车载镍氢电池管理系统研究现状与发展
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图" 不同环境温度下的电池电压
电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分 ! 其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置 使电池温度处于正常工作温度范围内 & 电池热管理的重点是 ! 通过分析传感器显示的温度和热源 $ 电池 % 场 的关系 ! 确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置 ! 使电池箱具有有效的热平衡与迅速散热功能 ! 通过 温度传感器测量自然温度和箱内电池温度 ! 确定电池箱体的阻尼通风孔开闭大小 ! 以尽可能的降低功耗 &
在研究中 #作者的态度是将该方法与局部优化法相结合进行动态诊断 # 并运用热源和温度场的原理直 接判断受损的电池位置 "
第 !! 卷 第 " 期
赵慧勇等 # 车载镍氢电池管理系统研究现状与发展
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车载电池的热平衡管理 随着对电池的使用 !人们发现周围工作环境温度会对电池的性能产生很大影响 ! 高温或低温对电池的
影响系数 !’为当前及以后一段时间稳定的实际电流 & 其测量方式为首先根据容量积累法测出!"#:!然后根 据开路电压对!"#:进行校正 ! 最后根据!"#:求出 !"#;& 随着模糊技术的广泛应用 ! 研究者利用模糊预测技术测定电池 !"# !取得了较高的测量精度 & 将来 ! 电 池 !"# 计算方法的研究将是精确 ’ 模糊与神经网络的结合 ! 即按照电池系统参数的不同状态进行模糊分 类 ! 在每一类的范围内设计电池 !"# 的数值计算公式 ! 通过模糊运算求出电池的 !"# ! 最后在每一次充放 电结束时通过神经网络方法进行模糊算子和计算公式的优化以提高!"# 计算精度 & 在研究电池荷电状态的测量时 ! 如何确定电池放电终点是一个重要的问题 & 传统的方法如固定电压 法 ’放电曲线斜率法等都存在不足 & 我国的研究者设计出了一种新的电压容量梯度法来判断放电终点 & 通 过研究容量的变化与电压的变化犤关系 ! 可以发现 ! 电池在放电终点的时候电池放出电量的变化 =# 很小 ! 但是电池组的电压变化很大 & 该电压容量梯度法就是根据这种关系 ! 确定放电终点常数>?& 其计算公式为 #
寿命和容量都不利 " %&世纪 ’&年代 !美国研究者使用装备 !&() *+,-./ 0.12 电池的电动汽车 34#" 分别在 环境温度 #5" 和 6%%# 下进行了 78 英里的测试试验 ! 其结构表明 # 在低温下 !0.12 电池即使在 6%%$ 时还能 提供接近其设计容量的能量! 但是总电压下降了
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国外对电池管理系统的研究
能源枯竭 % 环境污染 %已经成为当前社会急需解决的问题 $ 而电动汽车以其独特的节能环保的优势引
起越来越多的国家的重视 $ 在电动汽车的研究和发展上 %车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重要 的位置 $ 他们在车载电池管理上做了大量的实践和理论工作 %取得了丰硕的成果 $ 其中 %美国的福特 "通用 及日本的丰田等为其小批量生产混合动力汽车 " 电动汽车配套的车载电池管理系统已经达到相当高的精 度和水平 $ 在车载电池管理系统的研究上 %国外主要进行了以下工作 $
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车载电池!"# 的测量 通过研读论文发现 !国内的文章都参考了国外文献 " 同时都加以改进 ! 提出了自己的测量方法 " 常见的
方法有!"#定义修正测量方法 ’!"#模糊测量方法以及通过电压容量梯度法判断放电终点 "
!"# 定义修正方 法是根据电 池特点将其 电荷 状 态 设 定 为 标 称 电 荷 状 态 !"#: 和 动 态 电 荷 状 态 !"#;" !"#:特指某一恒定温度下 ! 一标成的恒定电流放电时所放出的标称容量为基准所确定的!"#值 " !"#;是指 随放电电流 ’温度变化而变化的电池荷电状态 ! 它与 !"#:的关系为 #!"#;$!"#:!%<! & (’ %& 其中 !%<为温度
图) 电池自放电与温度 ! 存放时间关系曲线
如图)" 虽然在后来的修正公式中 # 他们考虑了电池的温度影响 #但是由于电池的自放电率和充放电效率的
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车载电池的动态监控 电池运行状态的好坏关系到整个电动车辆的运行与否 # 故电池管理系统的另一个功能是对车载电池
进行动态监控 " 但是由于运行电池的性能不能直接观测 # 其性能还是要通过电池的外在电压 !电流 !温度等 参数判断其运行状态是否正常 " 因此常用的方法是设计电池模糊诊断系统 #通过模糊判断确定电池的运行 状态 #找出工作不正常的单元电池 " 但是由于模糊系统判断过程缓慢 #且需要大量实验数据组成专家系统 " 研究者通过实验发现 #电池正常工作时 #在一定电流下其电压和温度变化平稳 " 也就是说 # 电池工作温 度 !内阻 !内压等都在一定范围内平稳变化 " 当某个电池出现故障时 # 其工作温度 ! 内阻等会产生巨大的变 化 #具体表现为温度快速升高 #内阻 !内压增大 " 研究者运用遗传算法通过交叉 ! 繁殖 !变异等方法对该系统 优化得出电池运行状态图 #找出工作不正常的废电池 " 遗传算法是近几年发展的一种新型全局优化算法 # 其特点是 ’ 群体搜索 !不需要目标函数的导数 ! 遵循概率转移准则 " 遗传算法的基本结构为 ’
’$%9! 总电压波动增加到 5&$%9 ! 如图 " ! 单体模块的最 大充电电压与其最小充电电压相比 ! 产生了 "&$"9 的
增加 $原因是电池活性物质的活性变差 %& 这种由单体 电池的!"#的波动引起的总电压的降低对电池的性能 和寿命都有害 & 同样 ! 当环境温度高于5&$ 时 ! 电池负 极的储氢合金很容易析出氢气 & 在此温度下工作 ! 特 别是进行充电 $ 充电反应是放热反应 % 时 ! 会对电池寿 命和性能产生不可恢复的致命性影响 & 此外 ! 电池系 统的热量 $表现形式为温度 % 也是管理系统在 !"# 估 算 ! 电池运行监测中的重要参数 & 因此电池的热平衡 管理是将来电池管理系统研究的一个重点 &
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电池的电流电压等外界参数找出 !"# 与这些参数的关系 % 以间接的测出电池的!"# 值 $ 目前常用的有开路
收稿日期 ! 0--’.-’ຫໍສະໝຸດ Baidu00 作者简介 ! 赵慧勇 ’,(!-. (% 男 % 河南沈丘人 % 硕士研究生 % 从事汽车电子方向研究 $
摘
要 ! 论述了国内外关于车载电池 !"# 计算方法及电池管理内容 " 方法与策略研究 # 特别是电池热管理研究的
现状与发展 $ 针对每一部分 % 提出了个人的看法与观点 % 并指出应当根据系统论的观点主动的管理电池 $ 关键词 ! 电池管理系统 & !"# & 动态监控 & 热管理 中图类号 ! )’*"&*" 文献标识码 ! + 文章编号 ! ,--!./’!"’0--’(-".---,.-’
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国内对电池管理系统的研究
随着国家将电动汽车作为 !7" 重点攻关项目的确立 ! 我国科研人员对电池管理的研究越来越多 ! 并开
发了多种管理系统 & 总的来说我国关于电池管理的研究是在学习国外已有成果的基础上有所创新 & 国内 研究重点放在电池荷电状态 !"#的确定 ’ 判断电池放电中止的方法和行车充电器的设计 "
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电池放电量与放电电压电流曲线
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这种计算方式在理论上是可行的 # 但是由于电池放电的特殊性 # 不同放电比率状态下$%的值不同 " 在大电流放电时候 # 电池电 压下降到电池工作截止电压以下 # 但显示的 !"# 计算值大于零 " 而在小电流放电时 # 电池的 !"# 计算值减小到为零时电池还能 工作 " 同时 #由于电池的自放电与存放时间和温度有很大关系 # 影响 #其测量结果还是很不理想 " 后来 # 人们发现电池的内阻与荷电状态 !"# 有很大关系 # 他们通过测出的电池电压和电流参数 # 计算 出电池的内阻 # 同开路电压法一样 # 画出电池的内阻 )*& !"# 曲线 " 通过测出的电池电流电压值计算电池 的内阻 # 通过插值查表求出电池的!"#" 由于电池内阻是电池的固有特性 #计算结果比开路电压法精确 "
第 4! 卷 第 " 期
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车载镍氢电池管理系统研究现状与发展
赵慧勇!!"! 罗永革 !! 杨启梁 "! 佘建强!
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湖北汽车工业学院学报
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电压法 ! 容量累计法 !电池内阻法等 " 将来的!"# 预测一定是模糊判别和精确计算的有机结合 # 而这些方法 都可以成为模糊判断或精确计算公式中的有机组成部分 " 开路电压法是最简单的测量方法 # 主要是根据电池组开路 电压 $%的大小判断 !"#的大小 " 由电池工作的特性可知 #电池的 开路电压和电池的剩余容量存在着一定的对应关系 " 即随着电 池容量的增加 # 电池的开路电压 $ 约等于其电动势 % 增加 " 由此 可以根据一定充放电比 率时电池的 开路电压 $%& !"# 曲 线 # 通 过测量电池开路电压的大小通过插值找出电池 !"# 的大小 " 这 种方法简单易行 # 但是由于不同充放电比率时 $%& !"# 曲线不 重合 $如图 #%# 这种测量方式的测量精度十分低 " 容量累积法是根据电量定律得到的 " 设电池满充状态下电 量为 $%# 完全放电后电池电量为零 # 则有 ’!"# & $$%&
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随着电池能源的广泛应用 %对电池运行状态的管理变得越来越重要 $ 所谓电池管理 %就是对电池组 "电 池单元运行状态进行动态监控 % 精确测量电池的剩余容量 !"# ’A2D2$ 34 HBD<;$(% 同时对电池进行充放电保 护 % 并使电池处于最佳工作状态 % 充分发挥电池的功能 $ 电池管理系统就是实现该功能要求的管理系统 $ 由 于电池工作方式的特殊性 % 电池的管理特别是电池剩余电量状态!"#的测定十分困难 $ 本文结合国内外对 电池管理系统研究的现状的分析 %提出关于电池管理系统的一些思路和方法 $
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按照问题的特点随机产生一个拥有+ 个染色体的种群 ( 用适应度函数, $-% 计算种群每一个基因的适应度 ( 按照种群中的各个基因的适应度从中选择两个父代基因 $ 适应度越大 #机会越大 %( 以一定的交叉概率交叉两个父代的基因以产生子代 " 交叉完成之后 # 子代完完全全是父代的复制 ( 以一定的概率对子代基因的的每一个位点 $,-./0 %进行变异 ( 把这个子代放到新的种群中去 ( 对新产生的种群进行更深入的算法运算 ( 判断 # 如果终止条件满足 #则停止 ( 并且把当前母体群中最好的解输出 #否则 #转!% 继续 "
电池热管理系统是电池管理系统的有机组成部分 ! 其功能是通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置 使电池温度处于正常工作温度范围内 & 电池热管理的重点是 ! 通过分析传感器显示的温度和热源 $ 电池 % 场 的关系 ! 确定电池组外壳及电池模块的合理摆放位置 ! 使电池箱具有有效的热平衡与迅速散热功能 ! 通过 温度传感器测量自然温度和箱内电池温度 ! 确定电池箱体的阻尼通风孔开闭大小 ! 以尽可能的降低功耗 &
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