英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
电动车的电池管理系统及SOC开发
K. W. E. Cheng, Senior Member, IEEE, B. P. Divakar, Hongjie Wu, Kai Ding, and Ho Fai Ho
摘要：电池监控对大多数电动车是至关重要的，它关系到汽车的安全运转、甚至是乘客的生命。这个属性正好是电池管理系统中最重要的功能，它可以保证电池的安全运行条件并检查控制电池的状态。在本文中，通过使用它的各种功能模块构建了一个典型的电池管理系统框图。剩余电量（SOC）的评估使用的是开路电压法和电荷累计法相结合的方式，从而消除了单独使用电荷累积法所存在的局限性。将SOC作为一个状态量对电池进行建模可以对SOC进行评估。还可以进一步使用卡尔曼滤波器法对此进行验证。电池的参数是来自实验结果并被整合到电池模型中。并且通过实验验证了仿真结果。
关键词：电池管理系统（BMS），电动车（EVs），剩余电量（SOC）
命名法：Li-ion 锂电池 LiFePO4 磷酸铁锂 BMS 电池管理系统
EV 电动汽车 HEV 混合动力汽车 OCV 开路电压
EMF 电动 SOC 荷电状态 SOH 老化程度
CAN 控制器局域网络 ECU 电子控制单元
一.引言
电池是电动汽车中最常见的电能储存设备。电池连接到负载或电源时的性能取决于电池内部的化学反应。这些化学成分会随着时间和使用量的增加而降解，这也能反映出电池储能容量在逐渐减少。即使在各种负载的条件下，电池的老化过程需要通过合适的方式来控制其充电曲线和放电曲线来得以减少。 一般来说，当电池在在较热环境、频繁充电、深放电循环，尤其是高脉冲电流条件下运行，电池寿命将会缩短。尽管有过一些爆炸或失败的报告，但当电池与拥有安全功能和自动关机功能的功率调节系统一起使用时，它是很安全的。传统的低成本电池充电器具有的电池保护功能很少，因此缺乏灵活性和全面的保护。因此，一种能够灵活地为各种不同电池提供安全保护功能的电源管理系统(BMS) 一直是电动汽车近期发展和研究的主题和也是重要的替代能源系统。
SOC是确保安全充电和放电所需的重要参数之一。SOC被定义为当前电池的容量与额定的电池容量之比。SOC能够提供当前的电池状态，并且保证电池在适合其寿命增强的条件下进行安全地充电和放电。因此，SOC有助于电池的管理。但是，SOC的测量并不是直接得到的，因为它涉及到电池电压，电流，温度以及与电池相关的其他信息的测量。
准确的估算SOC值可以避免不合适的过度充电和过度放电从而防止电池损坏或快速老化。传统的SOC值估算方法是使用电荷累积法，但这种方法会产生误差的累积从而导致估算的不准确。除此之外，有限的电池效率和发生在电池充放电过程中的化学反应会导致温度升高，这也会影响SOC的评估。因此，为了得到精确的SOC值，需要准确的算法来对电池建模。在电动汽车中，大量的电池需要通过串并联的方式连接在一起来满足负荷的要求。由于制造过程的原因，并非所有电池在充电过程中都会同时达到满电压。这种情况导致不同电池之间的电压不一致，并因此导致整个电池组的容量降低。所以，具有100％SOC的电池可能不一定能够代表它实际的SOC。因此，要精确计算SOC必须伴随着对电池实际容量的连续监测，并对电池进行多次测量来反映电池的实际容量以适应电动汽车的不同道路条件和驾驶模式。
BMS是一个具有硬件和固件的独立实体。它是连接到一个电池充电器而不是集成在充电器中。BMS由多个用于监测电池参数的传感装置组成，它们用于SOC估算。电池模块是任何电池管理系统（BMS）的重要组成部分，他需要详细了解电池的特性来实现SOC的精确估算。该模型一般来自电池的充电和放电曲线。本文提出了一种基于状态空间技术的先进电池模型。
本文的结构如下，所提出的BMS在第二节中讨论，SOC估算技术在第三节中介绍。第四节中是使用磷酸铁锂电池实验所得到的结果，第五节讨论的是仿真结果，接下来的第六节就是所得出的结论。
二.电池管理系统
所提出的电池管理系统（BMS）框图如图1所示，并且每个框的具体功能描述如下。
图1 BMS功能模块
A.测量模块
测量模块用于测量电池组中单体电池的电压、电流、温度以及环境温度，并将它们转换为数字信号。所有的这些数据将会用于后期对电池状态的评估。图2所示的电池电压测量模块包括一个光电继电器矩阵。在每个采样周期中，只有一个电池电压被连接到中央处理单元的数模（A/D）接口。测量单体电池电压的优势证明了硬件的成本增加，因为它可以在单体电池级别实现电池的平衡和过充电保护。
图2 电压测量模块
B.电池算法模块
电池算法模块（见图3）是电池的条件状态模块。它的主要功能是通过测量的电池变量（如电池电压，电流和温度）来估算SOC值和SOH值。SOC被定义为电池的容量占其额定容量的百分比表示。它就相当于是汽车的“燃油表”，但它表示的是电池中剩余的能量。当电池放电时， SOC的估算对于了解电池的剩余容量非常有用。我们可以通过电池的可用容量来估算电动汽车的行驶距离。SOC的值受温度、运行周期和放电倍率的影响。因此，电池管理系统应该考虑这些影响因素，建立一个合适的电池模型来推断SOC值。
典型模型的输入包括电压，电流和温度，它们由各自的传感器获得。传感器提供模拟输入，使用A-D转换器进行数字转化。微处理器会定期监视输入。
图3 SOC和SOH估算模块
C.容量估算模块
在SOC值和SOH值确定后，BMS必须根据算法在第一时刻推导出最大充电和放电电流。该模块的输出提供给电池车辆电子控制单元（ECU），保证电池不会超过规定的限值进行充电或放电。
容量估算模块（见图4）的功能是向电子控制单元（ECU）发送电池当前充电和放电电流的安全水平信息。这些信息对于电池的安全操作非常重要，能够防止意外违反了电池规格。
图4 需求管理模块
根据输入得出最大放电电流和充电电流的控制定律如图5和图6所示。它们描绘了允许的充电和放电电流之间的关系，以不同电池参数的各种值的最大充电/放电电流表示。图5、图6中的充电/放电系数分别是允许的充电/放电电流大小，分别以最大充电和放电电流表示。（充电系数是最大充电电流的百分比。）
根据图5中的图表，BMS将根据温度，SOC和电池电压的函数来限制充电电流。例如，当温度在30°C-40°C范围内，则充电电流必须降低。类似地，电池可以充电的最大电流是SOC和电池电压的函数。
图5 输入对最大充电电流的影响
图6 输入对最大放电电流的影响
请注意，根据电池规格，建议不要在最低规定温度下，即低于-20°C下放电。实际上，此时的电流倍率会很低。电池制造商的数据表中列出了最大放电率和充电倍率。它用C表示电池的标称容量。
D.电池均衡模块
由于目前制造工艺的限制，所有的电池都不一样。电池容量在几个百分比至15％的范围内的变化是常见的。其他的不同，例如内部电阻和充电/放电特性也是不可避免的。电池平衡对于最大限度地利用电池组的容量和使用寿命能起到至关重要的作用。
该模块比较电池电压并找出最高电压电池和最低电压电池之间的差异（参见图7）。如果差值大于预设的阈值，则停止充电并将最高电压电池通过放电电阻进行放电。当差值减小后就停止放电。这种方法被称为耗散型均衡。另一种均衡技术是主动均衡，它通过使用单独的充电器给每个电池充电或将电荷r从最高电压电池传输到最低电压电池。主动平衡在性能和能源效率方面明显优越，但其成本在对成本比较敏感的汽车行业中就十分高了。
文献[18]中许多复杂的电池均衡电路使用了飞跨电容器，具有多个次级绕组的DC/DC转换器，以及可对电池组中最弱电池充电的单个DC转换器。 实施成本取决于均衡时间，而这取决于辅助电源的额定功率。
图7 电池均衡
E.热管理模块
BMS中的热管理模块的边界图表估算电池温度，如图8所示。温度估算是基于一种非常简单的一维温度估算方法。热管理是指监测和控制电池温度，以便电池不会受到非常高或非常低的温度影响。该功能模块能够控制风扇和电加热器，试图将电池温度保持在最佳范围内。
热管理块能够读取环境温度和电池温度，进行制冷或制热的操作，并在温度异常升高的情况下向电子控制单元（ECU）发送紧急信号。
图8 热管理模块
三.电荷状态评估
本文开发的模型是基于文献[16]中提出的状态空间方法，其中SOC是系统的状态，而OCV是使用多项式方程预测的。然后将预测的OCV值用于计算电池的端电压，并将计算出的端电压与实际的电池电压进行比较。计算的电池电压和实际电池电压之间的误差值用于计算卡尔曼滤波器中的滤波器增益以更新状态SOC。因此，该模型用于SOC的评估。电池模型模拟电动汽车的电池控制策略。在这个模型中，电池的SOC被模拟。模型中参数的是从磷酸铁锂电池的实验数据中提取的。
SOH是按照标称容量的百分比来定义的。老化和充放电循环是降低电池SOH的两个主要因素。在1000次充放电循环后，平均锂离子电池的SOH降至80％。常用的计算公式为
(1)
A.电池模型
图9中所示的电池模型是由一个可控电压源与一个等效代替电源内阻的电阻串联组成，可控电压源由以下表达式实现：
(2)
该模型的主要优点是可以从电池的放电特性中获得所有参数来表示特定的电池类型。可以导出用于阶跃变化的SOC。
（3）
SOC估算模块的输入是电流，输出是SOC估算值。
图9所示的简单通用模型没有考虑温度和放电电流的影响，因此结果对于实际来说并不准确。 它缺乏实际应用中所要求的精度。 下面的部分给出了发展后的模型，它是基于状态空间方程，其中SOC和SOP作为状态变量。
图9 通用电池模型
B.空间状态模型
下面公式给出了典型电池的状态空间表示:
(4)
电池的端电压表示为：
(5)
通过对描绘SOC和OCV之间关系的曲线建模来获得OCV值 :
(6)
以下条件成立。
M（单位V）取决于电池的双层容量
(7)
SOP（伏特）表示电池极化电压，范围为（-M〜 M），初始值为0.我们有
(8)
ε是一个小的正数，在电池模型中，（4）是状态方程。其中Soc（k 1）是离散时间数为（k 1）处的SOC，Soc（k）是离散时间数为（k）出的SOC。
Sop（k 1）是（k 1）处的SOP值，Sop（k）是（k）处的SOP值，i（k）是充电或放电时的电流，是充电或放电库仑效率，Delta;t是 采样周期，是电池额定容量，是双层容量（以安培小时计），M是最大极化电压（以伏特为单位），S（k）是一个符号，充电时它等于 1，放电时等于-1。 在这个等式中，Sop（k）被视为一阶项。
等式（6）表示的是EMF与SOC之间的关系。我们使用了一个五阶的多项式。多项式中使用了b（1），b（2），b（3），b（4），b（5）和b（6）来作为系数。
等式（7）表示的是如何计算极化电压M。这个方程基于Tafel公式。它考虑到了累积效应。本文通过加入Delta;Soc来修正Tafel公式。Delta;Soc是充电或放电期间Soc的增加/减少。当电池从充电转换为放电或从放电转换为充电时，Delta;Soc被重置为0。
C.电池算法
电池算法模块如图3所示。该模块的输入是电池电流，电池电压，环境温度，电池温度以及模块电压。所有的这些输入都是由各自的传感器获得的。电池的总容量是电池在车辆中使用后蓄电池已充电和放电的累计容量。SOC估算使用基于卡尔曼滤波的SOC估计用于锂离子电池。 该流程图如图10所示。
图10卡尔曼滤波方法估算SOC值的流程图
SOC的估算方法包括以下几个步骤：
1.恢复电池的初始SOC值
2. 根据公式（4）电池模型中的状态方程计算电池SOC和SOP。
3. 根据电池模型中的输出方程（5）计算电池电压。
4. 比较实际电池电压和模型电压，并计算电池电压误差：
(9)
5.计算滤波增益为:
(10)
（11）
<p
全文共12897字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p
资料编号：[13991]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
