混合动力车用蓄电池管理系统若干关键技术研究

２０１０年第２期　车辆与动力技术　Ｖｅｈｉｃｌｅ＆Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　总第１１８期　文章编号：１００９—４６８７（２０１０）０２—００１９—０５　混合动力车用蓄电池管理系统若干关键技术研究　尉庆国　，　苏铁熊　，　宁功韬　（１．中北大学车辆与动力工程系，太原０３００５１；　２．中国兵器科学研究院，１０００８９）　摘要：阐述了一种混合动力车用蓄电池管理系统的设计过程，重点讨论了高压电管理、高精度参数采样及蓄电　池状态估计算法的实现．通过混合动力总成台架试验对系统的实用性和准确性进行了验证．结果表明，系统高　压安全达到国家混合动力汽车安全标准，参数采样精度高，电池状态估计精度符合混合动力系统对电池管理的　要求．　关键词：混合动力汽车；电池管理；高压管理；荷电状态　中图分类号：ＴＭ９１２；ＴＭ８１　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａ　ＨＥＶ　ＷＥＩ　Ｑｉｎｇ—ｇｕｏ　，　ｓｕ　Ｔｉｅ．ｘｉｏｎｇ　，　ＮＩＮＧ　ｇｏｎｇ—ｔａｏ　（１．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ，０３００５　１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｄｅｆｅｎｃｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｖｅｒａｌ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ（ＢＭＳ）ｆｏｒ　ａ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　（ＨＥＶ）ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）．Ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＢＭＳ　ａｒｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ａ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｂｅｎｃｈ　ｔｅｓｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｆｏｒｍｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｎｄ　ＳＯＣ　ｅｓｔｉ—　ｍａｔｉｏｎ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ａ　ＨＥＶ　Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ（ＨＥＶ）；Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ（ＢＭＳ）；Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｍａｎ—　ａｇｅｍｅｎｔ；Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）　动力电池及其管理技术已成为制约电动汽车及　混合动力汽车发展的瓶颈之一，实时高效的电池管　ＢＭＳ设计过程中所涉及到的几项关键技术和难点：　高压电管理，高精度参数采样和电池ＳＯＣ估计算　法的实现．　理系统可以有效监控蓄电池当前状态，优化蓄电池　充、放电性能，提高蓄电池整体性能和寿命．　针对混合动力系统选用４Ｏ　Ａｈ、标称电压为　３１２　Ｖ的蓄电池组，设计了一种符合混合动力运行　工况特点的电池管理系统（ＢＭＳ），重点讨论了　１　ＢＭＳ系统结构　蓄电池管理系统负责对整个蓄电池组进行管　收稿日期：２００９—１１—０６　作者简介：尉庆国（１９６９一），男，副教授；苏铁熊（１９６３一），男，教授，博士生导师　车辆与动力技术　理，包括运行状态监测、高压输出控制、热管理、　通信管理、数据显示以及故障诊断等模块，如图１　所示．　图ｌ　ＢＭＳ系统结构图　ＢＭＳ通过实时监测蓄电池组电压、电流、温　度等情况，计算出蓄电池组当前可用电量、循环次　数、可用最大充放电功率等参数，给整车控制单　元、整车能量分配提供依据．　高压输出控制模块管理蓄电池高压的输出通断　控制；热管理单元控制蓄电池组工作在合适的温度　范围之内；通信管理单元负责和整车ＣＡＮ网络上　其他节点进行通信；数据显示单元可用作检测和维　护时观察蓄电池组各项参数；故障诊断模块实时输　出蓄电池组当前的状态信息．　２高压输出控制模块（ＨＶＭＳ）　如图２所示，高压输出控制模块通过继电器总　成实现蓄电池高压电的输出控制．　高压输出控制模块的功能是保证整车系统动力　电能的传输，并随时检测整个高压系统的绝缘故　障、断路故障、接地故障和高压故障等，根据电动　汽车和人体安全标准要求，保证高压系统工作在安　全范围内．　继电器总　图２高压输出控制模块结构图　２．１预充电控制　对电机系统实施预充电的目的是为了在安全接　通高压系统前，降低蓄电池高压对逆变器前端滤波　电容造成的冲击，同时还可有效延长高压继电器和　电容的使用寿命．通过正确感知输出线路是否存在　负载过大、可能的短路故障等情况，在预充电的过　程中实时检测高压回路中电压与时间的变化关系，　并据此来判断输出线路的状态，以确定下一步的控　制操作：完全接通还是禁止接通，控制过程如下：　当点火开关闭合的时候，首先闭合负端继电器，随　后闭合预充电继电器开始预充电过程，检测逆变器　电容两端的电压变化情况，如果它们之间的电压在　一定时间内达到一定的阈值，则闭合正端继电器，　断开预充继电器，完成预充电过程，否则断开所有　继电器，以确保系统高压安全．　２．２高压电安全管理　电动汽车在行驶过程中高压电路与电底盘等低　压电路之间的当量绝缘电阻是一个动态变化的物理　参量，其大小与高压电路回路中高压用电器的多少　及用电的状态有关　ｊ．为此对高压电绝缘状态的　在线动态检测是安全诊断的关键，它综合了蓄电池　主供电回路、高压电回路、电机驱动系统等高压用　电器与汽车车身之间的绝缘状况　，其测量原理　如图３所示．　通过附加已知电阻　、尺　使电压信号分压衰　减来动态测量蓄电池负、正输出端相对于车身的当　量绝缘电阻Ｒ　的大小，其中　和　为　和　闭合前蓄电池负、正端对地的电压，　和　分　别表示　和　闭合后Ｒ　和尺　两端的电压，则有　ｒ　Ｉ，，　一　．、　．　Ｒ　】＝　÷　×Ｒ４　ｘ（１＋　），（１）　第２期　尉庆国等：混合动力车用蓄电池管理系统若干关键技术研究　＼＿Ｏ　＼＿④＿＿／　・２１・　Ｒ　：　×Ｒ　×（１＋　）．（２）　２　１　求得蓄电池正负端绝缘电阻　和负端绝缘电阻月　后，取其较小者除以当前的蓄电池总电压　，按　照５００　Ｖ、和１００　ｎ／Ｖ诊断高压回路的绝缘故　障级别．一旦发生了绝缘故障，此时立即断开高压　继电器，继电器断开时间小于２０　ｍｓ，高压系统断　开１　Ｓ后即达到人体安全标准．　］④　、图３绝缘电阻测量原理图　３蓄电池状态监测　３．１电压信号采集　电池组的电压信号采集通过浮地电压测量方　式，循环采样各模块的正、负端．由于各模块串　联，此时采集到的电压信号正负交替变换，由于负　电压信号不便于ＢＭＳ硬件电路后续处理，因此设计　由地址译码器控制的高速光藕阵列，通过控制光藕　开关交替开闭，将负电压信号转换为正信号送入隔　离放大器，滤波处理后送人１２位Ａ／Ｄ处理单元．　３．２电流信号采样　电流信号的采集由高精度电流传感器完成，由　于电流信号经电流传感器转换后的输出信号为正负　电压信号，而我们选用的Ａ／Ｄ处理单元只接受单　向正电压输入，因此，我们在后端采用了一个加法　器，将一２．５～２．５　Ｖ的双向输入电压信号转换成　以２．５　Ｖ为中心的正电压．随后再通过一个反相比　例放大器，将功率放大后送人１２位Ａ／Ｄ处理芯片　进行处理．　３．３温度信号采样　温度信号采用热敏电阻对电池箱温度进行采　样，其反应时间为１～２　Ｓ，　＝１．１～１．６　ｍｗ／℃，　测量温度范围为一５０～＋３００℃，能够满足电池运　行要求．　４　电池ＳＯＣ估计算法实现　电池的荷电状态（ｓｏｃ）反映了电池当前的剩余　电量，是混合动力整车控制策略的重要依据之一．　目前国内外主要采用的计算方法有放电测试　法、开路电压法、安时累计法、内阻法、神经网络　．厂＿Ｏ＿．、　及卡尔曼滤波等方法　Ｊ．综合考虑ＳＯＣ计算精度　和便于在混合动力汽车上实现，本系统采用修正的　安时累计法，基本原理如下　５…　…％，㈩　式中：Ｃ。为蓄电池初始电量；Ｃ　是电池容量；叼　为充放电效率系数；　为当前电流，放电时为正，　充电时为负．　由于安时累计法计算电量是对电流进行时间积　分所得，其计算误差会随着开机时间的延长而逐步　增大　，考虑到混合动力汽车对ＳＯＣ精度的要求，　每次开机前ＢＭＳ会自动调用标定程序对电池初始　容量进行标定以减小时间累计造成的ＳＯＣ计算误　差．同时，电池容量会受到自放电、充放电效率、　电池寿命等因素影响而变化．因此计算ＳＯＣ时须　对这些影响因素进行修正．　自放电修正：由于镍氢电池自身电化学物质活　性及电池内阻的存在，电池会发生自放电的现象，　导致容量发生变化，其主要影响因素是温度和　ＳＯＣ　』，可以通过调用相应的自放电计算函数，查　表来修正容量．　Ｓ　＝ｋ。×ｅｘｐ（一　）×ＳＯＣ，　（４）　式中：５。表示镍氢电池的自放电率；系数ｋ。＝　１．０６８　３×１０　；Ｅ　／Ｒ　＝６　７８９　Ｋ；Ｔ表示温度．　则自放电修正系数　Ｃ　＝ＳＤ×ｔ／３　６００．　（５）　充放电效率修正：根据试验结果，不同的充放　电倍率下电池所能放出或充进的容量是不一致的．　因此，我们采用电池充放电的热模型　计算电池　的充放电效率　．　在充放电过程中，电流流入电池中并不是全部　转化成了电能，而是有一部分转化成了热能，将转　・２２・　车辆与动力技术　２０１０年　化成热能的这一部分转换成当量的电能　ｄＡｈ＝　，　（６）　ＳＯＣ计算公式如下　…　…％　式中：Ｑ　是所有热源产生的热量之和，　为电池　的端电压，ｄ　为时间步长．　镍氢电池充放电时化学反应放出的热量可以由　下式表示　Ｑ　＝Ｑ　＋ｑ２＋ｑ３＋ｑ　，　（７）　（１１）　５试验结果分析　５．１高压系统预充电实验　对于高压输出控制模块，我们在测试台上验证　其设计的合理性．测试条件为：电池电压４００　Ｖ，　预充电电阻２００　ｎ，等效电容１２　０００　Ｆ，整个预　充电过程持续了７　Ｓ，结果如图４所示．　３．０　，　式中：Ｑ　为电化学反应热，Ｑ　为电化学极化热，　ｑ　为电池内阻焦耳热，ｑ　为电池过充电氧复合　热．　计算１个步长中电池电量名义变化量如下　，２　（，＋　×ｒ）ｄｔ　＝—　（８）　２．５　２　０　壶　单垡｛３５０　２５０　式中：，表示电流，充电时为负值，放电时为正　值，ｒ表示电池的内阻．　因此，电池的充放电效率可以定义为　充电时　叼＝　７７　——　－・．　（９）　≤１．５　１．０　０．５　０　压正端接　１５０乏　线圈申０　５０　一５０　ｌ５０　２５０　一放电时　叼＝　叼　———　一・．　（１０）ｌｕ，　０　５Ｌ　２４０２　时间／ｓ　图４高压电预充电实验　寿命修正：电池循环使用引起的内部化学降解　也会导致容量损失，电池容量会随着循环次数增加　而开始有所增加，最后趋于减少　．可根据电池　５．２数据采集精度测试　室温下，在充放电机上对电池组进行变电流充　放电试验，电池组初始ＳＯＣ为３８％，电压为３５３　Ｖ，结果见表１．　生产厂家提供的容量一寿命脉谱进行修正，寿命修　正系数记为ｃ　．　表１　ＢＭＳ电流、电压采样精度测试　比较充放电机记录电流数据和ＢＭＳ采集电流　数据可知，ＢＭＳ采集电流值和实测值最大误差为　０．８　Ａ，精度为０．４％．ＢＭＳ采集压值和实测值最　可以满足混合动力系统对电池ＳＯＣ预测精度的要　求．　表２实测ＳＯＣ预测精度　大误差为２　Ｖ，精度为０．６％．　５．３　ＳＯＣ预测精度试验　室温环境下，在Ａｒｂｉｎ．ＥＶＴＳ测试仪上对电池　组进行ＳＯＣ＂预测精度验证性试验，结果如表２．由　表２可知，ＢＭＳ的ＳＯＣ估计最大误差为６．７１％，　第２期　尉庆国等：混合动力车用蓄电池管理系统若于关键技术研究　５．４不同能量分配时ＳＯＣ变化曲线　合动力车用级别；　４）算法策略能够较好地模拟电池实际运行状　况，可为整车能量分配提供依据．　图５是混合动力总成控制系统采用不同的能量　分配策略，即对蓄电池组的功率需求占系统总功率　需求的２０％、３０％、４０％和６０％时，蓄电池组的　但本系统未考虑镍氢电池单体和模块之问的不　均衡问题，未对电池热管理策略进行深入讨论，ＳＯＣ　预测模型还有待于更深入的研究以进一步提高预测　精度．　参考文献：　ＳＯＣ会对应产生不同程度的下降．由此结合发动机　的功耗可以计算出系统总效率并得出最佳能量分配　策略，有利于提高系统总效率和经济性．　［１］ＧＢＴ　１９７５１—２００５，混合动力电动汽车安全要求［ｓ］．　［２］　朱建新，郑荣良，卓　斌，等．电动汽车高压电安全诊　断与控制策略的研究［Ｊ］．汽车工程，２００７（４）：３０８—　３１２．　［３］林成涛，王军平，陈全世．电动汽车ＳＯＣ估计原理及应　用［Ｊ］．电池，２００４（５）：３７６—３７８．　［４］Ｗａｎｇ　Ｊｕｎｐｉｎｇ，Ｃａｏ　Ｂｉｎｇｇａｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｑｕａｎｓｈｉ，ｅｔ　ａ１．　图５不同能量分配时ｓｏｃ变化曲线　Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｅｓｔｉｍａｔｏｒ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｐａｃｋ，Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｐｒａｃｔｉｃｅ，２００７，１　２：　１５６９—１５７６．　６　结　论　蓄电池管理系统应用于混合动力汽车研制当　中，通过台架试验，取得了良好的效果．　［５］　Ｍａｒｋ　Ｖｅｒｂｒｕｇｇｅ，Ｅｄｗａｒｄ　Ｔａｔｅ．Ａｄａｐｔｉｖｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｎｉｃｋｅｌ　ｍｅｔａｌ　ｈｙｄｒｉｄｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｈｙｓ—　ｔｅｒｅｓｉｓ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００４，　１２６（１—２）：２３６—２４９．　１）高压安全管理达到国家混合动力汽车安全　标准；　［６］　Ｎｏｂｏｒｕ　Ｓａｔｏ，Ｋａｚｕｈｉｋｏ　Ｙａｇｉ．Ｔｈｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｎｉｃｋｅｌ　ｍｅｔａｌ　ｈｙｄｒｉｄｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ　ｆ　Ｊ］　ＪＳＡＥ　Ｒｅｖｉｅｗ　２０００，２１：２０５—２１　１．　２）系统各项参数采样实时性、准确度高，误差　可控制在ｌ％以内；　３）ＳＯＣ计算精度较高，误差小于７％，达到混　［７］　Ｒｕｄｉ　Ｋａｉｓｅｒ，Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｌｉｆｅｔｉｍｅ　ｉｎ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，２００７，１６８：５８—６５．　关于“２０１０中国汽车工程学会越野车技术分会学术年会＂　相关事宜变更的通知　各有关单位：　原定于５月份举办的“２０１０年中国汽车工程学会越野车技术分会学术年会”将推迟至今年１０月下旬。　越野车技术分会联合军事交通学院在天津举办“中国汽车工程学会越野车技术分会２０１０学术年会暨军事轮　式车辆装备发展论坛”。本次活动将采取主题发言、分论坛交流、军用车辆装备展示和实地参观考察等形式　进行。征文范围和对象有所扩大。征文截止日期延至２０１０年７月１０日。望各会员单位继续组织广大科技　人员积极参与。　年会将出版《论文集》（具有ＩＳＢＮ书号），汇编会议论文集（只汇编印刷不具出版号），优秀论文将向《车　辆与动力技术》、《汽车工程》、《北京理工大学学报》等杂志推荐。请作者投稿时注明自己的意愿。征文的具　体要求和会议的相关事宜详见“越野车技术分会”网站。网址：ｈｔｔｐ：／／ｓｕｖｔｃ．ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ