電池管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

電池管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)

1電池管理系統(tǒng)bms系統(tǒng)特點(diǎn)氫硅池是集能源、材料、化學(xué)和環(huán)保于一體的綠色環(huán)保電池。具有高能量密度、高壓、高倍率放電、高速充電、無明顯記住效果等特點(diǎn)。這是混合動力車的重要能量。由于電化學(xué)反應(yīng)的特殊性,動力電池的各項(xiàng)參數(shù)都受到一定的范圍限制。因此,掌握電池的特性和合理地管理電池至關(guān)重要,它對電動汽車中的動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配、提高整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和延長電池壽命等具有重要意義。電池管理系統(tǒng)(BMS)主要保障電池在合理的條件范圍內(nèi)工作;檢測電池組的電壓、電流、溫度和繼電器狀態(tài);進(jìn)行荷電狀態(tài)(SOC)和電池健康狀態(tài)(SOH)的預(yù)測,完成溫度管理、均衡控制、充放電控制、故障診斷、CAN通信和液晶顯示等功能。2scu和bcu管理系統(tǒng)BMS主要由單體控制單元(CCU)、溫度控制單元(TCU)、安全控制單元(SCU)、電池控制單元(BCU)組成,每個(gè)單元都包括不同的功能。CCU主要負(fù)責(zé)單體電池參數(shù)測量和單體均衡判斷;TCU管理單體溫度保護(hù)和電池組溫度控制;SCU負(fù)責(zé)預(yù)充電控制、地故障檢測、絕緣故障檢測及高壓環(huán)路故障檢測;BCU管理SOC預(yù)測、電池工作狀態(tài)控制、充放電控制、SOH估計(jì)、BMS歷史數(shù)據(jù)記錄、CAN通信系統(tǒng)及液晶顯示。其中,單體電池參數(shù)測量主要實(shí)現(xiàn)電池的電壓、電流、溫度、繼電器狀態(tài)等參數(shù)的檢測,完成繼電器的控制操作;預(yù)充電控制提供了一種安全接通高壓系統(tǒng)的方法。在檢測高壓系統(tǒng)無短路和異常情況發(fā)生的條件下,再完全接通高壓系統(tǒng);SOH主要對電池衰減后的容量進(jìn)行預(yù)測,目前主要采用電阻折算法和等效循環(huán)次數(shù)折算法。3電池管理系統(tǒng)的構(gòu)建3.1不同放電倍率下充放電效率測試電池管理系統(tǒng)的構(gòu)建建立在對電池特性研究的基礎(chǔ)之上,所有的控制算法和策略均以電池特性為依據(jù),以8A·h的鎳氫電池為例,用在混合動力車上,SOC的工作范圍為40%~70%,最佳溫度范圍為20~40℃;單體工作電壓在1~1.5V;常溫20℃下,其最大允許的充電倍率為15C,最大允許的放電倍率為25C,根據(jù)溫度的不同,允許的充放電倍率也不同;充放電效率η是電流、溫度、SOC的函數(shù),η=f(I,T,SOC),在溫度小于10℃,放電倍率較大時(shí),能放出的電量比較小;表1和表2是SOC為0.8時(shí),不同溫度不同倍率下的充放電效率。電化學(xué)反應(yīng)的不可控性導(dǎo)致了自放電的發(fā)生,尤其在電池?cái)R置的非工作狀態(tài)下,溫度越高,自放電程度越大。如圖1a所示。隨著電池的使用,電池會發(fā)生老化,容量有衰減。當(dāng)SOH值降低到80%左右,就要更換電池。容量衰減與單次放電深度DOD有關(guān),見圖1b。3.2循環(huán)次數(shù)折算法SOH是電池使用一段時(shí)間后其實(shí)際容量與標(biāo)稱容量的比值,用來判斷電池老化后的實(shí)際狀態(tài)。目前,關(guān)于SOH的預(yù)測,國內(nèi)外主要采用電阻折算法和等效循環(huán)次數(shù)折算法。采用電阻折算法,首先要知道電阻值與衰減后容量的關(guān)系曲線,需要對電池進(jìn)行測試。通過檢測電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù),根據(jù)合適的電池模型間接算得電阻值,然后根據(jù)關(guān)系曲線查表計(jì)算求得SOC。采用循環(huán)次數(shù)折算法設(shè)計(jì)一個(gè)工況時(shí),需將實(shí)際電池的運(yùn)行狀況等效成設(shè)定的循環(huán)工況次數(shù);或采用合適的控制策略,等效成循環(huán)次數(shù),比如單次放電荷電狀態(tài)的變化超過10%,則認(rèn)為循環(huán)次數(shù)加1;然后根據(jù)曲線查表求得衰減后的容量,從而求得電池的SOH。3.3電池soc估算方法SOC預(yù)測對于電動汽車的作用就象油量計(jì)對于內(nèi)燃機(jī)汽車的作用,但SOC預(yù)測有其特殊性。“油箱”的容量是伸縮式的。對于不同溫度、不同放電倍率和不同SOC點(diǎn),充放電效率也不同;電池放電倍率越大,放出電量越少;電池工作的溫度過高或過低,可用容量都會降低;由于有老化和自放電因素的存在,需要不斷地修正荷電狀態(tài)值SOC;所以電池SOC的估計(jì)遠(yuǎn)比油量計(jì)復(fù)雜。國內(nèi)外傳統(tǒng)的SOC估算方法主要有安時(shí)積分法、電阻測量法和電壓測量法。新興的SOC估算方法主要有KALMAN濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和模糊推理法。目前工程上主要采用安時(shí)積分法和KALMAN濾波法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊推理法以及二者結(jié)合的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理法(AdaptiveNeuralFuzzyInferenceSystems,簡稱ANFIS)尚處于研究階段。3.3.1k與k同時(shí)點(diǎn)soc的關(guān)系(1)安時(shí)積分法公式式中:SOCk為k時(shí)刻的SOC值;SOC0為系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)SOC的初始值;△t為系統(tǒng)采樣時(shí)間;CN為蓄電池額定容量;Ik為k時(shí)刻采樣電流;η1k為k時(shí)刻充電效率;η2k為k時(shí)刻放電效率。(2)SOC的單步預(yù)測當(dāng)k=0時(shí),利用開路電壓值查表確定SOC0,同時(shí)考慮停機(jī)期間自放電的影響,做適當(dāng)修正。20℃時(shí),開路電壓UOC與SOC的關(guān)系曲線如圖2所示。當(dāng)k)1時(shí),采用式(1),(2)進(jìn)行SOCk的估計(jì)預(yù)測,完成單步預(yù)測以后,每隔一定的時(shí)間要進(jìn)行電池的老化補(bǔ)償和長期積累誤差調(diào)整。(3)安時(shí)積分法的缺點(diǎn)(1)電流測量不準(zhǔn)確將增大誤差,長時(shí)間積累誤差會越來越大;(2)必須考慮電流充放電損失;(3)在高溫狀態(tài)和電流波動很大的情況下誤差較大。3.3.2混合動力車電池模型分析(1)KALMAN濾波的特點(diǎn)KALMAN濾波法采用狀態(tài)空間概念描述數(shù)學(xué)公式,其解由遞推計(jì)算得出,具有自適應(yīng)性。能使大誤差初始SOC值迅速向真值收斂,適合于電流變化比較劇烈的混合動力車電池SOC的估計(jì),不僅給出的估計(jì)值,還給出了SOC的估計(jì)誤差。其缺點(diǎn)是矩陣運(yùn)算量比較大,需要采用高運(yùn)算能力的單片機(jī)。由于需將電池這一非線性模型等效為線性模型來處理,故對電池模型辨識參數(shù)的準(zhǔn)確性要求高。(2)基于卡爾曼濾波的SOC估算方法過程首先建立合適的蓄電池等效模型,一般為電路模型;然后利用復(fù)合功率脈沖試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行電路模型參數(shù)辨識,選擇合適的狀態(tài)變量構(gòu)建電路模型的狀態(tài)方程和觀測方程,利用卡爾曼濾波方法對SOC進(jìn)行估計(jì)、濾波,詳細(xì)過程如圖3所示。3.3.3基于anfis的工況數(shù)據(jù)的提取該方法集模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法之所長,能夠用專家經(jīng)驗(yàn)來概括電池的輸出特性,用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性逼近能力來細(xì)化調(diào)整模糊規(guī)則,對SOC進(jìn)行自適應(yīng)預(yù)測。其缺點(diǎn)是典型工況數(shù)據(jù)的提取比較困難,而且模糊規(guī)則數(shù)量會比較大。ANFIS要求模糊推理模型為Takagi-Sugeno型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型一般采用反向誤差傳播的(BackPropagation,簡稱BP)型。用專家經(jīng)驗(yàn)來概括電池的輸出特性,構(gòu)建模糊邏輯模型,包括變量的設(shè)置、模糊區(qū)間的劃分和模糊規(guī)則的初步制定;然后采用ANFIS調(diào)試工具對模糊邏輯模型進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法結(jié)合最小二乘算法以及聚類算法對模糊規(guī)則進(jìn)行調(diào)整;然后進(jìn)行工況數(shù)據(jù)的SOC預(yù)測驗(yàn)證。神經(jīng)模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。3.4動力電池組放電容量工作溫度會影響電池性能,高溫會加速電池的電化學(xué)反應(yīng),損壞極板,易產(chǎn)生過充電現(xiàn)象,嚴(yán)重影響其使用壽命;在低溫環(huán)境下,電池的反應(yīng)電阻大大增加,放電容量顯著降低。動力電池組的溫度管理包括溫度測量、轉(zhuǎn)換、讀取、顯示、以及控制和調(diào)節(jié)等。電池溫度管理功能要求具備電池加熱功能和冷卻功能,在制定控制策略時(shí),要考慮到車輛的使用環(huán)境和溫度條件。電池在使用過程中,當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃和高于+50℃,電池組不允許充放電,-20℃~+10℃和+40℃~+50℃范圍內(nèi)不允許大電流充放電,+10℃~+40℃允許大電流充放電。3.5電池系統(tǒng)故障診斷單體電池的不一致性主要表現(xiàn)在電池容量、電池的溫度特性、電壓、內(nèi)阻及自放電等多個(gè)參數(shù)的差別上,是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。電池均衡狀態(tài)的判斷方法有多種,常用的有按電池電壓判斷、按電池容量判斷、按電池內(nèi)阻判斷等。目前應(yīng)用較多的是電壓均衡判斷法。以混合動力轎車144V電池組為例,電池包由120個(gè)電池單體(12電池模塊)串聯(lián)組成,BMS根據(jù)當(dāng)前溫度下電池模塊的電壓,來判斷電池性能的不一致性,當(dāng)電池模塊電壓不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)時(shí),BMS向混合控制單元(HCU)發(fā)出電池不均衡的狀態(tài)信號,必要時(shí)更換單體電池。BMS要保障電池系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)均在合理的范圍內(nèi),因此,對各項(xiàng)參數(shù)超出合理范圍的情況要進(jìn)行故障診斷,要求HCU給出相應(yīng)的控制措施。電池系統(tǒng)故障分成一般故障和嚴(yán)重故障。當(dāng)一般故障發(fā)生時(shí),BMS不會強(qiáng)制斷開繼電器,僅發(fā)出報(bào)警信息,例如一般過溫故障;當(dāng)嚴(yán)重故障發(fā)