车辆低温启动锂电池管理系统研究

摘要

车辆启动时，需要起动机提供足够的功率来达到发动机启动所需的扭矩和转速。而蓄电池作为起动机的动力来源，其性能决定了起动机所能输出的最大功率。传统的蓄电池（如铅蓄、镍镉等），在低温环境下，其电解液的传输性能会随着温度的降低而变差，其容量和输出功率大幅衰减，不能提供车辆正常启动所需的输出功率，导致车辆启动困难。另一方面，传统蓄电池含有铅、镉等重金属，若处理不当，容易造成环境污染。目前，锂电池以单体电压大、能量密度高、自放电率小、循环寿命长、使用温度范围宽、无污染等优势备受关注。特别是随着低温锂电池技术的不断发展，锂电池的低温性能得到了极大的改善，锂电池代替传统蓄电池是未来的发展趋势。但由于锂电池的生产工艺及自身特性，锂电池仍然存在单体性能不一致、安全隐患等问题，因此亟需有效的锂电池管理系统对其进行管理，以保障锂电池能够可靠安全的工作。
　　针对上述需求，设计了一种基于CAN和LIN总线的分布式锂电池管理系统。该系统能够实时监测锂电池的参数，预测锂电池的剩余容量以及健康状况，并根据电池状态，采取均衡、切断回路等措施保护电池，延长整个电池组的使用寿命;针对特殊的低温使用环境，采用专门的放电策略，改善锂电池的低温性能，以满足车辆低温启动的需求。研究车辆低温启动锂电池管理系统具有一定的理论研究和工程应用价值。论文的研究工作主要包括以下内容:
　　1)总结国内外锂电池管理系统的研究现状及其特点，分析磷酸铁锂电池的工作原理以及低温影响锂电池性能的原因，并将锂电池和其他常用传统蓄电池进行比较，分析锂电池的优缺点。
　　2)研究基于Thevenin电路模型的SOC和SOH估算算法。利用变长度滑窗最小二乘法对所建立的电路模型进行参数辨识，设计系统改变检测策略以及滑模观测器来估算锂电池的状态变量OCV，并根据锂电池OCV-SOC曲线，估算电池SOC;利用计算出的SOC，并结合当前充放电倍率下的不可用容量，估算电池的的最大可用容量，从而得到电池的SOH值。
　　3)研究基于CAN和LIN总线的分布式电池管理系统架构设计，既避免过多占用车辆CAN总线资源，又方便于锂电池管理系统的扩展。论文详细阐述了锂电池管理系统的软硬件设计细节。硬件设计包括基于MM9Z1J638芯片的主控模块设计、通信模块设计、保护控制模块设计等。软件设计包括上下位机软件设计。上位机软件通过Delphi编程实现锂电池参数监测及存储、SOC\SOH估算等功能。下位机软件通过CodeWarrior对MM9Z1J638进行编程和在线调试，实现锂电池的参数采集、保护、均衡、通信等功能，达到有效管锂电池组的目的。
　　4)结合锂电池在低温环境下的性能特点，研究启动锂电池低温涓流预放电策略，并通过实验验证该策略的可行性;同时通过一系列实验，验证所设计的锂电池管理系统的功能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 电池管理系统国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究内容及章节安排

1．4 本章小结

第二章 锂电池特性研究

2．1 锂电池概述

2．1．1 锂电池工作原理

2．1．2 锂电池的主要技术参数

2．1．3 锂电池性能影响的主要因素

2．2 低温环境对启动锂电池的影响

2．3 锂电池与其他种类蓄电池比较

2．4 本章小节

第三章 锂电池状态估计算法

3．1 SOC及SOH估算方法分析

3．2 锂电池Thevenin电路模型

3．3 基于滑模观测器的SOC估算方法

3．3．1 系统可观测分析

3．3．2 滑模观测器设计

3．4 锂电池模型参数辨识

3．4．1 递推最小二乘法和滑窗最小二乘法

3．4．2 变长度滑窗最小二乘法

3．5 基于最大可用容量的锂电池SOH估算方法

3．6 本章小结

第四章 锂电池管理系统设计

4．1 锂电池管理系统功能及整体设计

4．1．1 系统功能分析

4．1．2 基于CAN和LIN总线的分布式电池管理系统结构

4．2 系统硬件设计

4．2．1 硬件整体设计

4．2．2 电池管理系统各个模块硬件设计

4．3 系统软件设计

4．3．1 软件整体设计

4．3．2 下位机软件设计

4．3．3 上位机软件设计

4．4 本章小结

第五章 锂电池低温涓流预放电策略研究

5．1 低温对发动机启动的影响

5．2 低温启动对锂电池的要求

5．3 锂电池低温涓流预放电策略研究

5．4 本章小结

第六章 锂电池管理系统测试实验

6．1 锂电池测试平台搭建

6．2 锂电池管理系统测试实验

6．2．1 系统基本功能测试

6．2．2 锂电池低温放电实验

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 课题总结

7．2 展望

致谢

参考文献