锂离子电池能量管理系统研究与设计

发布时间：2017-10-04 14:18

  本文关键词：锂离子电池能量管理系统研究与设计

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【摘要】：日益枯竭的石油资源和环境污染的大背景下使得电动汽车进入了快速发展时期,锂离子电池以它在能量、体积、寿命、环保等各方面都具有无可比拟的优势成为电动汽车能源的宠儿。但是锂离子电池的成本、循环寿命、使用安全等问题制约着锂离子电池的广泛使用。本文针对这一问题设计了锂离子电池能量管理系统,该系统能实时监视电池组工作状态,并且能实时显示电池工作中的部分参数(电压、电流、温度、荷电状态),方便操作人员随时了解电池工作状态并且做出最佳的电池使用方案,保证锂离子电池组工作安全可靠,最大限度的延长电池的循环寿命。本文首先介绍锂离子电池的电化学特性及其性能参数,并且通过开路电压特性试验、负载电压特性试验、电池效率特性试验对电池的部分特性进行试验测试分析,得到锂离子电池开路电压特性、负载电压特性以及充放电效率特性。在掌握锂离子电池电化学特性的前提下,为了更为准确且便于在线实时估算锂离子电池荷电状态(State of Charge,SOC),结合传统安时积分法、开路电压法及负载电压法,综合考虑充放电效率和温度的补偿因素,提出一种新型SOC安时积分实时估算方法,建立SOC实时估算仿真模型,并搭建锂离子电池充放电实验平台进行SOC实时估算方法验证。仿真与试验对比分析结果表明:在恒定电流工况以及循环电流工况条件下,SOC误差值基本在3%以内;另外在两个工况中SOC估算方法均能实时反映出当前电池荷电状态,从而说明新型安时积分实时估算法具有理论上的可行性以及估算方法的精确性,可为电池SOC实时估算和检测提供重要的参考价值,并为后续的电池能量管理系统设计打下坚实基础。锂离子电池能量管理系统功能的实现必须有硬件和软件的支撑,本文以MC9S12XS128为主控芯片进行锂离子电池能量管理系统设计。硬件设计上,进行电源电路设计、数据采集电路设计(电压采集电路、电流采集电路、温度采集电路设计)、均衡控制电路设计、通讯电路设计(CAN通讯电路、串口通讯电路设计)、以及显示电路设计等,并制作出电池管理系统硬件实物。软件设计上,采用C语言编程进行模块化设计,基于Freescale CodeWarrior软件完成程序编写、调试、编译和链接,设计数据采集子程序、SOC计算子程序、均衡控制子程序以及CAN通讯模块子程序。根据硬件和软件设计,完成锂离子电池能量管理系统电控单元BMS设计与制作。搭建锂离子电池能量管理系统性能测试实验台,包括供电用蓄电池、放电外在负载用电炉、充电机、动力锂离子电池组、本文研制的BMS以及分析用计算机等,并进行15A电流工况下充放电试验。试验结果表明:该锂离子电池能量管理系统具有较完善功能且荷电状态估算精度较高,运行稳定,能有效地提高锂离子电池性能。
【关键词】：电动汽车 锂离子电池 电池能量管理系统 荷电状态(SOC) MC9S12XS128 实验
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 锂离子电池管理系统12-14
• 1.2.1 电池管理系统功能介绍13-14
• 1.3 BMS国内外研究现状14-17
• 1.3.1 国外BMS研究现状14-15
• 1.3.2 国内BMS研究现状15-17
• 1.4 BMS关键技术国内外研究现状17-18
• 1.4.1 荷电状态（SOC）国内外研究现状17
• 1.4.2 均衡控制研究现状17-18
• 1.5 本课题研究内容18-22
• 1.5.1 研究内容18-19
• 1.5.2 关键技术19-20
• 1.5.3 技术路线20-22
• 第二章 锂离子电池特性分析22-40
• 2.1 锂离子电池概述22-23
• 2.2 锂离子电池工作原理及性能参数23-28
• 2.2.1 锂离子电池工作原理23-24
• 2.2.2 锂离子电池性能参数24-28
• 2.3 动力锂离子单体电池的部分特性实验分析28-37
• 2.3.1 电池充电方法概述28
• 2.3.2 实验设备和实验台28-29
• 2.3.3 电池开路电压特性实验及结果分析29-33
• 2.3.4 电池端电压特性试验及结果分析33-35
• 2.3.5 电池效率特性实验及结果分析35-37
• 2.4 本章小结37-40
• 第三章 SOC在线实时估算方法研究40-54
• 3.1 锂离子荷电状态SOC估算概述40-42
• 3.1.1 锂离子电池荷电状态SOC定义40-41
• 3.1.2 锂离子电池荷电状态SOC估算的影响因素41-42
• 3.2 电池荷电状态SOC估算方法简介42-45
• 3.2.1 放电实验法42
• 3.2.2 开路电压法42-43
• 3.2.3 安时积分法43
• 3.2.4 内阻法43-44
• 3.2.5 卡尔曼滤波法44
• 3.2.6 模糊逻辑推理和神经网络法44-45
• 3.3 SOC新型安时积分估算法45-48
• 3.3.1 SOC新型安时积分估算方法46-48
• 3.4 SOC新型安时积分估算方法建模与仿真分析48-51
• 3.4.1 SOC估算方法建模48-49
• 3.4.2 SOC估算方法仿真分析49-51
• 3.5 SOC估算方法实验及结果分析51-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第四章 电池能量管理系统硬件设计54-68
• 4.1 BMS功能和结构设计54-55
• 4.2 锂离子电池能量管理系统硬件设计原理图及实物图55-56
• 4.3 主控制器芯片的介绍与电源电路56-58
• 4.3.1 主控芯片的选取与介绍56-57
• 4.3.2 主控芯片电源电路设计57-58
• 4.4 数据采集电路设计58-62
• 4.4.1 电压采集电路设计58-59
• 4.4.2 单体电压采集电路59-60
• 4.4.3 电流采集电路设计60-61
• 4.4.4 温度采集电路设计61-62
• 4.5 均衡模块电路设计62-64
• 4.6 通讯电路设计64-66
• 4.6.1 CAN通讯电路设计64-65
• 4.6.2 串口通讯电路设计65-66
• 4.7 本章小结66-68
• 第五章 电池能量管理系统软件设计68-76
• 5.1 系统软件设计功能及环境68-69
• 5.2 软件整体流程设计69-70
• 5.3 数据采集子程序设计70-73
• 5.3.1 A/D转换模块70-71
• 5.3.2 采样电压、电流、温度处理模块71-73
• 5.4 SOC计算子程序设计73
• 5.5 均衡模块程序设计73-74
• 5.6 CAN通讯模块程序设计74-75
• 5.7 本章小结75-76
• 第六章 系统测试与分析76-80
• 6.1 系统测试内容76
• 6.2 系统测试实验76-78
• 6.2.1 实验台布置76-77
• 6.2.2 实验结果77-78
• 6.3 本章小结78-80
• 第七章 结论与展望80-82
• 7.1 结论80-81
• 7.2 研究展望81-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-88
• 附录88
• A.作者在攻读硕士学位期间发表论文及其他成果88
• B.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目88

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本文编号：971120