应用于电动汽车的电池充电管理系统

发布时间：2020-09-10 10:16

　　基于电池能源的动力汽车正逐步走进我们的生活,动力电池的充电技术成为电动汽车推广的瓶颈之一,行之有效的动力电池充电管理策略可以提高充电的效率,保护电池和充电设施的安全。目前传统的电池管理系统存在充电方式单一,充电策略固定以及电池端和充电机通讯不畅等问题,本文在对充电管理策略研究的基础上,设计了一套基于电池状态的自适应充电管理系统,由电池端充电管理子系统和充电机端管理子系统组成。在电池端充电管理子系统中,微控制器通过前端采样电路实时采集电池的参数,实现对电池状态分析,充电策略调整,电池故障在线诊断等功能;同时基于标准的充电协议实现与充电机的通讯,实时传输充电参数,以供充电机调整输出的电能。充电机端管理子系统实时监测充电机的输出,同时解析电池端传送过来的充电参数并及时答复,配合电池端充电管理子系统完成充电管理工作。在充电管理算法的研究上,本文首先基于一阶RC电路模型对动力电池进行建模,并通过HPPC测试确定模型的参数。选择折中安时积分和开路电压法的方式来估算剩余电量(SoC),以及结合扩展卡尔曼滤波和增强的库伦计数法实现健康程度(SoH)的在线估算和定期校正。其次,根据建立的电池模型,在Simulink环境中基于三段式充电策略模拟仿真电池的充电过程。仿真结果表明,升高充电电流对于充电总时长和充电效率的收益并非全局线性提升的,而无法被接受的能量会转换成热能造成电池温度的升高,影响电池的寿命和充电的安全。根据该结果,本文设计了一种基于电池状态的在线充电电流优化策略,该策略通过充电前的待充入容量、SoH和环境温度来确定起始充电电流和电流最佳优化边界,采用模糊自适应控制算法(FAC)在恒流阶段内基于电池温度变化率对充电电流进行实时的调整和局部的寻优。最后,本文对诊断电池充电安全故障常用的带有延迟时间的阈值比较法进行了改进,使故障阈值和检测延迟的时间能根据电池状态进行自适应调整。系统通过实际充电测试,相比于传统充电策略,采用了优化策略控制下的充电过程,电池温度能保持平稳,充电总时长和充电效率总收益得到提升。同时系统也能及时诊断并响应电池故障,保护电池的充电安全。总体性能测试结果表明,本系统实现了预期功能,并在汽车动力电池充电管理技术问题上提供了一定的解决思路,对当前电动汽车的推广应用具有一定的意义。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U469.72
【部分图文】：

充电曲线,析气,充电曲线,蓄电池

逦公式（１－１）逡逑式中／。是蓄电池起始的最大充电电流值，ａ为表征电流衰减速度的指数。并可通过公逡逑式（１－１）绘制出以最低析气率为前提的蓄电池最佳充电曲线［８，＼如图１－１所示。逡逑充电时间／逡逑图１－１马斯提出的以最低析气率为前提的蓄电池最佳充电曲线逡逑马斯的充电定律为蓄电池快速充电策略奠定了理论基础，直到四十多年后的今天，基逡逑于蓄电池的快速充电方法的研宄主要还是在该定律的基础上进行扩展和延伸。同时，也有逡逑不少学者和研宄团队对马斯充电定律本身进行了更加深入的实验和研宄，如湖南工业大逡逑学的李蓓副教授团队就针对初始充电电流々和电流衰减指数ａ之间的关系进行了深入分逡逑析，并得出结论：在电池待充入容量确定的情况下，存在一个最佳的初始充电电流值与之逡逑相匹配。而当初始充电电流和待充入容量符合这种“最佳配比关系”时，可得到最大的电流逡逑衰减指数，即在理论上让充电的速度达到最快［１（）］。逡逑２逡逑

充电管,电动汽车动力电池,充电系统,充电机

设定了充电电流和电压的安全阈值，并没有对具体充电参数进行优化。逡逑１．３研究目的和意义逡逑如图１－２所示，电动汽车的充电系统包括动力电池及其管理系统ＢＭＳ和充电机三大逡逑模块，其中ＢＭＳ主要负责对动力电池的状态和行为进行管理，而充电机同理也有相应的逡逑嵌入式管理单元。本课题在对电动汽车充电过程研宄的基础上，设计了一套应用于电动汽逡逑车的电池充电管理系统。该系统主要包括ＢＭＳ中的电池状态管理单元和充电管理单元以逡逑及充电机中的充电管理单元。传统的ＢＭＳ和充电机的嵌入式管理系统大多是作为一个单逡逑独的模块进行设计和开发，均更加侧重自身状态的监测和分析，而弱化了对充电的管理，逡逑存在充电过程单一，充电策略固定以及电池端和充电机沟通不默契等问题。本文通过将逡逑ＢＭＳ中的充电管理部分和充电机方面的充电管理部分联立合并为同一系统来研宄，旨在逡逑使充电系统能够根据动力电池的状态制定和实时调整相应的充电策略，进而高效安全地逡逑完成电池的充电过程。逡逑４逡逑

框图,系统整体,模块,框图

逑２．２系统整体方案设计逡逑系统整体模块框图设计如图２－１所示，针对本文的设计需求，系统由电池端充电管理逡逑子系统和充电机端管理子系统两大部分组成。每部分的设计均包括硬件电路设计和写入逡逑到各嵌入式微控制器（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ邋Ｕｎｉｔ，简称ＭＣＵ）中的软件算法设计。逡逑分流器逦——ｉｎ逦Ｉ邋逦１逦逦逡逑｜逦Ｉ逦ＬＥＪ逦＾充电枪逦插枪信号逡逑二逦＿＿｜邋充电电流来样｜逦ｋ动信号逦「７＊１逦１￣■—？逡逑逦Ｉ逦Ｌ逦邋逦邋充逡逑￣Ｅｒ逦电芯监逦驱动信号逡逑＾邋控电路逦？电池端充电管理子系统祟逡逑－－Ｄ逦１逦—■逦，逦，＿Ｉ逦充逦充电机输出采样逦管逡逑Ｌｌｌ＿Ｊ邋逦逦邋４邋ｉ逦申邋逦？理逡逑ＺＬ．邋Ｍ逦充电总压采样逦子逡逑－Ｅ－逦逦１逦１—ｔ一Ｉ逦１逦个＿逦１邋电（）逦秦逡逑逦１逦１逦邋源＇统逡逑科１邋＋由池＂＾厂逦采样电阻分压申＾且逦ＪＴ＾Ｔｔ逡逑动力电池ｆ逦邋＿逦１逦？充电枪逦＿逡逑１逦Ｅｇ逦＾，逦１逡逑［逦数据通信线逦Ｊ逡逑图２－１系统整体模块框图逡逑２．２．１电池端充电管理子系统架构逡逑如图２－２所示，电池端充电管理子系统从硬件电路上可分为电池管理单元（Ｂａｔｔｅｒｙ逡逑ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｎｉｔ，简称ＢＭＵ）和电芯懫样电路（ＣｅｌｌＳｉｍｐｌｅＣｉｒｃｕｉｔ，简称ＣＳＣ）两个子逡逑模块

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