混合動力汽車電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計

1、混合動力汽車電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設計電池管理系統(tǒng)的多樣性及其與整車控制系統(tǒng)相配合的復雜性，使得該系統(tǒng)尚處于初步研究階段， 也因此而具有非常廣闊的發(fā)展空間。電池管理系統(tǒng)對混合動力汽車的燃油經(jīng)濟性至關重要。本文在原有電 池管理系統(tǒng)的基礎上，分別提出了電流測量和電壓測量的優(yōu)化方法，并通過實際的試驗，驗證了所提出的 優(yōu)化方法在提高測量精度與提升電池組充放電性能方面的優(yōu)勢。摘混合動力；電池；電池管理系統(tǒng)；優(yōu)化策略；概述混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle,簡稱HEV）是指裝備有兩種或兩種以上動力裝 置的汽車，其通常由傳統(tǒng)內(nèi)燃機以及電動機作為動力源。這種新型汽車以發(fā)動機與電動機的 工

2、作特性為理論基礎，其各個動力裝置之間由控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用實現(xiàn)各種工況條件下的能 量的最優(yōu)分配，既克服了純電動汽車電池容量大、續(xù)駛里程少、充電不便等缺點，也大幅減 少了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的燃油消耗、降低了發(fā)動機的設計體積和重量，實現(xiàn)了高度自動化下的 低污染、低能耗的目的。電池作為混合動力汽車的主要動力源之一，既可作為動力裝置為電動機提供電源，也可 以作為儲能裝置，將內(nèi)燃機動力提供的部分能量以及汽車減速滑行或緊急制動時回收的部分 制動能量所轉(zhuǎn)化成的電能存入蓄電池。對電池管理系統(tǒng)采用高度實時和動態(tài)的優(yōu)化控制策 略，可以使動力系統(tǒng)中的各個部件在最佳狀態(tài)和最高效率的區(qū)域內(nèi)工作1，提高能量利用率， 提高汽車的

3、燃油經(jīng)濟性?；旌蟿恿ζ嚨碾姵毓芾硐到y(tǒng)混合動力電動汽車的能量管理系統(tǒng)主要包括電池管理系統(tǒng)、電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和低壓電源管 理系統(tǒng)組成?；旌蟿恿ζ嚨碾姵貞３衷谶m當水平，以便在加速時時為汽車提供能量，并 在制動滑行或緊急制動時回收部分制動能量；與發(fā)動機合理配合，為汽車提供所需能量；保 證電池的安全性，并在使用過程中淺充淺放，延長電池使用壽命。為了滿足上述要求，電池 管理系統(tǒng)應具有以下主要功能：（1）對蓄電池電量的計量功能：實時顯示汽車蓄電池的剩余電量或荷電狀態(tài)（SOC 值），將蓄電池的SOC值保持在30%70%范圍內(nèi)2。（2）對蓄電池狀態(tài)的檢測功能：實時監(jiān)控電池組中各電池的溫度、端電壓以及充放電 電

4、流。蓄電池電量過高或過低時，通過警報以及相應的控制策略，停止或開始對蓄電池的充 電，避免電池出現(xiàn)過充電和過放電現(xiàn)象；保證蓄電池的正常工作溫度，在其溫度過高時進行 報警；在電池工作時間過長或損或的情況下，實時報警并顯示出現(xiàn)狀況電池的信息，以便自 動或手動對電池進行替換。（3）充、放電的控制功能：根據(jù)車速、負載和蓄電池的SOC值，合理分配蓄電池組對 混合動力汽車的能量供給，以提高能量的利用率和電池的使用壽命。在混合動力汽車加速或 爬坡等需要提供大功率時，電池作為供能元件為車輛提供電能，且在電池管理的系統(tǒng)的控制 策略下停止電池對車內(nèi)空調(diào)等大功率電器設備的供能，避免電池的放電電流過大，提高電池 能量的

5、利用率。由于電池組在實際工作時，各電池的性能和狀態(tài)有所差別，因此在對蓄電池 組的充電過程中，需要根據(jù)電池的實時狀態(tài)，通過合理、有效的電池管理策略，對電池組采 取相應的充電方法，以提高充電效率。混合動力汽車電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化方法混合動力汽車的電池管理系統(tǒng)主要有集散式和集中式兩種結構3。其中，集散式結構包 括主控模塊和測控模塊，主控模塊的功能是測量電流、數(shù)據(jù)存儲以及絕緣；測控模塊功能是 對電池的端電壓和溫度等進行測量。集中式結構的主要特征是對溫度、電壓、電流等進行集 中測量，這種結構的采樣點相對集中，因此具有成本較低、線束簡單、便于維護等優(yōu)點。因 此，本文采用集中式結構，從混合動力汽車對電池電壓、

6、電流的測量方面，對電池管理系統(tǒng) 進行優(yōu)化設計。3.1電壓測量的優(yōu)化方法電池的工作電壓對電池的工作性能具有主要影響，因此，對電壓的精確測量在電池管理 系統(tǒng)中非常重要。電壓的測量主要有共模測量法和差模測量法兩種。其中，差模測量法測量 精度較高，且適用于車用串聯(lián)電池較多的情況，因此本文采用差模測量法。具體優(yōu)化方法如 下：（1）對電壓的測量，利用光電繼電器逐層電壓引入的測量結構。這種結構有效避免了 同相輸入端與反相輸入端共地的現(xiàn)象，從而減少了因電阻分壓所產(chǎn)生的誤差積累，提高了電 壓采樣的精確度。（2）利用浮動地技術，在測量蓄電池組中各個電池的電壓時，接地電位可以自動浮動。 在系統(tǒng)工作時，利用模擬開關進

7、行選通，接入待測量的電池端以接收其電位信號。其中，這 種電位信號分別由兩路輸入到差分放大器和窗口比較器中。當進入窗口比較器的信號與固定 電位相同，即利用A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行測量；若進入窗口比較器的信號高于或低于固 定電位，則控制地電位自動浮動，直至地電位調(diào)整至與固定電位相等后，再進入A/D轉(zhuǎn)換 器中進行測量。這種方法的調(diào)整過程較快，具有較短的響應時間，具有較好的精確度。3.2電流測量的優(yōu)化方法電池的剩余電量主要由電池的充放電電流反映，因此，需要嚴格要求電池的充放電電流 的精度、抗干擾能力、零漂、溫漂以及線性誤差。利用分流器或電流傳感器可以對該電流進 行測量。分流器以直流電通過電阻時在電阻兩

8、端產(chǎn)生電壓為理論基礎，多用于均流取樣檢測。 本文利用規(guī)格為250A/75mV的分流器進行電流的測量，同時利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC實 現(xiàn)等精度測量，以提高測量精度、降低溫漂、便于安裝。這種電流測量主要是利用分流器將電流轉(zhuǎn)化電壓信號，且信號范圍控制在075mV，并 通過濾波電路將信號傳遞至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，將電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 最終將該數(shù)字信號傳遞至。電池管理系統(tǒng)利用CAN總線為車輛提供電流，對該電流的采樣 頻率為80ms，可根據(jù)電流的瞬時值測得該電流值；電池的荷電狀態(tài)SOC通過電流得到，對 該電流的采樣頻率為2s，可根據(jù)電流的有效值測得該電流值。試驗結果試驗過程需要根據(jù)實際情

9、況，對電池管理系統(tǒng)進行調(diào)試，以提高系統(tǒng)的精確性和試驗結 果的可信性。對電池進行充電，直至電池SOC為60%時，分別以1C，2C，4C，7C，11C，16C的電 流對電池進行15s的充電和放電，測得的電流誤差在-0.37%，0.65%范圍內(nèi)，符合1%的 標準，且比原有系統(tǒng)的測量精度提高了5.73%。對電壓的測試中，分別測量得到了電池組上 述各個電流下的放電特性，其結果為：當電流較小時，電壓下降較慢，且電池組釋放的電量 較多；隨著電流的增大，電壓下降速率逐漸加快，且電池組釋放的電量逐漸增大?？偨Y本文在原有電池管理系統(tǒng)的基礎上，分別提出了電壓測量和電流測量的優(yōu)化方法，并通 過實際的試驗，表明電流測量的優(yōu)化提高了電流的測量精度；本文對電壓的測量優(yōu)化方法表 明這種方法對于低