电池管理系统深度理论研究

电池管理系统深度理论研究，专业的电池管理系统书籍，SOC算法，SOH算法，非耗散型电池均衡技术电池管理系统深度理论研究面向大功率电池组的应用技术Battery Management Systems on Power Batteries:Applied Technology and Advanced Theories谭晓军著山了其点礼广州商标注册权声明本书中所涉及到的C、LT、LTC、LTM、 Linear Technology和 Linear标识是凌力尔特公司( Linear Technology Corporation)的注册商标,特此声明。版权所有翻印必究图书在版编目(C|P)数据电池管理系统深度理论研究:面向大功率电池组的应用技术/谭晓军著,一广州:中山大学出版社,2014.4ISBN978-7-306-04839-4I.①电…Ⅱ.①谭…Ⅲ.①汽车—蓄电池组一研究Ⅳ.①U463.63中国版本图书馆CP数据核字(2014)第029937号几几几内出版人:徐劲策划编辑:陈文杰责任编辑:曾一达封面设计:陈启新责任校对:陈文杰责任技编:何雅涛出版发行:中山大学出版社电话:编辑部020-841119,84113349,84111997,8410779发行部020-84111998,84111981,8411l160地址:广州市新港西路135号邮编:510275传真:020-84036565网址:htp:∥/www.zsup.cm.cnE-mail:zacks@mail.syst,edu,cn印刷者:广州中大印刷有限公司规格:787mm×102mm1/1610印张280千字版次印次:2014年4月第1版2014年4月第1次印刷定价:35.00元如发现本书因印装质量影响阅读,请与出版杜发行部联系调换前言动力电池管理系统属于一个跨学科的领域,涉及电子信息科学、电化学、汽车工程、能源学科等多个领域的相关知识,但从某种意义上来说,它又是一个学科盲点。参与相关研究工作的学者、工程师经常会遇到以下的困惑:从化学工业研究人员的角度看,电池管理系统应该是从事电子传感器、嵌入式计算机系统等领域的工程师解决的问题;然而,相关的电子工程师却很难在短时间内掌握动力电池的电化学机理;对汽车工程的从业人员来说,电池管理系统是与传统汽车学科相关度不高的领域。因此,在解决电池管理系统相关技术的过程中,来自高校及研究所的工作者缺少一套较为完备的理论体系,甚至有些基本概念都处于模糊状态。以上的情况在国内、国外都是基本一致的,以致于严重制约了相关行业的快速发展。2011年下半年,笔者结合自己的研究、开发工作经验,完成了《电动汽车动力电池管理系统设计》一书,对这一领域的一些基本概念以及基本研究方法进行了总结,为该领域的研究人员与工程技术人员提供了一点参考。该书完成以后,反响强烈,作者不断接到相关的邮件与电话,对该领域的技术问题进行共同探讨。许多读者希望笔者能继续把自己工作中的一些经验进行总结。于是到了2013年,笔者结合这几年研究工作的进展,进行归纳,完成了本书。本书的内容有以下几个原则:(1)不与第一本书重复。凡是在第一本书中表述过的内容,本书不再重复。(2)各章节的专题性。如果说第一本书的写作更加关注的是系统化,希望涵盖电池管理系统的每个章节的话,本书的每个章节基本上都是一个研究的专题,章与章之间可能具有较强的独立性。(3)注意技术的先进性、细致化。第一本书完成后,不少读者在给我的来信中提到,希望书中能有更多具体的电路图、源代码。本书尽可能把最先进的电压监测电路、均衡电路的方案进行描述。本书的主要技术工作,源于笔者在中山大学工学院电动汽车研究中心以及东莞中山大学研究院电动汽车工程中心从事的电动汽车相关科研工作。近年来,我团队的工作得到了国家、省、市各级政府的大力支持,也得到了中山大学的大力支持,作者代表整个团队在此表示真诚感谢。另外,本书的写作得到了凌力尔特公司( Linear Technology Corp)的大力资助,该公司不仅为笔者提供了大量的实验样本与参考文献,还对本书的部分章节提出了宝责的修改意见。在此特别表达真诚的致谢!部分本书未及讨论的内容或笔者最新的研究成果,将陆续在个人博客sysubms.blog163.com上展示,欢迎读者访问。同时,也欢迎读者通过电子邮箱sysubms@163.com与笔者进行交流。作者2014年2月于康乐园目录第一章关于本书的一些说明1.1近两年相关研究领域的新动态1.2本书与笔者上一本书的关系11331.3本书的写作思路第二章基于扩展 Kalman滤波器的剩余电量(SoC)估算……………52.1基于扩展 Kalman滤波器的SoC估算算法的要点22基于扩展 Kalman滤波器的SoC估算的误差谱…………………日,,P量2.3 Kalman滤波器计算过程中计算参数的设置………………………282.4小结……………………………………………………………40第三章关于动力电池劣化(SoH)的研究433.1动力电池劣化的定义及其评价指标………433.2开展动力电池劣化研究的意义………………………………………523.3锂离子电池劣化研究现状,·使中·世t,坐量世,·Et_量553.4国内外电池劣化测试的相关工作………………………………………643.5笔者开展的电池劣化测试…………………………………………74第四章先进的动力电池管理系统硬件…………………………………794.1当前主流的电压监测方案……794.2精确的电压监测的意义…………;……"………834.3LTC6804的整体特色………………904.4采用 isoSPIn的优势…4.5基于LTC6804的BMS系统结构………………………………101第五章非耗散型( ACTIVE BALANCE)的电池均衡技术5.1电池不均衡的几种表现及相关讨论…………5.2几种非耗散型电池均衡技术的回顾与分析1145.3基于LTC3300的先进的非耗散型均衡方案……………………1225.4非耗散型均衡电路的测试…………………………………1305.5非耗散型均衡电路的能耗建模与仿真分析141第六章展望…148参考文献150第一章关于本书的一些说明第一章关于本书的一些说明距离笔者上一本书的出版,过去了整整两年的时间。在这两年里,国内外在电池技术领域、电池管理系统技术领域都有了较大的发展,笔者的研究工作也取得了些进展。把这两年工作中的一部分心得整理出来,与同行们分享,是本书的目的。本章作为全书的总起,希望对本书的构思、写作原则、写作思路等问题进行一些说明,以帮助读者更好地使用本书。1.1近两年相关研究领域的新动态在过去的两年内,国内外在大功率动力电池管理系统技术领域都有了较大的发展。笔者在此尝试对同行们近年来研发工作的新动态进行一些归纳。1.大功率电池组成组技术几年前,电池管理系统理论还处于起步阶段,许多工程师缺乏经验,常常片面地将消费电子产品中的“单体电池”的管理技术或者将电动自行车中的“小电池组”管理技术平移到“大功率动力电池组”中。近两年来,越来越多的学者和工程师们关注大功率动力电池组的一些典型的问题,人们更多地将电池组作为一个整体来研究,更多地关注电池的不一致性及其产生的原因,并注意到了在大功率电池组中因为热力场分布的不均匀而增加了电池管理难度。针对“大功率动力电池组衍生出了一系列的专业技术,例如:电池组的热力学建模与热管理技术,高压绝缘自诊断技术、预充电电路技术等。2.电池建模技术之前许多人认为BMS就是电子、自动化技术,相当于在一堆电池旁边加入几块电路板,再写两个嵌入式程序。事实上,近年来人们已经认识到了要开发出更优的BMS离不开对电池特性的了解和掌握,而能对电池的行为进行建模、仿真,就是了解和掌握电池特性的一个重要标志。电池建模是制定电池管理策略的基础。从文献可见,在过去两年中,对电池模型的研究越来越得到重视。3.电池劣化的研究电池劣化(也称电池老化、电池衰退等)直接与电池的健康状态(SoH)相关,也是学术界近两年的研究热点。从本领域较为重要的刊物 Journal of PowerSources来看,硏究电池劣化的文献的数量近两年都在成倍的递增。从已发表的文献来看,研究电池劣化的因素及衰减规律的占了相当高的比例;而就研究的电池材料类型来看,超过六成为磷酸铁锂电池。然而,至今没有一个非常完善的数学方法电池管理系统深度理论研究来描述电池劣化。尽管如此,人们对造成电池劣化原因的认识还是加深了不少,这对动力电池的使用、维护以及电池的优化管理等提供了有力的理论依据。4.电池寿命及经济性分析严格而言,电池寿命的预测与电池劣化的研究是密不可分的。然而,与科学家们关注劣化机理、劣化模型不同,有部分同行关注电池寿命更多地是从电池使用的经济性角度出发。例如在我国电动汽车行业,近年来出现了不少使用铅酸电池的低速小轿车,价格便宜,解决了不少城乡居民的短途出行问题。然而,就此类低速轿车而言,如果将其搭载的铅酸电池全部替换为锂离子电池,则尽管购置成本有所提高,但是由于电池的整体寿命延长、使用效率高(内耗小),从长远来看可能更加经济。目前,能算清这笔经济账的研究成果还在进行中;尽管已经发表了一些赞成的或者反对的意见,也是多从自身经济利益或者主管臆断出发,尚欠缺有力的实验数据或者合理的推理分析,未能充分说明问题。5.精确的SoC估算算法精确的剩余电量(SoC)估算是BMS研究、开发人员不变的追求目标。近两年来,人们逐渐意识到了锂离子电池比先前的铅酸电池的管理难度大得多,并且基本形成了共识:想得到一个静态的、放之四海而皆准的SoC算法是不大可能的。静态”的意思是:算法不管电池的类型、型号,不管电池的劣化,不管使用环境的变化等。因此,许多“自适应”的算法被相继提出,在特定类型的电池、特定的应用场合能取得很好的估算精度。与之前某些“大而全”的“万能”SoC算法相比,这些专用的算法更加值得大家关注。与此同时,一些新器件的推出,为实现更精确的电压、温度监控提供了可能,从而有助于提高SoC估算的精度目前,没有一个SoC算法在任何情况下都能够做到小于1%的误差。无论何种SoC算法,在忽略了特定条件之后,都有可能产生较大的偏差。本书的第二章尝试从“误差谱”的角度出发,分析各种可能造成SC估算误差的因素,并且分析这些因素可能造成的最大误差,从而有助于读者分析原有算法的不足。克服不足的过程,恰好是提高SoC估算精度的过程。6.电池均衡控制曾经在相当长的一段时间内,人们对电池均衡存在着许多误解。例如,有人笼统地认为:“均衡控制功能是多余的,越做均衡越损害电池。”这是对均衡冋题认识不够深入所导致的。近年来,均衡的必要性已经越来越得到肯定,不同的均衡控制方法被提出。但是,关于均衡控制的理论研究却有所滯后,例如:关于如何评判BMS均衡控制的优劣,均衡控制方法与电池状态监测精度的关系等问题的研究,都有待加强。本书的第三章、第五章尝试在这个方面作一些理论探讨。第一章关于本书的一些说明1.2本书与笔者上一本书的关系1.笔者上一本书的写作目标笔者于2011年出版了国内第一本以“电池管理系统”为主题的技术专著《电动汽车动力电池管理系统设计》。在该书中,笔者尝试搭建一个关于电池管理系统的研究体系,除了状态监测、SoC估算等核心功能之外,还涉及到了诸如电池系统的信息管理等一些非核心功能。尽量帮助读者弄清BMS的基本概念,力求做到“面面俱到”是该书写作所追求的目标。2.本书在内容上的差异本书是笔者前一本书的提高版,基于“贵精而不求全”的原则,在内容上做到更深人而不重复。本书选择了“SoC估算精度”、“电池劣化(SoH)”、“精确的电压监测”、“非耗散型均衡控制”等电池管理系统(BMS)的深度技术内容,以专题的形式进行讨论,在内容上注意与前一本书的互补性,并尽量做到不重复。3.本书在研究对象上的扩展在前一本书中,所探讨的基本上是用在“电动汽车”上的“磷酸铁锂”动力电池,而本书在研究对象上进行了扩展:第一,本书跳出了“电动汽车”的范畴,可适用于大功率动力电池;第二,所讨论的电池对象不限于磷酸铁锂电池,还包括其他材料(如三元材料)的锂离子电池。1.3本书的写作思路笔者在本书的写作过程中,力求做到以下四个原则1.专题性本书的主体是四个章节,每个章节为一个独立的专题。如果部分读者认为某个章节太过深奥,或者不感兴趣,可以直接跳过,因为基本上每个章节都自成体系,可以作为一个整体单独阅读。2.互补性除了“电池劣化(SoH)”一章以外,本书的其他主体章节在概念上都是对上一本书的补充和深化,在写作过程中,笔者尽量做到不重复。对于那些已经论述过的问题,不再重复进行说明,以免累赘。3.新颖性本书涉及到的专题,包括电池劣化规律、非耗散均衡控制等,均是近年来研究的热点问题,是同行们感兴趣的。部分章节中介绍的器件、方案,也是本书出版时较为先进的代表,从而帮助部分同行搭建较为先进的BMS平台。