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基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的分析.pdf

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湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名 朽列J 1日期1一两舞r月/2日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属予1、保密口,在 年解密后适用本授权书。2、不保密团。请在以上相应方框内打“4”作者签名导师签名日期炒9年j月/2日日期脚饵5月,2日硕士学位论文1.1电动汽车简介1.1.1电动汽车的概念第1章绪 论被认为是“未来汽车”的电动汽车分为三种纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。纯电动汽车是指以车载电源蓄电池为动力,用电机驱动车轮行驶;燃料电池电动汽车是一种可以将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置,它的特点是能量转化效率高,约是内燃机的23倍,生成物是水,不污染环境,缺点是造价太高,目前仅燃料电池的价格就要2.5万美元;混合动力电动汽车是装有两个以上动力源的汽车,最常见的是在城里用电机驱动,在城外用内燃机驱动。一般常说的电动汽车就是指的纯电动汽车,本论文中提的电动汽车也主要是指纯电动汽车。尽管电动汽车在20世纪前就已存在,但是现代电动汽车是一台全新的机器,它完全不同子传统的电动汽车,它不仅仅是运输车辆,而且是一台全新的电气设备。现代电动汽车的概念可归纳为以下几点“11、电动汽车是以电驱动为基础的机动车辆,电驱动由电动机、功率转换器以及电源组成,它有自己独特的特点;2、对现代社会而言,电动汽车不仅是一辆车,而且是实现清洁、高效道路运输的全新的系统;3、电动汽车的设计是工程和艺术的结合;4、必须重新定义电动汽车的工作条件和工况循环;5、必须对用户对于电动汽车的期望进行调研,这样就能对用户进行适当的有关电动汽车知识的教育。电动汽车和系统结构完全不同于燃油车,尽管其外形非常相似,但它们的工作原理是完全不同的。电动汽车系统可分为三个子系统,即电力驱动子系统、主能源予系统和辅助控制子系统。其中,电力驱动子系统又由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成;主能源子系统由主电源、能量管理系统和充电系统构成;辅助控制子系统具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能。电动汽车的基本结构如图1.1所示,在图中,双线表示机械连接,粗实线表示电气连接,细线表示控制信号连接,线上的箭头表示电功率和控制信号流动的方向,根据从制动踏板和加速踏板输入的信号,电子控制器发出相应的控制基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的研究指令来控制功率转换器的功率装置的通断,功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时,再生制动的动能被电源吸收,此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量回收,能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级的电压并提供必要的动力,它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外,转向盘输入也是一个很重要的输入信号,动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一l图1.I电动汽车的基本结构1.1.2电动汽车发展中存在的主要问题尽管电动汽车与燃油汽车相比,有零排放、不产生噪声、操作容易等优点,但当电动汽车驶出市区时其在续驶里程与载重量方面的问题就相当的明显。至今,制约电动汽车推广应用的关键仍是动力电池和续驶里程。目前世界上主要有3种电池解决方案”1一种是混合动力;一种是开发燃料电池;还有一种就是用现在技术已经成熟的电池。本人所参与开发的电动汽车即是采用的第三种方案,采用的是镍氢电池,而目前较成熟并有较高比能量的应用于电动汽车的电池就是镍氢电池。由于电池的比能量远远低于汽油的比能量,所以电动汽车的行驶里程也远远硕士学位论文达不到燃油汽车的水平,在目前还不能解决电池比能量小的问题的现状下,电池管理系统的作用就更加突出,因为电池链量管理系统的主要目的就是要最大限度地利用有限的车载能量,增加行驶里程,保护电池,延长电池使用寿命。电池能量管理系统的主要任务如表1.1㈨。表1.1电池管理系统的主要任务任务 传感器输入的信号 执行器件防止过充 电池电压、电流、温 充电机度避免深放 电池电压、电流、温 电动机功率转换度 器温度控制 电池温度 冷热空调风扇等电池组件电压和温度的平衡 电池电压和温度 平衡装置预测电池的SOC和剩余行驶 电池电压、电流、温 显示装置里程 度在以上任务中,其关键的任务主要有两个,一个是电池充电状态SOC的预测,一个是高效的电池均衡方法。这两个问题一直是电池能量管理系统是的热点问题,也是最复杂的两个问题。本论文主要就第一个问题进行了深入的研究。1.2当前国内外电池管理系统的发展现状目前,无论在国内还是在美、日、欧等发达的国家中,电动汽车都未能大量普及应用,最大的问题出在储能动力电池上。在国外一些发达国家中,电动汽车上使用最多的电池是动力铅酸电池和镍氢电池N卜删电池,而且主要以NiMH电池为主,如日本本田的“insight”与丰田的“Prius 99 y还有美国通用汽车公司的“Chevnolet Triax”,福特汽车公司的“Prodigy”等纯电动或混合动力车采用的都是NiMH电池,而在国内由于镍氢电池成本高,一般大都使用动力铅酸电池,所以国内对于镍氨电池的管理系统的研究还处于起步阶段。目前的电池管理系统主要由两部分组成平衡单元EQU与电控单元ECU,平衡单元的目的主要是使电池组在充电时或在放电时使各电池的电压或电量得到均衡,最小化电池之间性能参数的差异,因为电池不均衡不但使蓄电池组的可用电量减少,而且还容易造成一些电池过充或过放,从而影响电池的寿命。另外,不同类型的电池的平衡策略是不同的,如锂电池与铅酸电池,其SOC值是和电池的开路电压成线性比例的,对于这类电池的SOC均衡策略可根据开路电压去判断电压是否均衡,但对于镍氢电池来说,这种方法就不行,因为镍氢电池的开环电基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的研究压与SOC值不成线性,其SOC的预测与均衡策略就更复杂。电控单元ECU主要有四个功能数据采集、数据处理、数据传送与控制。ECU首先采集串联电池组中各组电池的电压、温度、总的输出电流,然后对这些数据进行分析处理,估计电池组的SOC值,根据控制策略判断电池是否过充与过放,从而作出相应的控制,同时将数据传递到数据总线上,实现数据共享。清华大学对电动汽车电池管理系统基本结构的设想如图1.2所示“3,系统由六个子电路组成信号输入电路;V/F变换器电压/频率变换电路;光电隔离电路微处理器控制电路MCU;输入输出电路;RS-232串行口通信电路。来自电池组电压、电流和温度传感器的信号在逻辑开关的控制下进入v/F变换器,这些信号被变换为频率可变的数字脉冲信号送微处理器处理,微处理芯片就能够判断电池组中各块电池电压、电流、温度等信号大小。除此之外,电池管理系统通过RS一232串行口通信电路,将数据输入到Pc计算机以进行进一步的分析和处理。图1.2电池能量管理系统的基本结构清华研发北京理工大学开发的电池管理系统的系统框图如图1.3所示”1。图中动力电池组由32块电池串联而成,在电池箱中安装有检测电池组电流的霍尔传感器,霍尔传感器把检测到的电池组电流信号输入电池管理系统主体部分;电池组中每块电池两端的引线也连接入电池管理系统主体部份,以实现电池管理系统对电池组总电压、每块电池端电压的信号采集;电池组上每块电池表面安装了温度传感器,它们检测到的各块电池温度信号送入电池管理系统主体部分中。电池管理系统主体部分对动力电池组输入的各种信号进行分析处理后,发出电动汽车后续里程、电池组总电压、电池组电流和电池组是否有故障需要报警等信号给驾驶室仪表显示部分进行相关信息显示电池管理系统主体部分给电池组中的霍尔电流传感器和温度传感器提供电源,向电池组提供均衡各块电池电压的控制信号,以改善电池组中各块电池的均衡性,提高电池组中各块电池的使用寿命;电池管理系统主体部分留有RS232串行接口,以便与手提式计算机双向交换数据。4硕士学位论文动力电池组电池组总电压、电流、各块电池端电压、温度信号传感器电源、均衡电池组中各块电池电压信号手提式计算机RS.232串行通讯电池管理系统主体电动汽车后续里程电池组总电压电流故障报警等信息 驾驶室仪表显示部分图1.3电池管理系统主体部分外接信号流程北京理工大学研发建立电池模型对研究电池的特性有着非常重要的帮助,通过分析电池模型就可以得到电池工作时的电压、电流、温度和电池内阻的变化情况,就可分析这些参数与电池SOC值的关系。香港理工大学经过长时间的研究,提出了一种改进的电池电路模拟模型,如图1.4所示“1。Co丑arteryVoltage图1.4改进的电池电路模拟模型此模型考虑了电池在充放电过程中电池各要素的变化特性是非线性的,而且它们都与电池的SOC有关,因为开环电压与电池的SOC有着紧密的关系,因此模型将各要素视作电池开环电压的函数。这些要素的特性描述如下·自放电电阻Rp该电阻的形成有两个方面,一个方面是由于高电压电解水时形成的,另一方面是由于在低电压时电池有低的漏电流流过负载而形成。●充电电阻Rc与放电电阻Rd这两个电阻与电极材料、电解液、隔膜电阻有关,而这些因素在充放电时所表现出的电阻性是不同的。●过充与过放内阻Rco和Rdo当电池过充或过放时,电池内阻由于极化反应,将会大大增加。基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的研究·电池电容Co电池释放能量与储存能量的行为与大电容很相似。所以常用电容来模拟一个电压源。但是该模型所需要的一些参数不便于直接测量所以在实时通过预测开环电压来预测电池的SOC值会遇到一些困难。由于在汽车运行时,对电池的SOC的预测是一种动态预测,而传统的预测方法多是利用电池的静态数据来预测电池的动态性能,其结果有较大误差。利物浦电动工程学院在多年的研究基础上提出一种动态的计算电池容量的模型,这个模型由两部分组成估计模型和调节模型。估计模型使用一定的采样频率计算出电池的剩余容量,调节模型根据电池电压、电流和电池最初容量对所测到的剩余容量进行校正,校正参数反馈给估计模型。其控制原理如图1.5所示”3。图1.5动态计算电池容量模型其中七采样序号r一一采样周期s,他一一放电电流A矿.i}一一电池端电压Vc_j}在,kT时的电池容量Asck一1一一在r.i}一1T时的电池容量Asn一一反馈信号电池剩余容量公式如下C七ck一1一lk”r这犟,f膏一T是电池在一个周期内的放电电量,反馈量根据电池放电曲线获得,反馈量的大小应能够保证使用电池符合电池放电曲线。6硕士学位论文电池的容量的变化会引起电池电压的变化,在电动汽车运行过程中,电压最小的电池负担最重,损坏最快,所以电池电压平衡对于电池组整体性能有很大的影响。电压平衡主要有三种方法均衡充电法、分流电路法和开关电容平衡器法。均衡充电采用脉冲电流将所有的电池都充满,这种方法适用于所有种类的蓄电池的正常充电;分流电路法就是一旦当电池组充满时,分流电路就会分流充电电流,这种方法适于蓄电池的快充,而且对过充敏感的电池如锂离子电池尤为重要;开关电容平衡器的作用是平衡所有电池组之间的电压,工作原理如图1.6所示”3,图中用两组电池来说明,平衡器由与电池组并联的电容器和用于改变电容器与电池组连接关系的开关电路组成。其均衡原理为如果电池组l的电压比电池组2的电压高,电容器就会与电池组1连接,这样电容器就会被充电,直到与电池组1的电压相等;接着电容器与电池组1断开连接,与电池组2连接上,电容器给电池组2充电,直到电池组2的电压与电容器的电压相等。重复以上过程则两个电池组的电压会逐渐接近,最后达到电压的平衡。但此方法在实际中会产生很大的开关噪声。电池姐1 电池蛆2电池蛆I 咆池蛆2图1.6电容开关平衡器原理匿法国是电动汽车应用发展较快的国家。法国电动汽车计划EDF设计了一个随车电池管理系统来管理其电动汽车上的密封铅酸电池组,其主要功能为电池寿命的记录、充电监测、行驶过程中电池组的管理、剩余电量显示,防止对电池的有害使用,收集电池信息从而确定如何合理使用电池和更换电池。在德国,西门子公司在其开发的电动汽车上安装了一个电池管理系统,电动汽车充电时,电池管理系统能跟踪电池充电特性,控制充电器对电池进行优化充电,电池管理系统对电池的工作状态进行监测,检测电池组的电量消耗,并将有关信息传送到仪表板上的仪表和信号指示装置上。在日本,本田公司在电动汽车上安装的电池管理系统包括管理控制模块、车载充电器、惯性控制开关、高压系统安全检测装置等。该系统对电池的状态进行监控,并根据电池的状态控制车载充电器的充电过程,当动力电池组高压端与车体有接触时,管理系统发出报警信号,当电动汽车发生碰撞时,管理系统切断电源,以保证安全”“。基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的研究综合国内外的研究工作““”,电动汽车电池组管理系统应具有如下基本功能1、对电动汽车动力电池组中的每组电池的端电压和温度进行实时采集、对整个电池组的充放电电流进行采集,建立每组电池的使用历史档案。2、随时预报电动汽车还能运行多少路程,即预报电汽车储能电池还剩余多少能量,使司机在行车过程中做到心中有数。3、电池需要充电时,及时报警,以防止电池过放电而影响其使用寿命。特别是铅酸电池,过放电会严重损坏电池,显著地缩短电池的寿命。4、电动汽车运行时,如果电池组中有哪块电池损坏了或因使用时间过长而老化,能量管理系统自动报警,并显示有关信息,以便操作者及时更换坏的电池,从而提高系统的可靠性,延长其它电池的使用寿命。5、当给电池组充电时,能量管理系统根据所检测的电池组中每块电池的有关数据,通过一定的运算处理,确定每块电池的充电状态,根据电池的充电特性与维护要求,控制充电机的充电过程,实现智能充电。6、高压动力电池组用电安全控制。1.3本课题所研究的主要内容本课题研究的是本校类菱形电动汽车的一个子系统,其目的主要是为了能有效、实时的显示电池的工作状态,预测电池的SOC以便于驾驶人员更换电池和掌握好行驶里程,同时在充放电过程中能有效地保护电池,延长电池的使用寿命,当汽车发生意外时能主动地切断电池能量的供给以保护车内乘员的安全。本篇论文的研究重点有两个,一个是进一步研究电池SOC值的实时估计,主要研究如何利用所采集的每组电池的电压、温度和充放电电流的历史数据,并考虑循环充放电次数对电池电量影响因素,来建立一个确定每组电池还剩余多少能量的较精确的数学模型,以对电池SOCState of charge进行长期的较为精确的预估;另一个是如何在串联总电压很高的情况下对串联中的单组电池电压进行精确安全的测量,并在硬件与软件上设计有效的保护措施,当意外发生时能很好的保护人员安全,并且还能有效地防止电池过充与过放,延长电池使用寿命。本论文中采用了基于CAN总线的分布式管理系统的结构来对电池进行了有效的测量与维护,成功地减少了线束,同时便于电池在菱形车中的布置,并且系统的可靠性和安全性都得到了提高,能较好地完成电池管理系统所能完成的任务。硕士学位论文1.4本章小结本章首先介绍电动汽车的分类,现代电动汽车的概念,电动汽车的基本结构。然后分析了电动汽车在发展中存在的主要问题动力电池使用成本高,续驶里程短。由此反映出电池管理系统在电动汽车中的重要性,而电池荷电状态soc的预测与电池容量的均衡又是电池管理系统中的两个难点,国内外许多科研机构在这两方面做了大量的研究工作。本章最后描述了本课题主要的研究内容,即建立一.个电池soc的预测模型与对电池性能参数安全可靠地测量,防止电池由于使用不当而损坏,延长电池的使用寿命。本论文主要以Ni一删电池作为研究对象·9
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