燃料电池汽车蓄电池管理系统算法及实现

摘要

高效和零排放的燃料电池混合动力汽车是人类“可持续移动”(Sustainable Mobility) 的理想解决方案。种类繁多的二次能源中，锂离子电池出色的能量和功率特性，使得我国自主开发的“超越”系列燃料电池汽车选用其作为辅助能源。本文的研究对象即是该车中的锂离子电池管理系统。锂离子电池单体间具有差异性，作为辅助能源的工况会加剧其电压差异。电压差异将导致部分电池过充或过放，降低电池使用效率，甚至损伤电池。为保障燃料电池汽车动力性、经济性和安全可靠性需要实时监控蓄电池状态。因此，整车的要求和锂离子电池的特性决定了蓄电池管理系统在燃料电池汽车中不可或缺。在燃料电池汽车锂离子电池管理系统的研究基础上，论文介绍了一套完整的燃料电池汽车锂离子电池管理系统的解决方案，并围绕该方案的软硬件实现展开。硬件是蓄电池管理系统实现的载体。根据燃料电池汽车对蓄电池组及管理系统的要求和锂离子电池特性对管理系统的要求，管理系统采用模块化分级式结构。管理系统与整车控制器之间和管理系统内部的数据交换均采用CAN总线来实现；管理系统具备高精度的快速采样功能，以实时监控蓄电池状态并为整车提供准确信息；管理系统具备平衡电路对单体锂离子电池进行电压均衡，以解决锂离子电池的电压一致性问题。同时，设计了监控电路，以提高平衡电路的可靠性和记录故障信息；管理系统具备电池内阻测量的功能，以评价电池寿命；蓄电池管理系统设计了时钟电路，以建立锂离子电池的长效研究和评估机制。当然各功能模块之间有相辅相成的关系。论文在对锂离子电池管理系统硬件实现方案整体介绍的同时，还对其中的若干关键技术作了说明。软件是锂离子电池管理系统实现的灵魂。而软件开发平台则是锂离子电池管理系统软件实现的保障。V 模式开发平台能够缩短蓄电池管理系统软件开发周期、提高开发质量、降低开发成本。V模式开发是在对系统建模和仿真的基础上，自动生成产品代码，并进行在线测试和标定的开发模式。蓄电池管理系统采用Simulink+Targetlink+CodeWarrior开发工具链进行管理系统的软件开发。该平台首先利用Matlab/Simul ink进行系统建模和仿真；然后利用Targetl ink将系统模型自动生成为功能模块的产品代码，同时进行软件仿真，验证代码准确性；随后，在 CodeWarrior 上进行功能模块代码和手工编写的硬件相关代码融合并将其下载到目标机。该工具链部分实现了V模式开发平台的功能。论文介绍的燃料电池汽车蓄电池管理系统功能较为完善，可靠性较好，已在“超越”系列燃料电池汽车的运行中得到了验证。但其与产品化的要求还有一段距离。文章最后围绕燃料电池汽车蓄电池管理系统的产品化进行了简要讨论。关键词：燃料电池汽车，锂离子电池，电池管理系统，嵌入式系统

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 动力蓄电池概述

1.1燃料电池汽车概述

1.2电池的几个基本概念

1.2.1电池电压

1.2.2电池的容量和比容量

1.2.3电池的功率和比功率

1.2.4电池的荷电状态

1.3动力电池常用类型及比较

1.3.1动力蓄电池常用类型简介

1.3.2动力蓄电池常用类型比较

1.4动力蓄电池常用模型简介

1.5小结

第2章 燃料电池汽车电池组设计及容量参数辨识

2.1燃料电池汽车用电池组的设计

2.1.1燃料电池混合动力汽车的动力系统结构

2.1.2燃料电池汽车电池功率分析

2.1.3燃料电池汽车电池能量分析

2.1.4燃料电池汽车电池电压分析

2.2锂离子电池容量的辨识

2.2.1锂离子电池容量的算法及问题

2.2.2开路电压与SOC的对应关系

2.2.3电池管理系统电池容量的辨识

2.2.4电池管理系统容量算法的闭环实现

2.2.5电池管理系统容量算法的开环实现

2.3小结

第3章 电池管理系统硬件实现

3.1电池管理系统硬件功能分析

3.1.1燃料电池汽车对管理系统的硬件要求

3.1.2电池特性对管理系统的硬件要求

3.1.3电池管理系统应具备的主要功能

3.2电池管理系统概述

3.2.1电池管理系统的模块化分级式结构

3.2.2 CECU的主要功能

3.2.3 LECU的主要功能

3.3电池管理系统内阻测量电路

3.3.1测量蓄电池内阻的意义

3.3.2内阻测量电路的原理

3.3.3内阻测量电路应用的关键问题

3.4电池管理系统高精度ADC的实现

3.4.1电池管理系统高精度ADC的意义

3.4.2 ∑△(Sigma-Delta)转换技术简介

3.4.3 ADS1210高精度AD芯片简介

3.5蓄电池管理系统平衡电路(EQU)的改进

3.5.1管理系统平衡电路概述

3.5.2平衡电路原理及其问题

3.5.3平衡电路的改进方案

3.6管理系统平衡电路的监控电路

3.6.1 PLD结构与原理简介

3.6.2硬件描述语言(HDL)简介

3.6.3管理系统平衡电路监控电路

3.7蓄电池管理系统时间电路描述

3.7.1蓄电池管理系统时间电路的意义

3.7.2时钟芯片DS1302简介

3.8小结

第4章 蓄电池管理系统软件平台建设

4.1蓄电池管理系统开发平台现状分析

4.1.1 C语言开发平台在管理系统中的应用及问题

4.1.2前后台系统在蓄电池管理系统中的应用及问题

4.1.3蓄电池管理系统软件开发平台建设的改进方案

4.2嵌入式操作系统在蓄电池管理系统中的应用

4.2.1嵌入式操作系统的基本概念及特点

4.2.2两种嵌入式操作系统的比较

4.2.3嵌入式操作系统的移植

4.3 V模式开发平台及在蓄电池管理系统中的应用

4.3.1 Matlab/Simlink简介

4.3.2 dSPACE DATA Dictionary Manager简介

4.3.3 ASAP规范在蓄电池管理系统中的应用

4.3.4 Targetlink2.0简介

4.3.5 V模式开发平台在蓄电池管理系统开发中的应用

4.4小结

第5章 总结与展望

5.1燃料电池汽车蓄电池管理系统研究总结

5.1.1模型、算法、参数辨识设计

5.1.2管理系统的硬件平台

5.1.3管理系统的软件平台

5.2燃料电池汽车蓄电池管理系统研究展望

致谢

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果