动力型锂离子电池组管理系统设计与研究

河北工业大学硕士学位论文动力型锂离子电池组管理系统设计与研究姓名：崔志强申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：李练兵20081201河北工业大学硕士学位论文i动力型锂离子电池组管理系统设计与研究摘要随着电动车辆的迅速发展，对电池能源的要求越来越高。作为电动车关键技术之一的电池管理系统（BMS）研究变得越来越重要。锂离子电池以其自身独特的优势成为未来最重要的动力电池之一。本文深入地研究锂离子电池电动汽车的动力电池管理系统，提出了合理的系统设计思想与实现方法。首先，分析锂离子电池的工作特性以及对电池的安全性进行研究，并根据这些特性设计了电池管理系统硬件电路。其中包括状态参数检测、安全保护、显示以及通信等电路。然后，针对串联电池组在使用过程中出现的单体电压不一致现象进行分析研究，设计完成了基于变压器的能量回收型电池组均衡电路，基本实现了消除串联电池组在充放电过程中出现的单体电压不均衡的现象并节省了电池电能。最后，对锂离子电池的剩余容量（SOC）的影响因素及估算方法作了深入研究，并提出了基于开路电压法与安时法相结合，实时跟踪电池直流内阻的方法来估算电池剩余容量(SOC)，并进一步提出了可用剩余电能的概念，使得对电池的可用电能的估算更加合理。本课题的研究在理论和实践中都取得了很大的进展，对于进一步研究电池管理系统具有重要的意义。关键词：锂离子电池；电池管理；安全性；电池组均衡；剩余电量（SOC）动力型锂离子电池组管理系统设计与研究iiDESIGNANDSTUDYONPOWERLITHIUM-IONBATTERYMANAGEMENTSYSTEMABSTRACTWiththefastdevelopmentoftheelectricvehicle,therequirementtothebatterytechnologyishigherandhigher.Lithium-ionbatteryhasbeenthemostimportantpowerbatteryofthefuturebecauseofitsownuniqueadvantages.Sothemanagementofthebatteryworkingstateisalsomoreandmoreimportant.Thepaperhasdeeplystudiedthetractionbatterymanagementsystemoffuelcellelectricalvehiclesandthelogicaldesignthoughtsandrealizedmethodshavebeenputforward.Firstofall,thecharacteristicofthelithium-ionbatteryandthesecurityofbatteryhavebeenanalyzed.Onthebasisofthese,thehardwarecircuitofbatterymanagementsystemhasbeendesigned,includingthedetectioncircuitparameters,protectioncircuit,communicationcircuit,aswellasdisplaycircuit.Then,thephenomenonofvoltageunbalancedofthebatterieshasbeenanalyzed.Thebalancedcircuitofenergyrecoverywhichbasedonthetransformerhasalsobeendesigned.Theimbalanceofbatteryinseriesintheprocessofchargeordischargewaseliminatedbasicallyandthepowerofbatterywastosaved.Finally,Ain-depthresearchabouttheimpactoffactorswastakedandtheestimatedmethodsoftheremainderofthestateofcharge(SOC),andbasedoncombiningthemethodoftheopencircuitvoltageandAh,andusethemethodofreal-timetrackingthebatteryDCresistancetoestimatetheremainingbatterycapacity(SOC),estimatesthatthemethodisrelativelyaccurate,andcanbeusedtofurtherputforwardtheconceptofsurpluspowermadeavailabletothebatterypowerofamorereasonableestimate.Thestudyofthetaskhasmadegreatprogressintheoryandpractice,andhasimportantsignificancetodeeplystudybatterymanagementsystem.KEYWORDS:lithium-ionbattery;batterymanagement;security;stateofcharge河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1动力电池产业发展的背景与现状随着我国经济的飞速发展和汽车保有量的高速增长，人们环保意识也在不断增强，对提高城市空气质量的愿望和要求非常强烈，减少汽车尾气污染已成为一项极为迫切的任务。由于原油价格飞涨，使得传统汽车的使用成本增加，若按照目前的汽车增长速度发展下去，所造成的能源匮乏将会制约我国的经济发展。因此，从环保和节能的角度看，发展清洁无污染的电动交通工具将是交通业的一个突破口。电动汽车是指全部或部分由电机驱动的汽车，目前主要有纯电动汽车（EV，ElectricVehicle）、混合电动车（HEV，HybridElectricVehicle）和燃料电池汽车（FCEV，FuelCellElectricVehicle）三种类型。纯电动汽车可实现零排放，彻底解决汽车尾气污染问题。混合电动车具备了传统汽车和电动汽车的优点，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机的富余功率和车辆制动能量，可降低油耗，减少污染物排量。燃料电池汽车把化学能转化为电能，效率是普通内燃机热效率的数倍。与纯电动汽车相比，混合电动车在价格、行驶距离、汽车改型等方面有较大的优势，已成为各个国家近期发展的重点[1]。然而，同燃油汽车相比，电动汽车一方面以其无污染、低噪声在交通方面满足人们追求健康生活方式的要求，另一方面面对有限且日益枯竭的石油资源，它可以利用火力、风力、水力、太阳能、核能等其它形式的电力资源，从而起到节约能源的作用。推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程和初始价格，电源是电动汽车发展的瓶颈[2][3]，如果电源问题得到妥善的解决，电动汽车的产业化经营具有广阔的发展前景，电动汽车的社会化在不远的将来一定会实现。电动汽车上常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。铅酸蓄电池，它的技术比较成熟，可靠性好、原材料容易得到且价格便宜、比功率基本上能满足电动汽车的动力性能要求。它的不足是比能量较低，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，增加了汽车的自重和自身功率消耗，另外它的寿命短，使用成本较高。镍氢蓄电池的优点很多，其高比能量与锂离子电池相当；高比功率可使电动车有良好的启动、加速和爬坡性能，它的平均寿命可达300至600次，而且因其安全、无污染，被誉为“绿色电源”。现在，日本、美国及我国都在积极开发研制镍氢电池，我国的镍氢电池技术也处于国际先进水平。它是电动汽车发展中期的主要能源，具有很大的发展前景。燃料电池，能高效率的把燃料转化为电能，工作安静，但它现在的应用技术尚未成熟，需要进一步的提高，还有一定的安全问题和价格问题。锂离子电池出现在90年代初期，它基本上解决了蓄电池的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。同时锂离子电池具有高的电池单体电压、高的比能量和能量密度，是当前比能量昀高的电动力型锂离子电池组管理系统设计与研究2池。随着锂离子电池的产业化发展，其成本也在不断的下降，锂离子电池以其无可比拟的优越性能，成为了未来动力电池的首选。与其它类型电池相比，锂离子电池的性能具有明显优势。（见表1.1）表1.1几种动力电池性能比较表[4]Table1.1Severalbatteryperformance电池类型工作电压/V能量密度(Wh/Kg)循环寿命/次充电时间/h月自放电/%价格/美元产业化年份密封铅酸2.030200-5008-1650.8-1.71970Cd/Ni1.2605001.5201.21950MH/Ni1.2705002-43061990锂离子3.6100-150500-10003-4102.719912002-2007年中国锂离子电池产量（单位：百万）2724466508721051136002004006008001000120014001600200220032004200520062007图1.12002-2007年中国锂离子电池产量Fig.1.12002-2007Chineselithium-ionbatteryproduction锂离子电池的结构如图1.2和图1.3所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如LixCoO2，LixNiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物LixC6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(LiCoO2)和有机电解液三部分组成。锂离子电池的电化学表达式[4]：正极反应：+21-x2LiMOLiMOxLi+xe⎯⎯⎯→+←⎯⎯⎯充电放电负极反应：+xnnC+xLi+xeLiC⎯⎯⎯→←⎯⎯⎯充电放电河北工业大学硕士学位论文3电池反应：21-x2xnLiMO+nCLiMO+LiC⎯⎯⎯→←⎯⎯⎯充电放电（1-1）式中：M=Co、Ni、Fe、W等。图1.2锂离子电池结构示意图图1.3圆柱形锂离子电池结构图Fig.1.2Structureoflithium-ionbatteryFig.1.3Thecylindricalstructureoflithium-ionbattery锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构成。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池（Rocking-ChairBattery）”或“摇摆电池(swingbattery)”。锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极