电动汽车磷酸铁锂动力电池系统集成及管理系统研究

摘要

随着石油资源的日益短缺以及排放污染的渐趋严重,电动汽车的发展正受到愈来愈广泛的关注。动力电池技术是电动汽车的关键技术之一,同时也是制约电动汽车产业化发展的瓶颈技术之一。主要体现在动力电池技术当前的发展不能充分满足电动汽车对动力电池系统的高密度低成本、高性能长寿命、高安全可靠性的要求。为满足这些车载使用要求,一方面需要加快动力蓄电池本体技术的进步,另一方面还需要建立一套高效稳定准确的车载电池管理系统。其中,高精度的车载蓄电系统信号处理、稳定可靠的强电安全诊断方法、高动态精度的蓄电系统关键参数在线辨识模型和准确可靠的车载蓄电故障诊断系统以及热管理系统,是电池管理系统能否适应车载使用要求的核心关键问题。本文根据国家973计划课题的相关研究内容,进行电动汽车动力电池系统集成及管理系统研究设计。基于大量的电池单体和电池组实验,建立了强大的电池性能数据库,为故障诊断、管理系统软件设计和标定等提供了依据；研究了电池组系统集成的关键技术,基于3D软件设计开发,节省成本；建立了实时准确可靠的电池采样系统、均衡系统；对比建立了基于电池等效电路模型及其参数辨识系统,并基于此提出了一种综合开路电压法、安时积分法和模型预测法的SOC联合估计算法,同时对电池的SOH和最大充放电功率的预测提出了研究模型并进行了仿真计算；分析了锂离子电池的生热机理,建立了电池的热模型,并基于Matlab/Simulink和Ansys软件进行热仿真,为电池系统的性能优化,提供了良好的理论支持。基于以上研究并结合上海世博会电动样车项目,本课题研制开发了一套功能齐全的BMS,该系统实现了对动力蓄电池性能参数的精确检测,包括模块电压、总电压、电流、温度、SOC、运行时间、蓄电池工作状况(上电、警告、错误、危险等)、蓄电池最大允许充电电流、最大允许放电电流等,具有丰富全面的故障诊断功能,当蓄电池出现异常情况时,该系统能及时可靠地发出故障信号,具有热量管理控制功能、稳定的抗干扰能力、多功能的监视界面以及全面迅速的通讯功能。文章的最后用大量的实验数据论证了该电池管理系统的可行性与有效性,并在硬件和软件上得以实现。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 概述

1.1 电动汽车

1.1.1 电动汽车的发展

1.1.2 电动汽车的特点及关键技术

1.2 电动汽车动力电池

1.2.1 电动汽车动力电池研究现状

1.2.2 电动汽车用动力电池面临的挑战

1.3 电池管理系统

1.3.1 电池管理系统国内外研究现状

1.3.2 电池管理系统面临的挑战

1.4 课题来源、意义及研究内容

1.4.1 课题来源及研究意义

1.4.2 课题研究完成工作

第二章 LiFePO_4 动力电池特性分析及系统集成

2.1 电动汽车用 LiFePO_4 动力电池性能试验研究

2.1.1 电动汽车用动力电池技术指标

2.1.2 LiFePO_4 动力电池

2.1.3 LiFePO_4 动力电池性能试验研究

2.2 LiFePO_4 动力电池系统集成设计

2.2.1 电池连接方式的设计与研究

2.2.2 电池组冷却方式的设计与研究

2.2.3 电池箱体的设计

2.3 电池管理系统总体设计

2.4 本章小结

第三章 电池管理系统均衡模块研究

3.1 电池管理系统硬件系统

3.1.1 硬件系统功能设计

3.1.2 BMS 开发流程

3.2 电池均衡系统

3.2.1 电池不一致性分析及分选技术

3.2.2 串联电池组电特性建模

3.2.3 均衡方法对比分析

3.2.4 复合均衡方式

3.3 本章小结

第四章 电池管理系统参数估计

4.1 电池管理系统关键参数

4.1.1 BMS 中一次量与二次量

4.1.2 BMS 参数估计模块

4.2 SOC 预测模块

4.2.1 总体 SOC 与单体 SOC

4.2.2 SOC 预测算法

4.2.3 电池等效电路模型及参数辨识

4.2.4 SOC 联合预测算法研究

4.3 SOH 预测模块

4.3.1 加速寿命实验

4.3.2 SOH 预估模型

4.3.3 本文 SOH 预估模型

4.4 最大充放电功率预测模块

4.5 本章小结

第五章 电动汽车动力电池热管理系统研究

5.1 LiFePO_4 电池发热机理及热模型的建立

5.1.1 电池热源模型

5.1.2 电池热源和外界的传热模型

5.2 LiFePO_4 电池热力学参数

5.3 基于 Matlab/Simulink 的热模型仿真

5.3.1 Matlab/simulink 电池模型

5.3.2 实验验证及分析

5.4 电池单体及电池组有限元建模及仿真

5.4.1 单体电池有限元模型

5.4.2 电池组有限元模型

5.4.3 电池组冷却方式研究

5.5 本章小结

第六章 实验研究及应用

6.1 系统集成

6.1.1 电池组及管理系统集成

6.1.2 实验仪器

6.1.3 BMS 监测界面的开发

6.2 电池管理系统信号测量精度试验

6.2.1 电压测量精度试验

6.2.2 电流测量精度试验

6.2.3 温度测量精度试验

6.3 BMS 模块功能测试试验

6.3.1 SOC 模块测试

6.3.2 SOH 模块测试

6.3.3 均衡模块测试

6.3.4 热管理功能模块测试

6.3.5 最大充放电功率实验

6.4 电池管理系统项目应用研究

6.4.1 电压测试实验

6.4.2 均衡试验

6.4.3 循环工况下 BMS 参数监测

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

附录一：电动汽车电池管理系统实物图

致谢