電動(dòng)汽車能源管理系統(tǒng)

1、電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng) 報(bào)告人：陳峭巖報(bào)告人：陳峭巖一、當(dāng)今電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù) 當(dāng)今電動(dòng)汽車三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)尚未有突破性進(jìn)展。 1、總體機(jī)電一體化匹配設(shè)計(jì)及車身技術(shù) 電動(dòng)汽車由于車身質(zhì)量、空間和能源的矛盾，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用輕質(zhì)材料以減輕汽車自身質(zhì)量；充分利用空間的情況下，盡可能增大車廂內(nèi)部成員空間的同時(shí)，最大限度地降低空氣阻力系數(shù)和滾動(dòng)阻力系數(shù)，以求減小行駛阻力，利用機(jī)電一體化匹配設(shè)計(jì)，在具體工況條件下，求得電動(dòng)汽車整車參數(shù)達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。 2、電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)2.1、驅(qū)動(dòng)電機(jī) 電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。要使電動(dòng)汽車有良好的使用性

2、能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍及較高的轉(zhuǎn)速，足夠大的啟動(dòng)扭矩，體積小、質(zhì)量輕、效率高且有能量回饋的性能。目前電動(dòng)汽車所采用的電動(dòng)機(jī)中，直流電動(dòng)機(jī)基本上已被交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)或開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)所取代。電動(dòng)汽車所用的電動(dòng)機(jī)正在向大功率、高轉(zhuǎn)速、高效率和小型化方向發(fā)展。2.2、電機(jī)控制技術(shù) 隨著電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化。變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專家系統(tǒng)、遺傳算法等非線性智能控制技術(shù)，都將各自或結(jié)合應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)。它們的應(yīng)用將使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)，參數(shù)變化具有魯棒性，可大大提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能。 3、動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)

3、3.1、動(dòng)力電池 常用的動(dòng)力電池為鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。動(dòng)力電池新品種不斷出現(xiàn)，性能不斷提高技術(shù)不斷進(jìn)步，但動(dòng)力電池仍然是動(dòng)力汽車的瓶頸，具有能量密度低，快速充電能力差、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。 3.2、電池管理系統(tǒng)： 電動(dòng)汽車上對電池實(shí)施管理的具體設(shè)備就是電池管理系統(tǒng)（battery management system,BMS）,使電池工作在合理的電壓、電流、溫度范圍內(nèi)。BMS是電池組熱管理和SOC估計(jì)等技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)。BMS對于電池組的安全、優(yōu)化使用和整車能量管理策略的執(zhí)行都是必要的。 二、電池管理系統(tǒng) 1、電池模型 電動(dòng)汽車電池性能模型又可分為簡化的電化學(xué)模型、等效電路模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模

4、型、部分放電模型和特定因素模型 1.1 簡化的電化學(xué)模型 Peukert(普克特 )方程 （1） 式（1）中，I為放電電流；n為電池常數(shù)；為電流的放電時(shí)間常數(shù)inTIiT Shepherd模型 （2） 式2中，為電池端電壓；為電池完全充滿時(shí)的開路電壓；為歐姆內(nèi)阻；為極化內(nèi)阻；I為瞬時(shí)電流；為由安時(shí)積分法算得的電池凈放電量。)1/(1 (0fKIREEiittE0EiRfiK 1.2 等效電路模型 等效電路模型基于電池工作原理用電路網(wǎng)絡(luò)來描述電池的工作特性，適用于多種電池。根據(jù)電路元件的特點(diǎn)，可分為線性等效電路模型和非線性等效電路模型。 1.2.1 基本電路模型 基本電路模型是其他復(fù)雜等效電路模

5、型的基礎(chǔ)。Thevenin模型如圖1所示，是最有代表性的電路模型。電容C與電阻R2并聯(lián)（描述超電勢）后與電壓源Voc（描述開路電壓）、電阻R1（電池內(nèi)阻）串聯(lián)。由于隨著電池工作條件和內(nèi)部狀態(tài)的變化，Thevenin電池模型參數(shù)無法隨之變化，因此準(zhǔn)確性較差。圖1 Thevenin電池性能模型 1.2.2 線性電路模型 線性電路模型如圖2所示，此模型是對Thevenin電池模型的改進(jìn)。開路電壓Voc為電壓源Eo和電容Cb兩端的電壓，與之串聯(lián)的是一個(gè)由3個(gè)電容C1、C2、C3和3個(gè)電阻R1、R2、R3組成的電路網(wǎng)絡(luò)（描述超電勢），與所有這些元件并聯(lián)的是自放電電阻Rp。線性電路模型的參數(shù)不受溫度等因素

6、影響。圖2 線性等效電路模型 1.2.3 非線性電路模型 線性電路模型經(jīng)過非線性化得到,圖3所示的非線性模型。模型中電池容量用電容Cb表示；電阻Rp與Cb并聯(lián)，表示電池自放電；開路電壓Voc為Cb和Rp兩端的電壓；超電動(dòng)勢由電容、電阻并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模擬，該網(wǎng)絡(luò)與Cb和Rp串聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)中的電阻R1由兩個(gè)反向理想二極管并聯(lián)來模擬，表示在放電和充電時(shí)過壓阻抗的差異； R1表示內(nèi)阻，RS與R1-C1并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、RP -Cb并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)。電池內(nèi)阻是R1與RS的和,RS表示電解液、極板和流動(dòng)內(nèi)阻, R1表示電解液擴(kuò)散的內(nèi)阻；和R1一樣，RS由兩個(gè)理想二極管反向并聯(lián)，用以描述充電和放電狀態(tài)的差異。模型中Cb、RS、R

7、P和R1都是電壓的函數(shù)，RP隨溫度的變化而變化，只有C1為常數(shù)。圖3 非線性等效電路模型 1.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 電池是一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)，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，對于外部激勵(lì)能給出相對應(yīng)的輸出響應(yīng)，適合進(jìn)行電池建模。如圖所示，采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)電池SOC，此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用BP算法來訓(xùn)練，中間層神經(jīng)元響應(yīng)函數(shù)為 。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入變量的選擇和數(shù)量影響模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大，所有的電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)都可用來訓(xùn)練模型并優(yōu)化模型性能。xSeL11圖4 用于估計(jì)電池SOC的典型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1.4、溫度模型 電池在其最佳工作溫度范圍

8、外工作時(shí)容量會(huì)發(fā)生衰減，(3)式是描述溫度對電池容量影響的最常用模型。 (3) 式3中，C為電池在溫度T時(shí)的容量；C25為電池在25時(shí)的容量; 為溫度系數(shù)Ah/，不同種類或型號(hào)電池的溫度系數(shù)不同， 需要通過試驗(yàn)得到；T為電池工作溫度。還有以其它影響因素為研究對象的電池模型，如循環(huán)壽命、容量衰減。由于電池性能影響因素多，且具有高度非線性，至今還沒有建立起涵蓋了所有影響因素的高精度通用電池性能模型。)25(1 (25TCC 2、電池管理系統(tǒng) 圖5所示，BMS的主要工作原理可簡單歸納為:數(shù)據(jù)采集電路首先采集電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù),再由電子控制單元(ECU)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,然后根據(jù)分析結(jié)果對系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)

9、功能模塊發(fā)出控制指令,并向外界傳遞信息。增設(shè)熱管理系統(tǒng)、安全裝置、充電系統(tǒng)以及與PC機(jī)的通信聯(lián)系。另外還增加與電動(dòng)機(jī)控制器的通信聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)能量制動(dòng)反饋和最大功率控制。 圖5：BMS結(jié)構(gòu)示意圖 BMS通常包含以下功能組成部分: 數(shù)據(jù)采集、剩余容量(SOC)的估算、電氣控制(充放電控制、均衡充電等) 、熱管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信。 2.1 數(shù)據(jù)采集 在BMS中,采集到的數(shù)據(jù)是對電池作出合理有效管理和控制的基礎(chǔ)。因此電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)的采樣精度、采樣頻率和數(shù)據(jù)過濾就非常重要。 2.2 SOC的估算 SOC的確定是BMS中的重點(diǎn)和難點(diǎn),由于電動(dòng)汽車電池在使用過程中表現(xiàn)的高度非線性,使準(zhǔn)確估計(jì)SOC具

10、有很大難度。傳統(tǒng)的SOC基本估算方法有開路電壓法、內(nèi)阻法和安時(shí)法等。近年來又相繼研發(fā)出許多對電池SOC的新型算法,例如模糊邏輯算法模型、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷模型、卡爾曼濾波估計(jì)模型算法以及新出現(xiàn)的線性模型法和阻抗光譜法等。 2.2.1 安時(shí)法 安時(shí)法是目前最常用的傳統(tǒng)方法,且常與其它方法組合使用,如安時(shí)內(nèi)阻法、安時(shí)-Peukert方程法、安時(shí)開路電壓法等。SOC狀態(tài)可由公式（4）計(jì)數(shù)。 （4） 式中， 為起始狀態(tài)； 為額定容量；I為電池電流； 為充放電效率。tNIdCSOCSOC0010SOCNC 為了更準(zhǔn)確估算SOC,在算法中還需要考慮對電池的溫度補(bǔ)償、自放電和老化等多方面因素。例如,對電池S

11、OC 的估算中考慮電池的實(shí)際可用容量(包含了對溫度的考慮) 、自放電率和電池老化對容量的影響,提出了SOC計(jì)算公式為： SOC (% ) = 100% (額定容量+容量補(bǔ)償因數(shù)+自放電效應(yīng)+老化效應(yīng)- 放電量+充電量) /額定容量 (5) 其SOC估算精確度在3%內(nèi)。 2.2.2 動(dòng)力電池SOC的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì) 電動(dòng)汽車的運(yùn)行情況是十分復(fù)雜的，電池的SOC受到環(huán)境溫度、初始電壓、電池內(nèi)阻、工作時(shí)間等很多因素的影響。理想的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型當(dāng)然是輸入量越多越全面，輸出結(jié)果的映射就越好，也就越接近實(shí)際的工況。下面建立兩個(gè)輸入量的電池神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。以放電電壓V 和放電時(shí)間T，作為一組輸入變量，采用三層BP神

12、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即輸入層、輸出層和一個(gè)隱層。在VT 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中采用了50個(gè)神經(jīng)元，輸出層采用的是線性輸出，因?yàn)檫@種輸出可以得到比較準(zhǔn)確的映射結(jié)果。圖6：動(dòng)力電池SOC估計(jì)兩輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 ）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立后，首先用C/3 放電的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過多次的訓(xùn)練可以得到比較好的仿真結(jié)果。圖7是C/3 放電時(shí)的容量仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線的對比情況，吻合得非常好，可見該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型上是正確的。圖7：C/3 放電實(shí)驗(yàn)曲線和仿真曲線的對比 ）利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型最終希望得到的是能夠估計(jì)任意放電電流的情況下電池組的剩余容量情況。所以對V-T 模型用1C 和2C 放電的試驗(yàn)數(shù)據(jù)大量訓(xùn)練，模型訓(xùn)練結(jié)束以后，

13、用它來估計(jì)電池組其他放電電流時(shí)的放電容量。本文是在知道電池組1C 放電容量和2C 放電容量的情況下，利用該模型估計(jì)1.5C 的放電容量，估計(jì)結(jié)果如圖8，從圖8中可以看出，估計(jì)曲線與實(shí)驗(yàn)曲線基本吻合，最大值百分誤差小于8，可以滿足使用要求。 該模型估計(jì)出1.5C的放電容量，就可以估計(jì)出任意放電電流時(shí)的電池組的放電容量?？梢娫撃Ｐ驮诶碚撋鲜钦_的，可以用作電池組的SOC 估計(jì)。圖8：利用V-T神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計(jì)1.5C放電容量 2.3 電氣控制 電氣控制需要實(shí)現(xiàn)的功能有:控制充電過程,包括均衡充電，根據(jù)SOC、電池健康狀態(tài)( SOH ) 和溫度來限定放電電流。電氣控制中需要結(jié)合所使用的電池技術(shù)和電池

14、類型來設(shè)定一個(gè)控制充電和放電的算法邏輯,以此作為充放電控制的標(biāo)準(zhǔn)。 2.4 安全管理和控制 BMS在安全方面主要側(cè)重于對電池的保護(hù),以及防止高電壓和高電流的泄漏,其所必備的功能有:過電壓和過電流制、過放電控制、防止溫度過高、在發(fā)生碰撞的情況下關(guān)閉電池。安全管理系統(tǒng)最重要的是及時(shí)準(zhǔn)確地掌握電池各項(xiàng)狀態(tài)信息,在異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)或斷開電路,防止意外事故的發(fā)生。 2.5 熱管理 電池在不同的溫度下會(huì)有不同的工作性能。溫度的變化會(huì)使電池的SOC、開路電壓、內(nèi)阻和可用能量發(fā)生變化,甚至?xí)绊懙诫姵氐氖褂脡勖?。溫度的差異也是引起電池均衡問題的原因之一。熱管理系統(tǒng)的主要任務(wù)有:使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異。使用車載空調(diào)器可以實(shí)現(xiàn)對電池溫度的控制,這也是電動(dòng)汽車常用的溫度控制方法。 2.6