岛际小型电动船舶的锂电池管理系统研究与设计

摘要

船舶污染已经成为我国继机动车尾气和工业排放之后的第三大大气污染来源。所以近年来，人们一直致力于研究以新能源为动力的绿色船舶，来替代传统的柴油机船舶。其中采用锂离子动力电池组供电的岛际小型电动船舶在行驶过程中无噪声、无排放，受到众多船舶制造厂商的高度关注。然而由于船舶负荷众多，工作时电压波动大，为了保障船舶动力电池的运行安全，在其工作过程中必须加以管理，因此研究电池管理系统(Battery Management System，简称BMS)对于推动电动船舶发展具有重要意义。　　论文通过对比电动汽车BMS和船舶BMS的应用现状与技术要点后，指出船舶BMS在剩余电量估算和均衡管理两项关键技术上提出了更高的要求。通过查阅大量文献，在现有的理论基础上提出了一种结合开路电压法和安时积分法并加入老化层度、充放电倍率和温度影响因素补偿的复合剩余电量估算方法以及一种电感电容联合的主动均衡方案，并对两者分别进行了仿真验证。然后在此基础上对船舶BMS进行了硬件和软件的设计，硬件上以STM32F103ZET6为主控芯片分别设计了电源电路、数据采集电路、CAN通信电路和信息存储电路;软件上采用模块化的编程方式，在KeilMDK的开发环境中编写了系统主程序和各个子程序的程序流程。　　基于上述工作内容，本文完成了BMS样机的制作，并通过实验对样机的数据采集功能和均衡功能进行了测试，测试结果均达到预期要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 锂电池管理系统概述

1．3 锂电池管理系统的研究现状

1．3．1 国外电动汽车BMS研究现状

1．3．2 国内电动汽车BMS研究现状

1．3．3 电动船舶BMS研究分析

1．4 本文主要研究内容与结构

第二章 磷酸铁锂电池性能分析及建模

2．1 常用动力电池介绍

2．2 磷酸铁锂电池性能分析

2．2．1 常见的锂离子电池介绍

2．2．2 磷酸铁锂电池内部结构

2．2．3 磷酸铁锂电池的优点和特性

2．3 磷酸铁锂电池的建模

2．3．1 Rint等效电路模型

2．3．2 Thevenin等效电路模型

2．3．3 PNGV等效电路模型

2．3．4 本文采用的双RC等效电路模型

2．4 本章小结

第三章 船舶锂电池的SOC估算

3．1 SOC概述

3．2 常用的SOC估算方法

3．2．1 开路电压法

3．2．2 安时积分法

3．2．3 内阻法

3．2．4 卡尔曼滤波法

3．2．5 神经网络法

3．3 本文采用的SOC估算方法

3．4 复合SOC估算的实现

3．4．1 SOC初值的确定

3．4．2 对估算结果的补偿

3．5 复合SOC估算方法的仿真验证

3．6 本章小结

第四章 船舶锂电池的均衡管理

4．1 电池均衡管理的意义

4．2 电池组均衡管理的现状

4．2．1 耗散型均衡方案

4．2．2 非耗散型均衡方案

4．3 本文采用的电感电容联合均衡方案

4．3．1 主电路结构

4．3．2 仿真验证

4．4 本章小结

第五章 船舶BMS的硬件设计

5．1 主控制板的设计

5．2 系统电源电路设计

5．3 电压采集电路设计

5．4 电流采集电路设计

5．5 温度采集电路设计

5．6 CAN通信模块电路设计

5．7 信息存储电路设计

5．8 本章小结

第六章 船舶BMS的软件实现

6．1 软件的开发环境概述

6．2 主程序软件设计

6．3 电压采集模块程序设计

6．4 电流采集模块程序设计

6．5 温度采集模块程序设计

6．6 均衡模块程序设计

6．7 剩余电量估算程序设计

6．8 CAN通信程序设计

6．9 信息存储程序设计

6．10 本章小节

第七章 系统测试

7．1 电压采集精度测试

7．2 电流采集精度测试

7．3 温度采集精度测试

7．4 均衡效果测试

7．5 本章小结

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果