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混合动力汽车MH/Ni电池管理系统设计与研究

作　者: 王江平
导　师: 冉振亚
学　校: 重庆大学
专　业: 车辆工程
关键词: 电池能量管理系统荷电状态 MH/ Ni蓄电池混合动力汽车
分类号: U463.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当前全世界的汽车工业都面临着石油资源短缺和环境污染的压力。为实施可持续发展战略,混合动力汽车已经成为了21世纪汽车工业的发展方向。国内外专家的共识是:汽车工业正在面临着一场新的革命,这场革命的重点就是混合动力汽车的推广和普及。由于混合动力汽车的行驶工况十分复杂,对蓄电池的寿命影响很大,而蓄电池的使用寿命有限,因此,对混合动力汽车的动力电池组进行监管,使其工作状况在允许范围内,从而保证其使用性能,延长其使用寿命,是混合动力汽车发展过程中面临的一个难题。到目前为止,这一技术仍在研究发展中。本文在分析混合动力汽车的现状及发展历程的基础上,选用镍氢电池作为汽车的动力电池。进而分析了镍氢电池的荷电状态的估算方法以及影响因素。基于快速充电理论,在实验的基础上分析研究了电池使用过程直接影响其荷电状态的电压、电流随时间变化情况;利用恒流充放电过程中效率随电流的变化情况,明确了镍氢电池使用过程中电流应该满足的条件,从而明确了电源管理系统的电流控制目标。基于混合动力汽车电源管理系统的功能特点及使用要求,本文对电池检测、控制系统硬件部分进行了设计,包括电压转换电路、主控电路、数据检测、采集电路、均衡电路等。在分析比较几类常见的镍氢电池模型的基础上,参照各类镍氢电池的荷电状态的估算方法选择PNGV模型进行分析,提出了卡尔曼滤波与安时计量法相结合荷电状态估算方法,并用折算库仑效率替代安时计量法中的库仑效率,解决了安时计量法不能得到荷电状态初值以及难于准确测量库仑效率的难题。最后利用实验对估算结果的准确性进行检验,达到了预期的目标。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-13
  1.1 课题来源  8-9
  1.2 MH/Ni 电池的发展以及优势  9
    1.2.1 镍氢电池的发展  9
    1.2.2 镍氢电池的优越性  9
  1.3 电池管理系统  9-11
    1.3.1 优越的电池管理系统的功能  9-10
    1.3.2 电池管理系统的性能要求和结构特点  10-11
  1.4 电池管理系统国内外发展状况  11-12
  1.5 本文所研究内容及章节安排  12-13
2 镍氢电池特点研究  13-20
  2.1 MH/Ni 电池特性  13-17
    2.1.1 电动势和开路电压  13
    2.1.2 充电特性  13-14
    2.1.3 放电特性  14-16
    2.1.4 电池容量与比容量  16
    2.1.5 电池能量与比能量  16-17
  2.2 MH/Ni 电池的荷电状态SOC 与放电深度DOD  17-18
  2.3 混合动力汽车用MH/Ni 电池  18-19
    2.3.1 混合动力汽车用MH/Ni 电池的性能要求  18-19
    2.3.2 混合动力汽车用MH/Ni 电池的实际水平  19
  2.4 本章小结  19-20
3 MH/Ni 电池特性实验研究  20-32
  3.1 MH/Ni 电池充放电实验研究  20-25
    3.1.1 充电方式的确定  20-22
    3.1.2 试验方法设计  22-23
    3.1.3 电池充、放电试验  23-24
    3.1.4 实验数据处理方法  24-25
  3.2 实验结果分析  25-28
    3.2.1 镍氢电池充电特性  25-26
    3.2.2 镍氢电池放电特性  26-27
    3.2.3 试验结论  27-28
  3.3 充放电容量效率特性研究  28-31
    3.3.1 充电效率试验  28-29
    3.3.2 放电效率试验  29-31
  3.4 本章小结  31-32
4 电池管理系统的硬件设计  32-45
  4.1 系统核心控制芯片  32-34
    4.1.1 芯片选择  32-33
    4.1.2 单片机型号及外围电路  33-34
  4.2 单片机与外部信号转换接口  34-36
    4.2.1 A/D 转换接口  34-35
    4.2.2 D/A 转换接口  35-36
  4.3 电源部分设计  36-37
  4.4 均衡控制电路设计  37-40
  4.5 电池参数采集及检测模块设计  40-44
    4.5.1 电压检测  40-42
    4.5.2 电流采样及检测模块设计  42-43
    4.5.3 温度采样模块  43-44
  4.6 本章小结  44-45
5 电池管理系统的软件设计  45-53
  5.1 系统程序模块化  45
  5.2 系统主程序模块化  45-46
  5.3 模数转换以及数模转换程序设计  46-48
    5.3.1 模数转换程序设计  47
    5.3.2 数模转换程序设计  47-48
  5.4 测量程序设计  48-49
    5.4.1 温度测量  48
    5.4.2 电压测量  48-49
  5.5 Kalman 滤波算法软件流程  49-51
  5.6 软件抗干扰设计  51-52
    5.6.1 系统上电自检  51
    5.6.2 指令冗余和设置软件陷阱  51-52
    5.6.3 软件看门狗  52
  5.7 本章小结  52-53
6 镍氢电池 SOC 估算  53-63
  6.1 电池模型  53-54
  6.2 影响镍氢蓄电池SOC 的主要因素  54-57
    6.2.1 电池能量与比能量  54-55
    6.2.2 镍氢电池的放电终止电压  55
    6.2.3 镍氢电池的电解液温度  55
    6.2.4 镍氢电池的气体压力  55-56
    6.2.5 镍氢电池的循环使用次数  56
    6.2.6 镍氢电池的恢复效应影响  56
    6.2.7 镍氢电池组的不均衡性影响  56-57
  6.3 SOC 估算方法  57-58
  6.4 Kalman 滤波法估算SOC_0  58-61
    6.4.1 Kalman 滤波算法  58-59
    6.4.2 Kalman 滤波放电仿真  59-60
    6.4.3 折算库仑效率  60-61
  6.5 评价SOC 估算的准确性  61-62
  6.6 本章小结  62-63
7 全文总结与展望  63-65
  7.1 全文总结  63
  7.2 工作展望  63-65
致谢  65-66
参考文献  66-69
附录  69
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  69

混合动力汽车MH/Ni电池管理系统设计与研究

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