太陽能電動車電池管理系統(tǒng)研究

【摘要】：汽車工業(yè)的長足發(fā)展在給社會帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時也帶來了一些新的問題：能源危機(jī)與環(huán)境污染。為了解決這兩個問題，人們在尋找新的可再生、清潔能源的是同時，著手研發(fā)基于新能源的汽車，太陽能電動車便是其中的典范，其將光伏技術(shù)與電力驅(qū)動技術(shù)集于一身，以太陽能作為輔助能源供給，在節(jié)能的同時，做到零排放。但是，如何提高能量效率、延長電池壽命仍是亟待解決的問題。因此電池管理系統(tǒng)的研究至關(guān)重要。 本文的研究基于吉林省科技發(fā)展項(xiàng)目“微流控太陽能電動車”，項(xiàng)目旨在開發(fā)一臺具有微流控散熱系統(tǒng)的太陽能電動車，其主要動力源為鉛酸電池，光伏電池作為輔助能源，起到給鉛酸電池補(bǔ)充電量的作用。本文主要的研究目的是開發(fā)適用于該太陽能電動車的電池管理系統(tǒng)。 論文首先闡述了鉛酸電池與光伏電池的工作原理及工作特性。其中，鉛酸電池的放電特性表現(xiàn)在電壓特性和容量特性兩方面，而對其充電特性研究主要是基于最小析氣量準(zhǔn)則分析最佳的充電策略與充電電流。此外，從鉛酸電池工作原理出發(fā)分析了鉛酸電池的失效機(jī)理，從而為系統(tǒng)開發(fā)中控制策略的提出與光伏充電模塊的設(shè)計提供理論依據(jù)。光伏電池特性方面主要分析了其輸出功率特性以及I-V特性進(jìn)行，為以后最大功率跟蹤算法提供理論基礎(chǔ)。 其次進(jìn)行了系統(tǒng)總體設(shè)計，在明確了管理系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的功能以后，給出了系統(tǒng)整體的硬件框架以及總體控制流程。并針對管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了單獨(dú)討論，包括鉛酸電池SOC估計算法、光伏充電策略以及最大功率跟蹤。 SOC估計算法方面：論文在分析了現(xiàn)有算法的優(yōu)缺點(diǎn)之后提出了基于卡爾曼濾波的新估計算法。首先建立了適用于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的鉛酸電池數(shù)學(xué)模型，為了獲取模型中的經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)，我們進(jìn)行了電池充放電循環(huán)試驗(yàn)，通過處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取了模型參數(shù)。接著基于上述數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出了擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）在SOC估計中應(yīng)用的迭代公式。為了證明其適用性及準(zhǔn)確性，我們對所設(shè)計的算法進(jìn)行了計算機(jī)仿真，仿真中所用的電流、電壓數(shù)據(jù)均來自于充放電試驗(yàn)，最后將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明該算法SOC估計的誤差在2%上下浮動。在此基礎(chǔ)上為了進(jìn)一步減小估計誤差，我們又嘗試了理論精確度更高的無味卡爾曼濾波算法（UKF），同樣進(jìn)行了公式推導(dǎo)以及計算機(jī)仿真，仿真過程數(shù)據(jù)與EKF相同。結(jié)果表明其精度要略高于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法。 光伏充電策略方面，首先分析了現(xiàn)有充電方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并在現(xiàn)在常用的三階段充電法的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，提出了新的充電策略，充電過程中盡可能的結(jié)合最大功率跟蹤算法，以提高光伏系統(tǒng)能量效率。這里所用的最大功率跟蹤算法為電導(dǎo)增量法，該算法通過比較當(dāng)前電導(dǎo)值與電導(dǎo)變化量來確定工作點(diǎn)移動方向，算法穩(wěn)定性好，且算法計算量少。 再次，闡述了管理系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)過程，對系統(tǒng)中各功能模塊的原理及硬件實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)介紹，系統(tǒng)選用AVR系列的ATmega16作為核心單片機(jī)，主要涉及的硬件模塊包括：單片機(jī)外圍電路、測量電路、光伏充電電路等。 最后，對太陽能電動車樣車的改裝過程作了簡單介紹，并進(jìn)行了車輛性能試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，考察電池管理系統(tǒng)的工作情況，包括運(yùn)行階段工作情況以及充電階段工作情況。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計電池管理系統(tǒng)可較好的完成運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及光伏充電的控制。 【關(guān)鍵詞】：太陽能電動車 電池管理系統(tǒng) 光伏電池 剩余電量 光伏充電策略
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-22
• 1.1 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀14-16
• 1.2 電池管理系統(tǒng)的重要性16-17
• 1.3 電池管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀17-20
• 1.3.1 國外電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀17-19
• 1.3.2 國內(nèi)電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 課題來源和研究內(nèi)容20-21
• 1.4.1 課題來源20-21
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容21
• 1.5 本章小結(jié)21-22
• 第2章 鉛酸電池及光伏電池工作特點(diǎn)22-30
• 2.1 系統(tǒng)充放電相關(guān)的基本概念22-23
• 2.2 鉛酸電池工作特性23-26
• 2.2.1 鉛酸電池工作原理23-24
• 2.2.2 鉛酸電池充放電特性24-25
• 2.2.3 鉛酸電池失效機(jī)理25-26
• 2.3 光伏電池工作特性26-28
• 2.3.1 光伏電池原理26-27
• 2.3.2 光伏電池工作特性27-28
• 2.4 本章小節(jié)28-30
• 第3章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計30-36
• 3.1 總體控制方案30-31
• 3.2 總體硬件結(jié)構(gòu)31-34
• 3.2.1 測量模塊總體設(shè)計32-33
• 3.2.2 光伏充電模塊33-34
• 3.3 本章小結(jié)34-36
• 第4章 鉛酸電池 SOC 估計算法36-64
• 4.1 影響鉛酸電池 SOC 的因素36-37
• 4.1.1 放電率36-37
• 4.1.2 溫度37
• 4.1.3 電池老化37
• 4.2 常用的 SOC 估計算法37-40
• 4.2.1 內(nèi)阻檢測法37-38
• 4.2.2 開路電壓檢測法38
• 4.2.3 安培積分法38-40
• 4.3 基于自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的 SOC 估計40-47
• 4.3.1 卡爾曼濾波算法40-42
• 4.3.2 電池模型42-43
• 4.3.3 算法流程43-47
• 4.4 鉛酸電池充放電試驗(yàn)47-55
• 4.4.1 測試方案設(shè)計48-49
• 4.4.2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果49-52
• 4.4.3 數(shù)據(jù)處理52-55
• 4.5 自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法 Matlab 仿真55-57
• 4.6 擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的改進(jìn)57-63
• 4.6.1 無味卡爾曼濾波算法58-60
• 4.6.2 Matlab 仿真及結(jié)果60-63
• 4.7 本章小結(jié)63-64
• 第5章 光伏系統(tǒng)控制策略研究64-78
• 5.1 充電控制電路原理64-66
• 5.2 鉛酸電池常用充電模式66-69
• 5.2.1 恒流充電方法（Constant Current Charging）66-67
• 5.2.2 恒壓充電方法（Constant Voltage Charging）67-68
• 5.2.3 浮充電（Floating charging）68
• 5.2.4 階段性充電法68-69
• 5.3 光伏充電策略69-72
• 5.4 最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)72-76
• 5.4.1 現(xiàn)有算法72-73
• 5.4.2 電導(dǎo)增量法73-76
• 5.5 本章小結(jié)76-78
• 第6章 電池管理系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)78-96
• 6.1 ATmega16 芯片概述78
• 6.2 ATmega16 外圍電路78-83
• 6.2.1 供電電路79-80
• 6.2.2 復(fù)位及晶振電路80-81
• 6.2.3 JTAG 接口電路81-82
• 6.2.4 外部 E2PROM 接口82-83
• 6.3 測量模塊硬件電路83-89
• 6.3.1 單電池端電壓測量83-84
• 6.3.2 電流測量84-86
• 6.3.3 溫度測量電路86-89
• 6.4 顯示系統(tǒng)89-90
• 6.5 串口通信90
• 6.6 光伏充電電路90-93
• 6.6.1 DC/DC 降壓電路參數(shù)設(shè)計91-92
• 6.6.2 PWM 驅(qū)動電路92-93
• 6.7 主程序流程93-94
• 6.8 本章小結(jié)94-96
• 第7章 裝車試驗(yàn)及結(jié)果96-104
• 7.1 太陽能電動車改裝96-99
• 7.1.1 改裝設(shè)計要求96-97
• 7.1.2 改裝過程97-99
• 7.2 太陽能電動車性能檢測99-102
• 7.2.1 車輛運(yùn)行性能測試99-101
• 7.2.2 車輛光伏充電測試101-102
• 7.3 本章小結(jié)102-104
• 第8章 總結(jié)與展望104-106
• 8.1 論文總結(jié)104-105
• 8.2 展望105-106
• 參考文獻(xiàn)106-112
• 作者簡介及在學(xué)期間科研成果112-114
• 致謝114

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微型純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計    李娜

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