毕业论文纯电动汽车电源管理系统设计Word文档格式.doc
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电动车成为世界各国著名汽车制造商的开发热点。
电动汽车技术在各国政府以及各大汽车公司的推动下得到了迅速发展。
1991年美国能源部与三大汽车公司(戴姆勒—克菜斯勒、福特、通用)共同成立的先进电池联合体UNITEDSTATESADVANCEDBATTERYCONSORTIUM(USABC),致力于研究和发展先进的电动车能源系统,建立了专门从事电池及管理系统的测试、试验等研究的实验室和研究机构。
之后,全世界汽车制造厂家纷纷开发并推广使用电动车。
于是由于电动车的蓬勃发展和其远大的前景,促进了电池及其管理技术的发展,世界各大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电池。
在电动汽车发展的同时,电池管理技术也取得了长足的进步。
日本青森工业研究中心从1997年开始至今,仍在持续进行电池管理系统(BMS)实际应用的研究;
美国Villanova大学和USNanocorp公司已经合作多年对各种类型的电池SOC进行基于模糊逻辑的预测;
丰田、本田以及通用汽车公司等都把BMS纳入技术开发的重点。
对于我国来说,电动汽车的研发还是赶超世界汽车强国的唯一出路。
国际电动车辆技术当前的发展状况主要表现为:
纯电动车辆技术日臻成熟,在特定区域推广应用,等待发展机遇;
混合动力汽车技术渐趋完善,进入商业化推广阶段;
燃料电池汽车技术处于新的突破前期,正在成为新的研发热点。
经过“八五"
、“九五"
和“十五”的技术公关,我国在电动汽车整车及零部件也取得了显著进展,同时对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入的研究开发,在BMS方面取得很大的突破,与国外水平也较为接近,研制产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用,部分关键技术已处于国际领先水平。
但电池管理技术还并不成熟,电动汽车的发展及产业化,对动力蓄电池管理系
统将具有巨大的市场需求,同时技术上也将提出更高的要求【1】【2】。
为了改善电动汽车的动力性和能量利用率,动力蓄电池的电压越来越高,由原来的几十伏上升到现在的几百伏,所以需要配备专门的系统来管理高压系统的安全。
根据电动车辆的实际结构和电路特性,本文设计了可以实现对电动汽车电池高压系统的安全管理【3】【4】。
第二章 电动汽车电源管理系统国内外现状
汽车是人们生活的重要交通工具,随着人们生活水平的提高,越来越多的人开始购买汽车。
但是,汽车的大量使用带来了能源消耗,资源短缺,环境污染等一系列问题,这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的的环保车。
而电动汽车是以电能为能源,通过电动机将电能转化为机械能,这完全符合研制零污染汽车的理念。
因此,电动汽车作为解决资源短缺,环境污染等问题的重要途径,得到了快速发展。
自进入新世纪以来,节能环保成了当前当前能源环保问题的一大焦点,各个国家对节能和环保问题都很重视,不信投入大量资金和精力用于科研开发上,其中电动汽车就是很多国家重点研究开发的对象,因为当前越来越多的家庭都有了自己的电动汽车,而且私家车的数目还在不断增加,虽然给人们很多交通上的便利,但是却消耗掉了全世界每年石油产量的一半以上,这么多是由燃烧后排放出去的气体对环境来说也是一个巨大的负担,空气污染,酸雨都与这有着直接的联系,而且加剧了能源的紧张,导致油价上涨等等一系列问题,尤其是最近几年在我国有些地方出现了柴油、汽油紧缺的现象。
电动汽车是解决这一系列难题的一个好的出路,它有这么三大突出的优点,第一,电动汽车利用的电能,电能来源广泛,有火力发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电、地热发电等发电方式;
第二,电动汽车对环境的污染非常小,噪音小,非常的环保;
第三电动汽车的能源利用率高,正符合国家节能环保的政策。
目前电动汽车主要有三种类型:
纯电动汽车,它是以蓄电池的电能作为汽车的动力;
混合动力电动汽车,它是发动机和电力传动并存的电动汽车,两者可以互相补充,是发动机汽车到电动汽车的过度型;
燃料电池汽车,它是以燃料电池作为动力来源的。
当然电动汽车的发展还存在许多问题,主要是动力电池和高效率的充电问题,电池管理系统是很重要的一个研究反方向【5】。
2.1国内外发展概况
目前世界各国都在大力研制电动汽车。
下面介绍几种典型的电池管理系统。
(1)德国柏林大学研制的电池管理系统
系统包括:
显示模块、速度调节模块、温度调节模块、上位机诊断模块,还有为电池模块配备的平衡器。
总体控制方案中,采用CAN总线模式,微处理单元采用西门子公司的Microcontroller80C167CR。
该电池管理系统是目前国际上功能比较全、技术含量比较高的电动汽车用电池管理系统,其主要功能主要包括防止电池过放充电、电池组热管理、基于模糊专家系统的剩余电量估计、用神经元网络辨识电池。
(2)韩国大宇公司DEV5-5电动汽车用电池管理系统
该电池管理系统的主要功能有:
数据采集、优化充电、SOC估计与显示、安全管理、能量管理、电池管理和故障诊断功能。
电池管理系统有电池控制单元(BCU)、主充电器、辅助充电器、热管理系统、SOC计算、电池报警系统、模块传感器装置和安全模块构成,其中BCU发挥核心功能。
BCU实时监测电池工作状态,向各子程序系统发送正确的指令以使动力电池正常工作。
(3)北京交通大学研制的电池管理系统
这个电池和管理系统是在国家“863”计划支持下由北京交通大学完成的用于动力镍氢蓄电池监测及管理的系统装置,在2002年12月科技部验收了这个电池管理系统项目。
系统装置可以监控电池的运行状态、估量电池的剩余电量、对使用过程中出现的故障进行早期的诊断和充电。
2.1.1电动汽车用蓄电池
根据汽车的使用特点,其实用的动力电池一般应具有比能量高、比功率大、自放电少、工作温度范围宽、能快速充电、使用寿命长和安全可靠等特点。
前景比较好的是镍氢蓄电池,铅酸蓄电池,锂离子电池,
2.1.2电池管理系统(BMS)
电池能量管理系统是保持动力电源系统正常应用、保证电动车安全和提高电池寿命的一种关键技术,它能保护电池的性能,预防个别电池早期损坏,利于电动车的运行,具有保护和警告功能。
电动汽车的充电、运行等功能与电池相关参数协调工作是通过对电池箱内电池模块的监控工作来实现的,它的功能有计算并发出指令,执行指令,提出警告。
电池能量管理系统主要包括:
电池状态估计、数据采集、热管理、安全管理、能量管理和通信功能【7】【8】。
(1)数据采集电池管理系统的所有算法、电动车的能量控制策略等都是以采集的数据作为输入,影响电池能量管理系统性能的重要指标是采样速率、精度和前置滤波特性。
(2)电池状态估计 电池状态估算包括SOC和SOH,是电动汽车进行控制和功率匹配的重要依据。
在行车过程中系统可以随时计算车辆能耗给出SOC值,供能源管理系统进行功率配置和确定控制策略,使驾驶员知道车辆的续驶里程,及时作出决定到充电地点充电防止半路抛锚,SOH告诉驾驶员电池的寿命。
(3)能量管理 在能量管理中,电压、温度、电流、SOC、SOH等作为输入完成这些功能,控制充电过程,用SOC,SOH和温度限制电源系统输入、输出功率。
(4)安全管理具体功能是监视电池电压、电流、温度是不是越过正常范围;
防止单体电池过充。
(5)热量管理电池的热量管理对于大功率放电和高温条件下使用的电池非常关键。
热量管理的目的是使电池单体温度平衡并保持在一定的范围内,使高温电池降温,使低温电池温度升高。
(6)通信功能电池管理系统与车载设备设备的通信是BMS的重要功能之一,根据实际的应用需要,可以采用不同的通信接口进行数据交换,如:
PWM信号、模拟信号、CAN总线或I²
C串行接口CAN总线是一种可考虑高、通信速率高的现场总线。
(7)人机接口设置显示和控制按键、旋钮等来输入指令给BMS。
(8)保证充电功能电池能量管理系统实时检测电池的工作状态,特别是对煤质电池的工作状态进行监测分析,将监测的数据在充电前通知充电机即车与机的对话,告诉充电机电池组的工作状态和每只电池的技术状态,“落后”电池和“先进”电池的性能差异。
系统计算此时充电机应当采取何种充电方式给电池充电才能达到给点吃充足,性能好的电池不能过充,而性能差的电池又能充足,保证整车能量的供应。
(9)故障诊断功能能够与车辆检测仪器进行通信等,诊断系统故障,方便车辆的维修。
在电动车动力系统中,电池监控主要指的是被动的监测和评估电池的状态,但是电池管理包括处理数据并且预测电池将来的表现,甚至是主动干预和控制电池的充放电电流和电压,控制充电条件和电池工作温度等。
整车的能量管理是指动力系统中为满足驾驶员期望工况而进行的功率和能量的平衡,要完成这个任务电池管理系统要进行系统设计,算法设计,硬件、软件设计,应用与实验验证等。
管理系统(BMS)主要有以下几部分组成:
数据采集单元(采集模块)、中央处理单元(主控模块)、显示单元、均衡单元检测部件(电流传感器、电压传感器、温度传感器、漏电检测)、控制部件(熔断装置、继电器)等组成。
中央处理单元由高压控制回路、主控板等组成,数据采集单元有温度采集模块、电压采集模块等组成,大部分将均衡模块与检测模块设计在一起,显示单元由显示板、液晶屏、键盘及上位机组成。
一般采用CAN现场总线技术实现相互间的信息通讯。
BMS的主要工作原理可简单归纳为:
首先数据采集电路采集电池状态数据,再由电子控制单元进行数据处理和分析,再根据分析结果对系统内的相关功能模块发出控制指令,向外界传递信息。
第三章电池管理系统的设计
3.1电池管理系统开发目标
电池组的管理包括对电池充放电时的电流、电压、放电深度、再生制动反馈的电流、电池组的自放电率、电池的温度等进行控制。
因为个别电池性能变化后,影响到整个电池组的性能,所以需要用电池管理系统对整个电池组和电池组每个个别电池进行监控,保持各个电池间的一致性。
3.1.1技术指标
电池管理系统技术指标和要求见下表所示:
编号
项目
参数和要求
1.
电池类型
磷酸铁锂离子电池
2.
布置方式
分布式
3.
电压采样通道
>
100S
4.
从板数量
≤4
5.
预充电时间
﹤1S
6.
单体电池电压检测范围
0~5V
7.
单体电池电压采样精度
±
10mV(2-5V)
8.
单体电池电压采样频率
<
30mS
9.
总电压测量范围
50V—600V
10.
电压采样周期
200mS
11.
总电压检测精度
0.5%FSR
12.
温度测量范围
-40~120℃
13.
温度检测精度
±
1℃
14.
电流测量范围
-300A~+300A
15.
电流采样周期
0.25mS
16.
电流检测精度
1%FSR
17.
电流零漂值
0.2A
18.
SOC估算精度
8%
19.
SOH估算精度
4%
20.
外部CAN通道
2个
21.
均衡功能
无
22.
BMS工作温度范围
-25℃~85℃
23.
BMS工作电压范围
8V~18V
24.
BMS控制板功耗
≤4W
3.1.2功能要求
(1)数据采集
定时采集电池组电压、动力母线电压、电池单体电压、动力母线电流、电池箱体各测试点温度、电池组冷却风道进风、出风口温度以及电池组正负极绝缘电阻,作为系统控制的参数依据。
(2)电池SOC计算
SOC告诉驾驶员电池组剩余多少电量,还可以行驶多少里程;
(3)电池SOH计算
SOH告诉驾驶员电池组当前的健康状态及使用寿命。
(4)电池组热管理
对于大功率放电和高温条件下使用的电池,电池的热管理尤为必要。
热管理的功能是使电池单体温度均衡,并保持在合理范围内,对高温电池进行冷却,对低温电池进行加热。
(5)电池组安全管理
实时监视电池电压、电流、温度、电池正负极动力母线绝缘电阻是否超过正常范围,防止电池系统过充、过放、过流、短路、绝缘失效(小于500Ω/V)等,特别是防止个别电池单体过放电,在必要时切断系统电路,保证整个系统的安全。
(6)电池组能量管理
以电流、电压、温度、SOC为输入,控制电池充电过程;
以SOC和温度控制放电电流;
电池单体之间存在差异,电池组的工作状态是由最差电池单体而决定的。
在电池组各个电池之间设置均衡电路使各个电池充放电的工作情况尽量一致。
(7)CAN通信功能
电池管理系统具备两路CAN通讯能力,一路CAN与车载充电器、快速充电机、电机控制器、仪表控制器、标定接口通讯,另一路CAN与BMS从机通讯,获得较高的可靠性。
根据应用需要,进行数据交换,满足实时监测和控制要求
(8)自检和诊断功能
当系统中某个传感器或者线路出现故障,系统应该能够辨识并提醒驾驶员。
3.2电池管理系统架构及原理
电池管理系统构架如下图所示:
图1BMS构架图
电池管理系统架构如图8所示,采用1块主板、一块高压板、两块从板;
主板负责SOC、SOH估算、系统级安全控制、以及对内对外数据处理等;
高压板负责电池组电压、绝缘电阻测量以及电流的采样;
两个从板分别采样40S和55S电池单体电压、电池单体温度以及风机的控制。
电池管理系统原理如下图所示:
图2BMS原理图
3.3电池管理系统接口定义
BMS接口示意图如下图所示:
图3电池系统连接器定义
系统说明:
J1:
BMS对外低压连接器(14芯DC12V)
J2:
BMS内部通讯连接器(DC12V)
J3:
后座椅电池模组加热输出连接器(DC320/2A)
J4:
车载充电输入和DCDC输出高压连接器(4芯额定600V/20A)
J5:
电池总正输出高压连接器(单芯额定390V/130A)
J6:
电池总负输出高压连接器(单芯额定390V/130A)
J7:
电池模块中间正连接器(单芯额定390V/130A)
J8:
电池模块连接中间负连接器(单芯额定390V/130A)
J9:
电池模块中间正过孔护套(单芯额定390V/130A)
J10:
电池模块连接中间负过孔护套(单芯额定390V/130A)
J11:
电池模块内部通讯过孔护套(DC12V)
J12:
后排座椅电池模组加热输入过孔护套(DC12V/2A或者DC320/2A)
连接器定义如下表2所示:
连接器
引脚
名称
功能定义
范围
规格
J1
1
CAN_H
BMS对外CAN总线高
14PINAMP
2
CAN_L
BMS对外CAN总线低
3
屏蔽地
BMS对外CAN总线接地
0V
4
KEYON
运行使能
12V
5
START
启动使能
6
S2控制
充电S2开关控制
7
ChargeKey
车载充电使能
8
CC
充电CC检测信号
0~12V
9
电源地
整车地
10
电源正
常火
11
马达OUT
电机运行驱动
12
CP
充电CP检测信号
PWM
13
风扇低速
风扇低档控制信号
14
风扇高速
风扇高档控制信号
J2
Power+
后座椅电池模组BMU电源输入正
10PIN安费诺
Power-
后座椅电池模组BMU电源输入负
BMS内部CAN总线高
BMS内部CAN总线低
CAN_Shied
BMS内部CAN接地
J3
Heater1+
后座椅电池模组加热电压输入正
0~500V
Y50DX-1204TJ2/ZK10
Heater1-
后座椅电池模组加热电压输入负
Fan_Power+
后座椅电池模组风扇电源输入正
Fan_Power-
后座椅电池模组风扇电源输入负
J4
OBC+
慢充输入正
OBC-
慢充输入负
DCDC+
DCDC输出正
DCDC-
DCDC输出负
J5
HVB+
母线输出正
0~390V
C10514Y1-01-3-1
J6
HVB-
母线输出负
C10514X1-01-3-1
J7
HVM+
行李箱电池模组中间连接正
C10514N1-01-3-1
J8
HVM-
行李箱电池模组中间连接负
C10514W1-01-3-1
J9
后座椅电池模组中间连接正
J10
后座椅电池模组中间连接负
J11
J12
3.4电池管理系统控制策略
3.4.1控制模式
BMS主要有3种工作模式:
待机模式、放电模式、车载充电模式
(1)待机模式
BMS上电(常电接通)后进入待机模式,处理相关数据并进行自检,若自检没有通过报故障;
要求待机模式下BMS能耗在20mA以下。
(2)放电模式
BMS在待机模式下检测到KEY_ON信号后,控制从机上电;
当接收到所有从机和高压接触器状态正常,进入预充电等待状态,否则BMS报故障;
当检测到START(大于200ms)信号后,BMS进入放电模式,首先接通电池组负极主接触器,然后接通预充电接触器;
当动力母线电压达到电池组电压的86%时,接通电池组正极主接触器,断开预充电接触器;
当检测到KEY_ON信号断开,BMS控制MotorRunRelay断开,关断电机;
然后接通预充电接触器---切断电池组正极主接触器----切断预充电接触器----切断电池组负极主接触器,BMS进入待机模式。
注:
放电模式下,Charge_key无效
(3)车载充电模式
1)BMS在待机模式下检测到Charge_key信号后,控制从机上电;
当接收到所有从机和高压接触器状态正常,进入充电模式,否则BMS报故障;
然后通过整车CAN和车载充电器进行握手。
2)和车载充电器握手成功后,当BMS检测电池组最低温度低于0℃,控制接通电池组正极主接触器----接通车载充电接触器,通过整车CAN启动车载充电器,控制车载充电器输出电流保持在1.5A,启动电池加热系统;
当BMS检测电池组
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