研制、电动改装车的研制、电动汽车应用示范区的建立和有关电动汽车的政策、法规、标准、运行机制和关键技术的研究。

至此，我国全面拉开了电动汽车研究与开发的序幕。

我国对电动车的发展十分重视，在“十一五”规划中被列为国家高科技攻关项目，同时被列为国家“863”科技攻关项目，该专项确定了以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，以多能源动力总成、电动汽车驱动电机、电动汽车动力电池三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局。

尽管国内的起步较晚，由于国家政策的推动，以及国内各汽车公司、高校和研究机构的共同努力，混合动力汽车电池管理系统的研究水平与国外的差距正在被逐渐缩小，正在慢慢接近世界先进水平。

1.2混合动力技术对电池的要求

动力电池的主要性能指标包括比能量、比功率和使用寿命等。

要使电动汽车成为现实，所以其储能源必须满足以下四个条件：

比能量高、比功率大、使用寿命长和成本低廉。

为了实现电动汽车在技术性能上与燃油汽车抗衡这一目标，动力电池的基本要求如下：

1.高质量比容量、高体积比容量；

2.高质量比功率、高体积比功率：

3.长的循环寿命，充放电循环次数多，工作时间长；

4.较好的充放电性能，大电流充放电性能、抗过充和过放能力好；

5.电池稳定性好，整体电池性能重现性好，且在使用寿命期限内，性能应

衰减缓慢；

6.使用温度范围广，应能在-40℃～+125℃范围使用，特别是低温放电性能应衰减不大；

7.价格较低，便于推广应用；

8.从使用维护方便考虑，应发展密封免维护蓄电池；

9.使用安全，没有腐蚀、易燃和易爆的危险；

10.生产和使用过程应对环境无污染，废电池应易于回收再生。

第二章电池管理系统概述

作为混合动力电动汽车的动力电池有很多种选择，比如常见的包括阀控铅酸电池（VRLA）、镍-镍电池（Ni-Cd）、镍-锌电池（Ni-Zn）、镍基电池（Ni-MH）、锌空气电池（Zn-Air）、铝空气电池（AI/Air）、钠硫电池（Na/S）、钠镍氯化物电池（Na/NiCl2）、锂聚合物电池（Li-Polymer）和镍离子电池（Ii-Ion）等多种类型。

但由于锂离子电池端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染的特点，锂离子电池如今已被用在混合动力电动车车上用作动力能源，成为电动车发展的一个新趋势。

故本文对锂离子电池管理系统进行研究与设计。

2.1什么是电池管理系统

电池管理系统又称为智能电池测量系统，是一个全面测量电池参数，可以根据当前电池状态，完成相应的控制动作，并提供与其它系统的通讯能力的系统。

带有电池管理系统的电池称为智能电池。

对于智能电池的定义，不同的机构有不同的阐述，著名的电池标准机构SBSIF（SmartBatterySystemImplementerForum）的定义是：

至少要能提供电池的荷电状态SOC（StateofCharge）的电池。

对于使用者来说除了SOC和电压、电流之外还非常关心电池的使用寿命，电池的使用寿命用健康状态（StateofHealth）来表示。

常用的锂电池的使用寿命为300到500个充放电循环。

电池管理系统控制着电池的充电和放电，负责精确的估算任意时刻电池的状态和容量，估算电池的SOC是电池管理系统的主要职责之一。

电池管理系统的另外的功能是有效的利用可回收能量，增加电池系统的可靠性和使用寿命。

2.2电池管理系统工作环境

由于电池组用于混合动力汽车，其放电环境与一般的电池放电不一样，主要是以大电流脉冲放电为主并辅以小电流短时间持续放电，在汽车启动瞬间会有高达150安培左右的脉冲放电，放电时间一般在10秒左右，在加速时会有30安培左右的短时间持续放电，而在汽车正常行驶或减速时会对电池组进行充电，充电电流一般为-30安培左右。

由于汽车行驶具有不确定性，一般来说脉冲放电对电池SOC的影响不大，但是大电流持续放电对电池SOC的影响是很大的，另外汽车在行驶过程中外部温度会经常改变，这也会对电池的SOC有较大影响。

再有就是电动机的启停会有很严重的电磁干扰，这些都会增加精确测量的难度。

2.3电池管理系统的基本功能

综合国内外的研究工作，开发的混合动力汽车电池管理系统应具有如下几方面的基本功能：

1.对混合动力汽车动力电池组中的每组电池的端电压和温度进行实时采集；

2.对整个电池组的充放电电流进行采集，建立每组电池的使用历史档案；

3.随时预报混合动力汽车储能电池的剩余电量，使驾驶员在行车过程中做到心中有数，配合整车控制策略良好运行；

4.电池需要充电时，及时报警，以防止电池过充电而影响其使用寿命；

5.混合动力汽车运行时，如果电池组中有哪块电池损坏了或因使用时间过长而老化，能量管理系统自动报警，并显示有关信息，以便操作者及时更换旧电池，从而提高系统的可靠性，延长其它电池的使用寿命；

6.高压动力电池组用电安全控制；

7.及时发送电池信息给整车控制单元，以实现整车的控制。

2.4电池管理系统的功能分析

2.4.1电池参数检测

电池参数检测是电池管理系统最基本和最重要的功用，荷电状态及剩余电量的计算、充放电优化及故障预警都是以各种电池参数为依据。

要求能够测量串联电池组每块电池的电压、温度、电池组电压，充放电电流等参数对时间的参数。

电池检测要求能够满足系统对采集精度和实时性要求，并能在任何电池状态时连续采样，采样频率取决于电池管理系统的控制策略和算法，检测结构部分尽量少消耗或不消耗电池电能。

2.4.2电池状态估计与输出

电动汽车必须能够精确估计电池状态，电池状态包括荷电状态和健康状态。

并能据此及时通知驾驶者可行驶里程和电池寿命信息等，避免车辆因电量不足被迫停在路上，同时帮助驾驶者最大限度的利用电池的可用容量。

对于无需充电的混合动力电动汽车，准确估计电池的荷电状态和健康状态是进行充放电能量管理的必要条件。

因此电池状态的估计一直是发展混合动力电动汽车的关键技术和研究重点。

预测电池荷电状态，必须考虑电池容量随放电电量、环境温度、循环寿命及自放电（车辆停驶时间）等条件的变化而变化。

上述影响因数对电池容量的影响对多数化学电池而言，还没有精辟的理论模型，使得电池荷电状态精确预测也成为电池管理系统的重点和难点。

2.4.3电池充放电过程优化

由于电动汽车驱动电机电压和功率的要求，动力电池必须以串联和并联的方式组合起来。

实践证明，在通常工作条件下，电池组的寿命与串联电池数呈接近指数下降的关系。

造成这一现象的原因是，有制造工艺和所处温度差异等因素的影响，电池间的容量、电压和内阻存在微小差异，这些差异在电池组充放电过程中，会逐渐放大，在远未达到单个电池循环寿命前，个别电池会出现过放电和过充电导致容量下降、甚至失效，加重其周期电池的负荷，造成串联电池的损坏，电池管理系统要能够在充放电过程中，采用优化的充放电控制模式，并采用合适的方法均衡电池间的差异，保持个电池容量的一致性，延长电池组的使用寿命，降低混合电动汽车的使用成本。

2.4.4电池组热量管理

环境温度过高或过低都会影响电池的性能。

在混合动力电动汽车上电池模块一串联或并联的方式组成电池组，已达到容量和电压的要求，并以某种方式安装在电池箱中，由于各块电池内阻的差异而引起在工作中发热量的不一致性，以及电池在电池箱中所处位置的差异而引起的电池模块传热效率的不一致，会造成电池组内电池之间温度的差异。

温度差异是造成电池容量和电压不一致的重要原因，特别是对温度比较敏感的电池。

为是电池组发挥良好的性能、具有更长的寿命并保证使用安全，就要对电池组进行热量管理，使其保持在河里温度范围内，并使的单块电池间温度均衡。

热管理系统必须具有以下功能：

电池组温度过高时的有效散热、低温条件下的快速加热，保证所有电池较好的温度一致性和有害气体产生时的有效通风。

2.4.5电池故障诊断及安全预警

由于道路行驶条件比较复杂，特别是雨雪天气和交通事故条件下也要保证汽车的安全性，避免出现电路故障特别是短路故障。

对于充电过程中的有害气体析出或者出现温度过高的电池，要采取措施避免发生爆炸。

电池管理系统的故障诊断和安全预警功能，用于诊断电池电路故障，并在出现过放、过充及超温现象时，及时采取措施并报警。

2.4.6通信功能

电池管理系统和车载设备或非车载设备的通信是其重要功能之一，根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如CAN总线或I2C串行接口等。

2.5电池管理系统设计要求

为了满足混合动力汽车电控系统的需要，对电池管理系统的基本功能提出了以下要求：

1.监测单个电池单体电压

2.监测整个蓄电池组电压（误差小于1%）

3.监测蓄电池组温度

4.蓄电池组通风控制

5.计算蓄电池组寿命

6.监测电池充放电电流（误差小于1%）

7.蓄电池组最大允许充、放电流计算并输出

8.蓄电池组容量计算并输出

9.SOC计算并输出（误差小于5%）

10.避免蓄电池组的过充过放电

11.具有过流保护、高压电路中有熔断器

12.蓄电池组最低电压和最高电压

13.监测蓄电池组状态，并在蓄电池组寿命受到影响时输出信号，点亮寿命警告灯

第三章锂离子电池的工作特性与SOC的估算

3.1锂离子电池的工作原理

锂离子电池正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LixCo2，LixNiO2或LiMn2O4,负极采用锂-碳层间化合物LixC6,电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。

电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程,当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。

负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,充电容量与嵌入的锂离子成正比。

当对电池进行放电时,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。

回到正极的锂离子越多,放电容量越高。

锂离子电池的工作原理如图3-1：

图3-1锂离子电池的工作原理

由图可知，该电池的工作过程仅仅是锂离子从一个电极脱嵌，进入另一个电极嵌入的过程。

且电池的反应式如下：

正极反应：

LiCoO2

Li（1-x）CoO2+xLi++xe-

负极反应：

C+xLi++xe-

LixC

电池总反应：

LiCoO2+C

Li（1-x）CoO2+LixC

3.2锂离子电池基本电特性

查阅相关文献资料可详细的了解锂离子电池的充放电特性：

3.2.1锂离子电池充电特性

锂离子动力电池的充电试验测试结果见图3-2。

图3-2锂离子电池的充电特性

在a图中电池端电压在充电初始时刻有比较大的上升率,而随着充电过程的不断进行,电池端电压逐渐趋于平稳。

由b图可以看出,锂离子动力电池在智能模式充电方式下,充电电流在开始时迅速达到比较大的值,而后几乎线性下降,在420min时,电池基本已经到达满充状态。

电池在充电始末温升在3℃之内（环境温度为15℃）,说明在智能模式充电的方式下锂离子动力电池的电流接受能力良好,充电效率较高。

3.2.2锂离子动力电池放电特性

锂离子动力电池的放电试验测试结果见图3-3：

图3-3锂离子电池的放电特性

由图a和图b可以看出,锂离子动力电池恒流放电情况下的工作电压变化分3段:

在放电初始阶段,电池工作电压下降迅速,最大可达1.5V/h以上;而后进入线形下降区,也就是锂离子电池动力电池的工作阶段,持续工作时间随放电率的不同而有所不同,电压下降速率也会因为放电率的不同而变化;在放电接近终止时,电池工作电压又开始急剧下降,下降速率迅速上升,如果没有很好的防护措施,有可能损坏电池。

由图b可知,锂离子动力电池的工作电压变化与放电深度存在着密切关系,在放电深度20%

DOD

85%内存在近似的线形关系,由此通过检测电池电压特性可以准确预测电池电量状态。

同时,由图c可知,电池释放的能量与放电深度之间也是成正比例关系,而且几乎与电池放电率没有关系,所以,在使用过程中,借助电池的放电深度就可以准确计算电池剩余能量,从而计算出车辆的剩余续驶里程。

第1次放电采用30A恒流放电,放电电量171Ah,放电能量649.762Wh,体积比能量377.82Wh/L。

第2次放电采用50A恒流放电,放电电量173.16Ah,放电能量647.385Wh,体积比能量376.53Wh/L。

30A放电在80%的放电深度时,电池释放能量为463Wh,质量比能量为118.72Wh/kg;50A放电在放电深度达到80%时,电池释放能量为460Wh,质量比能量为117.95Wh/kg,锂离子动力电池比较高的体积比能量和质量比能量能够降低动力电池质量占电动车整车质量的百分比,从而提高电动车的续驶能力,并解决动力电池在电动车上的布置问题。

由于锂离子动力电池对的温度变化比较敏感,在试验过程中,对锂离子电池表面的温升进行检测,结果如图2d所示。

在恒流放电模式下,锂离子动力电池表面温度以线形关系上升。

在环境温度为15的条件下,30A放电的温升速率为2.5/h左右,50A放电的温升速率为4.9/h左右。

为了保证锂离子动力电池在电动车上的安全使用,应该注意设置电池的温度监测功能,并注意电池箱的通风散热设计。

3.3锂离子电池SOC的估算

电池荷电状态（SOC一StateofCharge）的计算，始终是BMS的难点和重点之一。

因为电池工作的高非线性，电池工作环境的难预测性，电动汽车工作的过程也是一个多变的过程其放电倍率可能随时变化，电池本身的状态还要受其寿命影响，这些因素都促成SOC的估算很难达到理想化的效果。

SOC是电池管理系统的重要参数，它是电池电量的直接反映，一方面为司机提供续驶里程的重要信息，另一方面也为电池的管理和维护提供重要依据，因为电池的过冲、过放都会导致电池寿命的下降，甚至发生燃烧或爆炸，造成严重的后果。

因此严格监控电池组的SOC是电池管理系统的一项重要任务。

常见的SOC算法包括安时法、电压法、内阻发、神经网络法卡尔曼滤波法等。

其中安时法产生累积误差且无法消除;电压法和内阻法是根