太阳能电动车电池管理系统研究

【摘要】：汽车工业的长足发展在给社会带来经济效益的同时也带来了一些新的问题：能源危机与环境污染。为了解决这两个问题，人们在寻找新的可再生、清洁能源的是同时，着手研发基于新能源的汽车，太阳能电动车便是其中的典范，其将光伏技术与电力驱动技术集于一身，以太阳能作为辅助能源供给，在节能的同时，做到零排放。但是，如何提高能量效率、延长电池寿命仍是亟待解决的问题。因此电池管理系统的研究至关重要。 本文的研究基于吉林省科技发展项目“微流控太阳能电动车”，项目旨在开发一台具有微流控散热系统的太阳能电动车，其主要动力源为铅酸电池，光伏电池作为辅助能源，起到给铅酸电池补充电量的作用。本文主要的研究目的是开发适用于该太阳能电动车的电池管理系统。 论文首先阐述了铅酸电池与光伏电池的工作原理及工作特性。其中，铅酸电池的放电特性表现在电压特性和容量特性两方面，而对其充电特性研究主要是基于最小析气量准则分析最佳的充电策略与充电电流。此外，从铅酸电池工作原理出发分析了铅酸电池的失效机理，从而为系统开发中控制策略的提出与光伏充电模块的设计提供理论依据。光伏电池特性方面主要分析了其输出功率特性以及I-V特性进行，为以后最大功率跟踪算法提供理论基础。 其次进行了系统总体设计，在明确了管理系统拟实现的功能以后，给出了系统整体的硬件框架以及总体控制流程。并针对管理系统中的关键技术进行了单独讨论，包括铅酸电池SOC估计算法、光伏充电策略以及最大功率跟踪。 SOC估计算法方面：论文在分析了现有算法的优缺点之后提出了基于卡尔曼滤波的新估计算法。首先建立了适用于扩展卡尔曼滤波算法的铅酸电池数学模型，为了获取模型中的经验公式参数，我们进行了电池充放电循环试验，通过处理实验数据获取了模型参数。接着基于上述数学模型推导出了扩展卡尔曼滤波（EKF）在SOC估计中应用的迭代公式。为了证明其适用性及准确性，我们对所设计的算法进行了计算机仿真，仿真中所用的电流、电压数据均来自于充放电试验，最后将仿真结果与实验结果进行了对比，结果表明该算法SOC估计的误差在2%上下浮动。在此基础上为了进一步减小估计误差，我们又尝试了理论精确度更高的无味卡尔曼滤波算法（UKF），同样进行了公式推导以及计算机仿真，仿真过程数据与EKF相同。结果表明其精度要略高于扩展卡尔曼滤波算法。 光伏充电策略方面，首先分析了现有充电方案的优缺点，并在现在常用的三阶段充电法的基础上作了改进，提出了新的充电策略，充电过程中尽可能的结合最大功率跟踪算法，以提高光伏系统能量效率。这里所用的最大功率跟踪算法为电导增量法，该算法通过比较当前电导值与电导变化量来确定工作点移动方向，算法稳定性好，且算法计算量少。 再次，阐述了管理系统软硬件的开发过程，对系统中各功能模块的原理及硬件实现作了详细介绍，系统选用AVR系列的ATmega16作为核心单片机，主要涉及的硬件模块包括：单片机外围电路、测量电路、光伏充电电路等。 最后，对太阳能电动车样车的改装过程作了简单介绍，并进行了车辆性能试验，实验过程中，考察电池管理系统的工作情况，包括运行阶段工作情况以及充电阶段工作情况。试验结果表明所设计电池管理系统可较好的完成运行状态监控以及光伏充电的控制。 【关键词】：太阳能电动车 电池管理系统 光伏电池 剩余电量 光伏充电策略
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-22
• 1.1 电动汽车发展现状14-16
• 1.2 电池管理系统的重要性16-17
• 1.3 电池管理系统发展现状17-20
• 1.3.1 国外电池管理系统研究现状17-19
• 1.3.2 国内电池管理系统研究现状19-20
• 1.4 课题来源和研究内容20-21
• 1.4.1 课题来源20-21
• 1.4.2 主要研究内容21
• 1.5 本章小结21-22
• 第2章 铅酸电池及光伏电池工作特点22-30
• 2.1 系统充放电相关的基本概念22-23
• 2.2 铅酸电池工作特性23-26
• 2.2.1 铅酸电池工作原理23-24
• 2.2.2 铅酸电池充放电特性24-25
• 2.2.3 铅酸电池失效机理25-26
• 2.3 光伏电池工作特性26-28
• 2.3.1 光伏电池原理26-27
• 2.3.2 光伏电池工作特性27-28
• 2.4 本章小节28-30
• 第3章 系统总体方案设计30-36
• 3.1 总体控制方案30-31
• 3.2 总体硬件结构31-34
• 3.2.1 测量模块总体设计32-33
• 3.2.2 光伏充电模块33-34
• 3.3 本章小结34-36
• 第4章 铅酸电池 SOC 估计算法36-64
• 4.1 影响铅酸电池 SOC 的因素36-37
• 4.1.1 放电率36-37
• 4.1.2 温度37
• 4.1.3 电池老化37
• 4.2 常用的 SOC 估计算法37-40
• 4.2.1 内阻检测法37-38
• 4.2.2 开路电压检测法38
• 4.2.3 安培积分法38-40
• 4.3 基于自适应扩展卡尔曼滤波算法的 SOC 估计40-47
• 4.3.1 卡尔曼滤波算法40-42
• 4.3.2 电池模型42-43
• 4.3.3 算法流程43-47
• 4.4 铅酸电池充放电试验47-55
• 4.4.1 测试方案设计48-49
• 4.4.2 实验过程及结果49-52
• 4.4.3 数据处理52-55
• 4.5 自适应扩展卡尔曼滤波算法 Matlab 仿真55-57
• 4.6 扩展卡尔曼滤波算法的改进57-63
• 4.6.1 无味卡尔曼滤波算法58-60
• 4.6.2 Matlab 仿真及结果60-63
• 4.7 本章小结63-64
• 第5章 光伏系统控制策略研究64-78
• 5.1 充电控制电路原理64-66
• 5.2 铅酸电池常用充电模式66-69
• 5.2.1 恒流充电方法（Constant Current Charging）66-67
• 5.2.2 恒压充电方法（Constant Voltage Charging）67-68
• 5.2.3 浮充电（Floating charging）68
• 5.2.4 阶段性充电法68-69
• 5.3 光伏充电策略69-72
• 5.4 最大功率跟踪的实现72-76
• 5.4.1 现有算法72-73
• 5.4.2 电导增量法73-76
• 5.5 本章小结76-78
• 第6章 电池管理系统软硬件实现78-96
• 6.1 ATmega16 芯片概述78
• 6.2 ATmega16 外围电路78-83
• 6.2.1 供电电路79-80
• 6.2.2 复位及晶振电路80-81
• 6.2.3 JTAG 接口电路81-82
• 6.2.4 外部 E2PROM 接口82-83
• 6.3 测量模块硬件电路83-89
• 6.3.1 单电池端电压测量83-84
• 6.3.2 电流测量84-86
• 6.3.3 温度测量电路86-89
• 6.4 显示系统89-90
• 6.5 串口通信90
• 6.6 光伏充电电路90-93
• 6.6.1 DC/DC 降压电路参数设计91-92
• 6.6.2 PWM 驱动电路92-93
• 6.7 主程序流程93-94
• 6.8 本章小结94-96
• 第7章 装车试验及结果96-104
• 7.1 太阳能电动车改装96-99
• 7.1.1 改装设计要求96-97
• 7.1.2 改装过程97-99
• 7.2 太阳能电动车性能检测99-102
• 7.2.1 车辆运行性能测试99-101
• 7.2.2 车辆光伏充电测试101-102
• 7.3 本章小结102-104
• 第8章 总结与展望104-106
• 8.1 论文总结104-105
• 8.2 展望105-106
• 参考文献106-112
• 作者简介及在学期间科研成果112-114
• 致谢114

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

混合动力电动汽车技术发展与现状    何洪文,祝嘉光,李剑

电动自行车用蓄电池的充电方式对电池性能的影响    吴敬民

汽车动力铅酸电池的充放电特性及均衡管理技术的研究    刘春梅;朱世宁;

深循环用阀控铅酸蓄电池的失效机理    毛贤仙,朱品才,朱瑶玲,胡信国

电动车,电动车用电源及其发展战略    雷惊雷,张占军,吴立人,潘国宏,黄少卿,杨迈之,蔡生民

电动车用蓄电池充电技术的进展    郭亮

太阳能电动车最大功率点跟踪器的设计    赵剑飞,曹秉刚,康龙云,张政

具有恒压跟踪功能的新型太阳能充电器的研究与设计    刘翔;郑诗程;苏建徽;余世杰;沈玉樑;

光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究    雷元超,陈春根,沈骏,黄跃杰,陈国呈

电动汽车用铅酸电池放电特性的研究    陈全世,林拥军,张东民

电动汽车用电池管理系统的研制    冯华

基于太阳能电动车充电控制系统的研究    赵慧

混合动力汽车分类及特点    张忠伟;

混合动力汽车研究现状和发展趋势    鲍辰宇;冯旭云;

混合动力电动汽车用电机及驱动控制器的电磁兼容设计    韩利;温旭辉;曾莉莉;

水平铅酸电池的实验研究与性能分析    何士娟,张承宁,彭连云,孙逢春,谭建

混合动力电动汽车技术发展与现状    何洪文,祝嘉光,李剑

电驱动车辆双电机协调控制研究    李巍,张承宁

车用锂离子电池充放电性能及应用研究    魏跃远,林逸,林程,王震坡,何洪文

电动汽车续驶里程能量计算和影响因素分析    徐贵宝,王震坡,张承宁

双电机独立驱动履带车辆直驶稳定控制研究    孙红要;张承宁;曹磊;

BFC6100-EV电动大客车动力传动系统参数设计    李军求,孙逢春,张承宁,李红林,何洪文

微机应用于布光控制的设计    乐晋红;申紫娟;王国辉;刘春林;

电动自行车用电池和燃料电池现状    张文保;

关于“电动自行车和电池"的几点思考    王金良;孟良荣;

电动汽车结构布置及设计    赵云;

电动车与可持续发展的交通环境    冯辉荣;丁艺;

串联式混合动力公交车的设计与仿真    王平;孙骏;

CA6100SH8并联混合动力客车工作模式与功率分配研究    赵子亮;李骏;刘明辉;刘东秦;刘吉顺;

理想制动力分配再生制动控制策略研究    崔胜民;张京明;宋宝玉;孙刚;

基于DSP的车用开关磁阻起动/发电机控制系统    赵德安;茅靖峰;施凯;

基于Mega16的蓄电池状态检测系统    王治国;高玉峰;郭云鹏;

光伏发电系统及其控制的研究    郑诗程

混合动力汽车控制策略与动力电池系统的研究    李国洪

电化学电容器及锂离子电池正极材料的研究    黄小文

二氧化锰电化学电容器的研究    耿新

独立光伏系统中蓄电池管理的研究    欧阳名三

锂离子电池正极材料的合成与性能及电池制作技术研究    彭文杰

动力型贮氢合金的制备研究及其热电化学评价    刘开宇

电动汽车建模与仿真的研究    张翔

空气动力发动机的探索性研究    刘昊

混合动力客车整车控制策略及总成参数匹配研究    刘明辉

铅酸蓄电池容量光纤在线智能传感器研究    陈艳

电动车电池组串联充电分流均衡控制实验研究    王吉华

基于太阳能电动车充电控制系统的研究    赵慧

XL2000轻度混合动力轿车动力总成系统控制策略研究    宋小武

混合动力车用镍氢电池的研究    曾佳

并联混合动力汽车AMT无离合器操作换档过程的研究    欧阳瑞璟

并联混合动力汽车发动机转矩估计的研究    胡立群

混合电动汽车能源总成控制器及驱动电机的矢量控制研究    陈正龙

基于电机/电池高效工作的HEV再生制动系统仿真研究    林志煌

混合动力电动汽车驱动系统控制策略研究    李明泽

DC/DC变换器的滑模变结构控制    杨志洵,侯振程,于相旭

Boost-Buck型DC/DC变换器的滑模控制    张兴,鞠建永,张崇巍

基于变结构理论的DC-DC功率变换器建模    杨苹,吴捷,刘明建

太阳能电池研究进展    梁宗存,沈辉,李戬洪

太阳能电动车最大功率点跟踪器的设计    赵剑飞,曹秉刚,康龙云,张政

电动车用铅蓄电池的快速充电    桂长清

VRLA蓄电池变电流间歇快速充电方法    陈体衔,甄春花

电动车用阀控铅蓄电池的寿命考核    桂长清

电动自行车用蓄电池的充电方式对电池性能的影响    吴敬民

汽车免维护蓄电池充电接受能力的分析    柴树松

光伏水泵系统及其控制的研究    苏建徽

离网型风力发电机组的控制技术研究    齐发

电池SOC估算策略研究    李贵海

电动汽车用电池管理系统的研究    刘晓康;詹琼华;何葵;舒月洪;

判断电动车电池放电终止状态的新标准    韩晓东,傅春江,杜宇,陈全世

无轨电车锂电池组充电策略设计    张金灵;张维戈;姜久春;时玮;

ISAD混合动力汽车蓄电池SOC估算方法的研究    郑荣良;刘贵涛;

基于CAN总线的分布式动力电池管理系统    吴友宇,尹叶丹

基于DS2770和CPLD的智能多电池管理系统    杨巍巍;曾奕;江秀臣;

基于单片机的动力电池管理系统的硬件设计    李练兵;梁浩;刘炳山;

锰酸锂正极锂离子二次电池纯电动汽车的研制    毛永志;其鲁;吴明;菅刚;安平;娄述德;

基于XC164CS单片机的混合动力汽车电池管理系统硬件设计    吴志红;吴庚泽;朱元;魏学哲;王佳元;

基于CCP协议的电池管理系统标定模块的设计    闫丽媛;

基于主动均衡技术的电动汽车电池管理系统    傅尧;潘博;郑百祥;

铅酸电池行业的低碳材料与技术研究    方瑜;舒月红;陈红雨;

超级电池技术的产业化开发    林海波;王百顺;孙大强;

基于现场总线技术的轻型电动车电池管理系统的设计    肖秀玲;

简易铅酸电池充放电保护电路的设计    李鹏;刘珊珊;杨涛;顾军;张智宏;

高比能量混合超级电容研究    高立军;余能飞;

混合动力轿车用集中式锂离子动力电池管理系统设计    张华辉;夏保佳;齐铂金;廖瑾瑜;

基于温度的Peukert方程在电池管理系统中的应用    武国良;朱春波;陈清泉;

低成本、高性能电动车电池管理系统的研究    肖秀玲;王贵明;

新型36/42V汽车系统高功率电池    张胜永;罗锡均;

铅酸电池面临生死劫    本报记者 杨晓音

铅酸电池产业链乱象    沙永康

铅酸电池业将设行业准入门槛    早报记者 官平 实习生 胡飞军 （官平 主持人）

废铅酸电池回收歪门邪道太多    顾定槐

铅酸电池遭受“内忧外患”挤压    本报记者　 刘峰

上海规范废铅酸电池流向    记者 宋鹏霞

1/4废铅酸电池有望进入“循环圈”    宋鹏霞

铅酸电池可重复使用500次    记者　李纬娜

铅酸蓄电池循环技术通过评审    兰军

再利用技术获得突破 铅酸电池进入循环经济    兰军

铅酸电池失效模式与修复的电化学研究    张波

混合动力电动代步车关键技术的研究    李正明

动力电池组SOC估算及均衡控制方法研究    张金龙

铅酸电池用沥青基炭泡沫集流体的制备及应用研究    陈亚

混合动力车用双极性镍氢电池及电池组管理系统的研究    邓超

混合动力轿车高压电及整车碰撞安全性研究    陆勇

锂离子电池组管理系统研究    蒋新华

铅、镍、铝、锌和铜电极改性的研究    张胜涛

电动汽车用镍氢电池剩余电量估计方法研究    武国良

矿井局部风机供电可靠性保障系统的研究    杨春稳

便携式仪表电池管理系统研究    曹志鹏

电动汽车电池管理系统研究    冯勇

基于ARM9的蓄电池管理系统的研究    陈贵峰

基于DSP的电动汽车电池管理系统    唐斌

太阳能电动车电池管理系统研究    张明

微型纯电动汽车电池管理系统的设计与研究    王泽京

混合动力汽车MH/Ni电池管理系统设计与研究    王江平

微型纯电动汽车电池管理系统的设计    李娜

基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的研究    杨朔

混合动力电动汽车电池管理系统的可靠性分析与设计    杨勇