基于锂二次电池的航空应急电源系统BMS设计

摘要

飞机发动机一旦发生停车事故，必须依靠应急电源系统对发动机进行再启动并维持机上电子设备正常运行，其对于飞机的安全运行十分重要。
　　目前航空应急电源系统主要采用铅酸、镉镍等蓄电池提供能量，而锂离子电池以其比能高、无记忆特性、循环寿命长等优点，近年来应用广泛，相比于铅酸、镉镍等蓄电池，其体积、质量更小，占用的空间、载重资源少，综合性能更加优秀，已经开始应用于航空应急电源系统。但锂电池若使用不当，会导致循环寿命降低甚至引发安全事故，必须配备电池管理系统进行监管，其中电池的均衡充电控制以及荷电状态（State of Charge，SOC）估计是电池管理系统的两大设计难点。
　　目前广泛使用的锂电池组被动均衡充电方式由于仅在充电末期进行均衡，均衡电流较大，易产生充电饱和后没完成均衡的现象而使个别电池过充，导致电池寿命降低。本文在原充电策略基础上做出改进，提出一种在充电初始阶段进行均衡的方法，根据电池充电过程中电压变化率预先判断各电池的SOC值大小关系并进行均衡，减小各电池SOC值的差异，从而保证在充电达到饱和前完成均衡。经实验验证，与原方法相比使用该方法后电池均可在充电饱和前完成均衡，验证了方法的有效性。
　　目前常用的基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)的锂电池SOC估计方法由于建模不准确而导致估计结果误差较大，严重影响到电池管理系统的性能及整机系统的控制。针对该问题，本文采用精度较高的Randles模型，并在拟合电池的OCV（开路电压）-SOC曲线时通过引入自然指数函数并增加多项式阶数等方法提高拟合精度。使用EKF对锂电池SOC进行估计，与理论结果相比模型改进后估计误差的标准差比改进前下降了64.43％。实验结果表明通过改进电池模型大大提高了基于EKF方法的锂电池SOC估计精度，对于提高电池管理系统以及整机系统性能具有重要意义。
　　最后对电池管理系统原理样机进行了设计及研制，样机可靠性高，安全性良好，进行了环境应力以及振动测试，测试结果满足航空使用要求，对于锂电池在航空领域的应用具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 航空应急电源系统的重要意义

1．3 航空应急电源系统的组成、发展及现状

1．4 BMS的重要意义及发展现状

1．5 本文的主要工作和组织结构

第2章 航空应急电源系统

2．1 引言

2．2 基于蓄电池的电源系统发展

2．3 锂电池概述

2．3．1 锂电池特性简介

2．3．2 锂电池工作原理

2．3．3 对锂电池特性影响的主要因素

2．4 基于锂二次电池的航空应急电源系统

2．4．1 航空应急电源系统整体结构

2．4．2 航空应急电源系统电池管理系统

2．5 本章小结

第3章 基于早期均衡策略的BMS均衡充电控制方法研究

3．1 引言

3．2 均衡充电方法发展现状

3．3 均衡充电控制系统模型

3．4 基于早期均衡策略的BMS均衡充电控制方法

3．5 实验

3．6 本章小结

第4章 基于EKF的锂电池组SOC估计方法

4．1 引言

4．2 蓄电池组SOC估计方法发展现状

4．3 锂电池系统建模

4．3．1 恒温恒流条件下锂电池组模型

4．3．2 温度对锂电池组模型的影响

4．3．3 放电倍率对锂电池组建模影响

4．4 基于EKF的锂电池组SOC估计方法

4．5 实验验证

4．6 本章小结

第5章 航空应急电源系统BMS软硬件设计

5．1 引言

5．2 航空应急电源系统BMS硬件设计

5．2．1 电源模块

5．2．2 采样模块

5．2．3 通讯模块

5．2．4 均衡管理模块

5．2．5 限流模块

5．2．6 处理器模块

5．2．7 加热模块

5．3 航空应急电源系统BMS软件设计

5．4 航空应急电源系统性能试验

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢