基于PLC的小型純電動(dòng)教練車電源管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究（可編輯） .doc

基于plc的小型純電動(dòng)教練車電源管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究 分類號(hào):u46 10710-2010122103 碩 士 學(xué) 位 論 文基于 plc 的 小型純電 動(dòng) 教練車 電源管理 系 統(tǒng) 開(kāi)發(fā)研 究周在芳導(dǎo)師姓名 職稱 蹇小平 教授申請(qǐng)學(xué)位 級(jí)別 工學(xué)碩士 學(xué)科專業(yè)名 稱 載運(yùn)工具 運(yùn)用工 程 論文提交 日期 2012 年5 月10 日 論文答辯日 期 2013 年 06 月04 日 學(xué)位授予 單位 長(zhǎng)安大學(xué)the development research of battery management system based on the plc on the small pure electric coach vehiclea dissertation submitted for the degree of mastercandidate :zhou zaifangsupervisor :prof. jian xiaopingchangan university, xian, china摘 要電動(dòng)汽車以其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到重視, 被視為汽車工業(yè)的發(fā)展方向。 世界各大車企、 高校、 研究機(jī)構(gòu)都在對(duì)電動(dòng) 汽車進(jìn)行深入研究, 并取得很大進(jìn)展。 但電動(dòng)汽車 的 動(dòng) 力 電 池 及 其 應(yīng) 用 技 術(shù) 發(fā) 展 緩 慢 , 成 為 制 約 電 動(dòng) 汽 車 普 及 的 瓶 頸 。 電 源 管 理 系 統(tǒng)(bms, battery management system ) 作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一, 直接檢測(cè)及控制動(dòng)力電池運(yùn)行的全過(guò)程 , 包括充放電電流、 電池電壓、 電池溫度、 電量估算、 單體電池間的均衡、 電池故障診斷等, 起到延長(zhǎng)電池壽命、 提高電池使用效率和保障電池安全運(yùn)行的作用 ,對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化具有十分重要的意義。 本文依托陜西省交通運(yùn)輸廳 “小型純電動(dòng)教練車開(kāi)發(fā)研究” 項(xiàng)目 (09-32k ) 和西安市科技局“小 型純電動(dòng) 教練車動(dòng)力系 統(tǒng)匹配與 優(yōu)化設(shè)計(jì)”項(xiàng) 目(cx1249-4) ,開(kāi)發(fā) 了一套基于 plc (可編程序 控制器) 控制的電源管理系統(tǒng)。 通過(guò)對(duì) 電源管理系統(tǒng) 技術(shù)現(xiàn)狀的研究,結(jié)合現(xiàn)有條件,提出 了本研究信息采集及荷電狀態(tài)估算方案; 以 fx2n-30mr-4ad可編程序控制器為核心進(jìn)行電路的硬件設(shè)計(jì)和搭建: 信息采集電路利用 “巡檢技術(shù)” 完成 6 塊單只電池電壓及電池組總電壓、 電流、 溫度 的實(shí)時(shí)精確采集工作 , 為準(zhǔn)確判斷電池狀況、 精確 計(jì)算荷電狀態(tài)soc, state of charge 打下良好基礎(chǔ)。 同時(shí) , 完成了系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì),并提出以實(shí)車實(shí) 況可利用容量作為計(jì)算 soc 的初始容量的“雙 soc ”策略,一個(gè)是以初始容量作為基準(zhǔn), 單純反映放 (充) 電量 占初始容量的多少; 另一個(gè) 是經(jīng)溫度、放電電流 對(duì)初始容量修正后的荷電狀態(tài)。 此 后, 在條件滿足的情況下, 初始容量基準(zhǔn)值自動(dòng)更新, 最大程度上避免了電池老化、 自放電等因素對(duì)荷電狀態(tài)估算的影響; 在軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中,堅(jiān)持模塊化、 集成化、 簡(jiǎn)單化的原則,并充分考慮抗干擾措施, 保證系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定的工作;最后對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)及實(shí)車試驗(yàn)。 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明: 溫度、 電壓、 電流采集值及荷電狀態(tài)等和預(yù)想結(jié)果一致; 實(shí)車試驗(yàn)確定所用蓄電池組初始容量,并對(duì)電壓、溫度 、電流信號(hào)及荷電狀態(tài)值進(jìn)行記錄,結(jié)果表明 : 溫度、 電壓 信號(hào)受電磁干擾誤差較大, 有待改進(jìn);soc 估算誤差在 10% 之內(nèi),具有一定的實(shí)用價(jià)值。 充電試驗(yàn)首先確定充電效率, 完善充電部分計(jì)算程序, 能夠 較為準(zhǔn)確地反映電池充電時(shí)的荷電狀態(tài)。 關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車 、電源管理系統(tǒng)(bms ) 、荷電狀態(tài)soc 、plciabstractelectric vehicle, with the advantage of energy saving and environmental protection, has attracted more and more attention, and is regarded as the development trend of antomobile industry. the worlds major companies, universities and instituties have carried on thorough research on this problem and have made some remarkable progress. however, the slowly development of power battery and its applications becomes the bottleneck of the popularization of ev. the bms, as the necessary technology of ev ,directly detects and controls the process of evs battery operation, including the charging and discharging current, the battery voltage and temperature, consumption estimation, the balance between monomer batteries and battery failure diagnosis, to improve lifetime and efficiency of the battery and to insure the safety. it has important engineering significance for the industrialization of the evthis paper develops a set of energy management system controlled by plc based on the projects of 09-32k and cx1249-4. firstly, the research significance of bms is discussed and a lot of the technical stuation is researched, combined with the existing conditions, the information acquisitting and state estimating scheme is put forward in the paper. then, the hardware circuit which solves the six pieces of batteries accurate voltage, current, temperature collection works with “inspection technology” that lays a good foundation to accurately judge the battery status, is designed and set up. at the same time, the software programming is designed. the parameters used in the program is obtained by the driver training ev with experiment. the “double soc” strategy which use the actual capacity that can be released on the real vehicle as the initial capacity when calculate the soc.soc1 only reflects the amount of charged or discharged electricity. soc2 is the revised charged state under the temperature, discharge current. since then, the initial capacity updates automatically, mostly avoid the effect of aging and self-discharge on socs estimation. it adopts the module, integration and simple design principle during the design. and anti-interference measures are fully considered to ensure the reliability of the system. finally, do a lot of related indoor experements and simple real vehicle tests to validate the software and hardware designthe acquisition value of temperature, voltage, current and charged state of the indoor iitests are consistent with expected results, shows that hardware design and software programming are correct. the battery initial capacity is obtained and the voltage, temperature, current signal, the state of charge value in the different time wil be recorded through the real vehicle test, the result shows that temperature, voltage, with large deviation that needs to be improved, is affected by electromagnetic interference. soc estimation within about ten percents deviation, has certain practical value. charging test firstly ascertains the charging efficiency, improving the charging part of the program, so that the system can accurately reflect the state of charge when the battery is being chargedkey words: ev; battery management systembms; state of chargesoc; plciii 目 錄 第一章 緒論1 1.1 引言. 1 1.2 國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車發(fā)展概述. 1 1.2.1 國(guó)外電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r 1 1.2.2 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀2 1.3 電池技術(shù)研究現(xiàn)狀. 3 1.3.1 電池的發(fā)展概況 4 1.3.2 能量管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 5 1.4 本文的研究意義及主要研究?jī)?nèi)容. 5 1.4.1 研究背景及意義 5 1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容. 6 第二章 電源管理系統(tǒng)理論基礎(chǔ)及方案確立. 7 2.1 動(dòng)力蓄電池理論基礎(chǔ) 7 2.1.1 試驗(yàn)車對(duì)蓄電池的要求 7 2.1.2 試驗(yàn)車蓄電池的選型. 7 2.1.3 蓄電池主要參數(shù)說(shuō)明. 8 2.1.4 鉛酸蓄電池充放電特性 9 2.2 電源管理系統(tǒng)的功能及 組成11 2.2.1 數(shù)據(jù)采集參數(shù)的確定12 2.2.2 電源管理系統(tǒng)的組成及功能12 2.3 電量估算方案. 13 2.3.1 soc 研究意義. 13 2.3.2 電池荷電狀態(tài)的影響因素及相關(guān)修正關(guān)系13 2.3.3 soc 估算常用算法分析 15 2.3.4 本文 soc 估算方案. 17 第三章 電源管理系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn). 19 3.1 系統(tǒng)功能及硬件框架. 19 3.2 可編程序控制器的選用和簡(jiǎn)介 20 3.2.1 可編程序控制器(plc )的選用原因. 20 3.2.2 可編程序控制器的工作原理21 3.2.3 fx2n-30mr-4ad 可編程序控制 器性能規(guī)格. 25 iv3.3 plc 接線端口的分配. 26 3.3.1 plc 開(kāi)關(guān)量輸出口的分配 26 3.3.2 模擬量輸入口的分配28 3.4 數(shù)據(jù)采集部分電路實(shí)現(xiàn) 28 3.4.1 電源電路. 29 3.4.2 電壓采集. 30 3.4.3 溫度采集電路33 3.4.4 電流采集部分36 3.5 通訊部分 37 3.5.1 plc 通信口介紹. 37 3.5.2 顯示屏 md204l v4 介紹37 3.5.3 通信實(shí)施方式39 第四章 電源管理系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn). 41 4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介. 41 4.2 主程序. 42 4.3 數(shù)據(jù)采集模塊. 43 4.3.1 電壓、溫度信號(hào)的采集. 43 4.3.2 電流信號(hào)的采集. 44 4.4 狀態(tài)判斷及報(bào)警模塊. 44 4.5 初始容量 q 校正模 塊44 04.6 電量計(jì)量模塊. 48 4.7 顯示屏設(shè)置部分 49 4.8 抗干擾設(shè)計(jì)49 第五章 試驗(yàn)驗(yàn)證. 51 5.1 實(shí)驗(yàn)條件 51 5.1.1 環(huán)境條件. 51 5.1.2 電池條件. 52 5.1.3 試驗(yàn)的車輛條件. 52 5.1.4 試驗(yàn)用儀器儀表. 53 5.2 室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn). 53 5.2.1 數(shù)據(jù)采集軟件驗(yàn)證試驗(yàn). 53 5.2.2 荷電狀態(tài)soc 算法的驗(yàn)證試驗(yàn)55 v5.2.3 信號(hào)采集電路板可用性試驗(yàn)57 5.3 實(shí) 車試驗(yàn) 58 5.3.1 安裝調(diào)試. 58 5.3.2 試驗(yàn)步驟. 59 5.3.3 結(jié)果及分析 61 結(jié)論及展望. 67 結(jié)論67 展望68 攻讀學(xué)位期間取得的研 究成果71 致 謝 72vi 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 一章 緒論 1.1 引言 近幾年, 汽車保有量大幅度增加, 汽車尾氣排放已經(jīng)成為最主要的污染源之一, 由于石油資源逐漸枯竭,尋找車輛替代能源迫在眉睫,而電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)環(huán)保、無(wú)噪聲、擺脫了對(duì)石油的依賴, 成為汽車行業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn), 發(fā)展電動(dòng)汽車已經(jīng)上升到很多國(guó)家的能源戰(zhàn)略高度。 尤其在中國(guó), 傳統(tǒng)燃油車起 步晚, 技術(shù)較國(guó)外落后很多, 而新能源汽車的發(fā)展與國(guó)外基本處于同一水平線上, 為了在汽車新時(shí)代躋身于該行業(yè)前列, 我國(guó)政府給予了高度重視和大力支持, 各大車企和高?？蒲袉挝粠缀醵贾铝τ陔妱?dòng)汽車的相關(guān)研發(fā)及推廣。 1.2 國(guó)內(nèi)外電動(dòng) 汽車 發(fā)展概述 1.2.1 國(guó)外電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r 日本是電動(dòng)汽發(fā)展速度最快的國(guó)家之一, 早在 20 世紀(jì) 70 年代, 日本政府就將發(fā)展電動(dòng) 汽車列入產(chǎn)業(yè)規(guī)劃, 并且制定了諸如建設(shè)和改造充電站、 研制蓄 電池新技術(shù)等計(jì)劃 ,直到現(xiàn)在仍有條不紊的快速發(fā)展。 目前已有多款 代表車型在全球范圍上市, 較為人知的有 1997 年豐田汽車公司在日本推出并出口 20 多個(gè)國(guó)家的 prius, 此外還有豐田的 estima 、crown 、coaster , 本田 汽車公司的 insight 、civic , 日產(chǎn)汽車公司的 tino 、altima 等混合1動(dòng)力電動(dòng)汽車和豐田 ev-10、ev-50 、 日產(chǎn) ev-4 、march ev 、ev resort 等純電動(dòng)轎車 。近期, 日本在電動(dòng)汽車動(dòng)力性能及充電等技術(shù)難題上有很大的提升及突破, 如 三菱汽車 公司推出的 i-mi ev 、 日產(chǎn) leaf聆風(fēng)、 本田飛度 ev 、 豐田 scion iq ev (塞恩) ,采用 家用 220v 電源充電 ,充滿普遍 約需 7 小時(shí),scion iq ev (塞 恩) 預(yù)計(jì) 4 小時(shí)左右就能充滿; 在直流快速充電站 充 80% 電量,約需 30 分鐘,而 scion iq ev (塞 恩)只需 15 分鐘,20 分鐘就能充滿。 另外在動(dòng)力方面,leaf日產(chǎn)聆風(fēng)電池組最大輸出功率90kw ,電動(dòng)機(jī)的輸出功率80kw ,扭矩峰值能夠達(dá)到280n?m ,符合電動(dòng)機(jī)大扭矩特性的 需求。其配備的鋰電池組由汽車能源供應(yīng)公司 (aesc ) 制造, 總?cè)萘繛?4kwh , 續(xù)航里程為160 公里。scion iq 2ev 最高行駛速度可達(dá)125km/h 。 1 第一章 緒論 在美國(guó), 電動(dòng)汽車的發(fā)展數(shù)經(jīng)波折,1900年, 費(fèi)迪南德 ?保時(shí)捷設(shè)計(jì)出第一款 電動(dòng)車 “l(fā)ohner-porsche ” ,運(yùn)行安靜平穩(wěn),效率高。19 世紀(jì)末20世紀(jì)初電動(dòng)汽車在歐美被廣泛使用, 當(dāng)時(shí) 美國(guó)38% 的車輛 是電動(dòng)汽車。20世紀(jì), 隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的大幅提高和石油的大規(guī)模開(kāi)采, 內(nèi)燃機(jī)引擎贏得了公路上的勝利, 占據(jù)了汽車市場(chǎng)。30年代, 電動(dòng)汽車基本絕跡。 內(nèi)燃機(jī)汽車的應(yīng)用提高了人們的行動(dòng)速度, 促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展, 但大量的廢氣排放也引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。70 年代后期, 歐美意識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性, 開(kāi)始致力于電動(dòng)車的回歸工作, 生產(chǎn)出可以滿足 120 英里 (200 公里) 的電動(dòng)汽車。1990 年 , 美國(guó)提出 “到 2003 年加州 10%的售出車輛為電動(dòng)汽車” 的要求; 受此影響, 電動(dòng)汽車迅速?gòu)?fù)蘇。當(dāng)年, 通用汽車、 福特公司分別推出 impact 、escort 電動(dòng)汽車; 本世 紀(jì)初福特汽車公司還推出 p2000 燃料電池電動(dòng)汽車, 最高車速 128km/h 。1996 年, 通用 汽車投資 1 億美元3開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車,生產(chǎn) 出 ev1 及電動(dòng)貨車 chevrolets-10 ,ev1 采用 三相感應(yīng)電機(jī)前驅(qū),最高時(shí)速 128km , 百米 加速時(shí)間小于 10s 。 另外, 美國(guó)三大汽車公司 (福特、 克萊斯勒、通用)達(dá)成開(kāi)發(fā)研制電動(dòng)汽車的協(xié)議,并于 1991 年成立先進(jìn)電池聯(lián)合體,促 進(jìn)電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。 隨后其它汽車廠家也開(kāi)始把汽車改裝成電動(dòng)車, 漸漸的公路上開(kāi)始出現(xiàn)電動(dòng)汽車, 并受到環(huán)保人士和愛(ài)車人士的喜愛(ài), 但由于石油巨頭、 政府政策等各方面的壓力,2000 年,通用宣布停止生產(chǎn) ev1 。 2009 年7月10日, 奧巴馬 政府頒布的多項(xiàng)燃油限制和新能源法案 里規(guī)定: 到2016年,3輕型車清潔度 要提升40% , 車輛平均燃油經(jīng)濟(jì)性要不小于35.5英里/加侖 ” 。至此, 美國(guó)電動(dòng)汽車 產(chǎn)業(yè)開(kāi)始“第三次崛起 ”。 汽車強(qiáng)國(guó)德國(guó)也在有條不紊的開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車,2009 年8月19日,德國(guó)聯(lián)邦 政府批準(zhǔn)了 國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì) 劃 , 目標(biāo)是: 2020年行駛在公路上的電動(dòng)汽車達(dá)100 萬(wàn)輛, 2030年達(dá)到500 萬(wàn)輛,2050年城市交通基本不使用化石燃料,同時(shí)要建設(shè) 能夠滿足 需求的車4輛充電基礎(chǔ)設(shè)施 。 德 國(guó)車企如:bmw (寶馬) 、volkswagen (大 眾) 和mercedes-benz(梅賽德斯-奔馳)各大公司也在積極準(zhǔn)備中。以奔馳為例,該公司已與德國(guó)最大的電力工業(yè)巨頭rwe公司決定共同建設(shè)500 個(gè)電動(dòng)汽車充電站。 1.2.2 國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 近幾年, 在各方的共同努力下, 我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展, 關(guān)鍵技術(shù)已基本成熟,2 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 與國(guó)際水平相接 軌,具備了率先啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的條件,為縮短我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè) 與國(guó)外差距、實(shí)現(xiàn)跨越提供了機(jī)遇。 我國(guó)著重研發(fā)電動(dòng)汽車始于 2001 年,經(jīng)過(guò) 12 年的科技攻關(guān)以及奧運(yùn)、世博、 “十城千輛 ” 示范平臺(tái)的帶動(dòng) , 已經(jīng)建立起了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系。截至 2012 年 3 月 底,累計(jì) 1.9 余萬(wàn)輛節(jié) 能與新能源汽車 已在 25 個(gè)示范城市 得到推3廣, 建成充電樁 6400 余個(gè), 充 (換) 電站 170 個(gè),客運(yùn)量超過(guò) 90 億人次 。 截至 2012年 6 月底,共有 83 家企業(yè)的 454 款節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)品 被載入節(jié)能與新能源汽車示范推廣推薦車型目錄 。 我國(guó)自主品牌以比亞迪為代表, 幾年來(lái)致力于電動(dòng)汽車的研究,2012 年, 攜手國(guó)家開(kāi)發(fā)銀行 為城市公交電動(dòng)化 提出 “零元購(gòu)車? 零成本?零排放” 的方案, 并在 深圳、 天津、云南、 武漢等地得到大力 推廣;在海外, 比亞迪的電動(dòng)公交更有遍及 世界的趨勢(shì),2012 年 12 月 5 日, 純電動(dòng)大巴 k9 正式在比利時(shí)首都布魯塞爾交付試運(yùn)行; 同年 12 月11 日,與保加利亞 bulmineral 公司正式簽約,雙方以 50:50 的比 例成立歐洲首個(gè)電動(dòng)大巴合資公司;12 月 12 日,在哥倫比亞首都 宣布組建南美第一支純電動(dòng)出租車 隊(duì)。截至目前, 比亞迪電動(dòng)車 已經(jīng)在荷蘭、 比利時(shí)、 芬蘭、 丹麥、 美國(guó)、 加 拿大、 秘魯、 烏拉圭、西班牙、匈牙利、哥倫比亞、智利等 地試運(yùn)營(yíng)成功。 預(yù)計(jì) 2013 年, 比亞迪純電動(dòng)出租車 e6 將會(huì)出現(xiàn)在 倫敦街頭。 北汽福田歐輝新能源客車 推出新一代純電動(dòng)公交車, 這批總計(jì) 160 輛純電動(dòng)公交車已在 12 年年末交付使用。 充電時(shí)間 在 2h 以內(nèi), 滿電后的行駛里程長(zhǎng)達(dá) 150 公里。 此外,北汽福田已成功開(kāi)發(fā) 迷你 電動(dòng)汽車、 純電動(dòng)卡車、 純電動(dòng)及混合動(dòng)力客車等產(chǎn)品, 形成了覆蓋乘用車、 卡車、 客車領(lǐng)域 的 7 個(gè)平臺(tái)、15 個(gè)產(chǎn)品系列、40 余款新能源汽車車型。目前, 北汽福田已有 6000 多輛新能源汽車在全球運(yùn)營(yíng), 其中純電動(dòng)汽車 3908 輛, 訂單數(shù)量每年 以 70% 的速度 遞增,成為全球純電動(dòng)汽 車示范規(guī)模最大的整車企業(yè)。 1.3 電池技術(shù)研 究現(xiàn) 狀 電動(dòng)汽車在各國(guó)的發(fā)展情況,充分說(shuō)明電動(dòng)汽車已經(jīng)成為本世紀(jì)汽車的發(fā)展方向,誰(shuí)掌握了其核心技術(shù)誰(shuí)就會(huì)優(yōu)先占據(jù)未來(lái)汽車市場(chǎng)。 從目前的發(fā)展情況來(lái)看, 電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)包括車用動(dòng)力電池技術(shù)、 電機(jī)及其控制技術(shù)、 能量管理系統(tǒng)等; 而電機(jī)及其控3 第一章 緒論 制技術(shù)相對(duì)比較成熟, 目前的問(wèn)題在于續(xù)駛里程短和成本高, 歸根結(jié)底是動(dòng)力電池的原因。 為了解決該問(wèn)題, 一方面需要努力開(kāi)發(fā)高效的車用動(dòng)力電池, 最大程度地解決續(xù)駛里程短的問(wèn)題。另外,如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有電池利用最大化,就需要研究電動(dòng)汽車的 bms 。 1.3.1 電池的發(fā)展概況 從鉛蓄電池首次出現(xiàn)至今已 有 140 年的歷史, 之前在汽車上主要作為輔助電源使用,現(xiàn)如今已作為動(dòng)力源應(yīng)用到電動(dòng)汽車上。 應(yīng)電動(dòng)汽車發(fā)展 的需要, 國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研發(fā)電動(dòng)汽車 車用 動(dòng)力電池, 主要有 鉛酸電池、 鋁/ 空氣電池、鋰/硫化鐵電池、 鋅/空氣電池、 鎳5氫電池等 ,主要參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表 1.1 所示 。 表 1.1 常用電動(dòng)汽車用 蓄電池主要參數(shù)及優(yōu) 缺點(diǎn) 比能量 比功率 充放電電池種 類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) (wh/kg ) (w/kg ) 次數(shù) 原料易 得、 技術(shù) 成熟、 價(jià)格 低; 高壽命短 、質(zhì) 量400 溫、 低溫 、 高 倍率 放電 性能 好; 充鉛酸 3540 200 大、 比 能量 低、1000 電效率 高, 無(wú)記 憶效 應(yīng); 荷 電狀態(tài)鉛污染 易識(shí)別 壽命長(zhǎng) 、 比 功率 大、 良好 的 大倍率 重 金 屬 鎘 污放電特 性、 瞬時(shí) 放電 率很 大、 深 放 染 、 記 憶 效鎳鎘 55 190 2000 電低溫 性能 好 應(yīng)、價(jià) 格高 比能量 大、 性能 穩(wěn)定 、鋅 可回收 、 壽命短 、 不 能鋅- 空氣 120 120 130 制造成 本低 輸入大 電流 使用溫 度高 、比能量 大、 壽命 長(zhǎng)、 效 率高 、 負(fù)載 高溫腐 蝕、 性109 150 1000 鈉硫 特性好 、可 大功 率輸 出 能不穩(wěn) 定不安全 比功率 高、 比能 量大 ; 單 體 電池電壓高; 無(wú)記 憶效 應(yīng)、 壽 命長(zhǎng) ; 自放電率低 ; 可 快速 放電 且效 率高; 體 一致性 差、 價(jià)鋰離子 110 300 1000 積小重 量 輕 ; 工 作溫 度范 圍寬; 可 格貴 大電流 持續(xù) 放電 、 負(fù) 載能 力強(qiáng); 安全性好 ,適 合 動(dòng) 力電 源用 通過(guò)對(duì)比可以看出,鉛酸蓄電池存在比能量較低、壽命短、充電時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn);但其優(yōu)勢(shì)也是顯而易見(jiàn)的, 如價(jià)格便宜, 制造技術(shù)成熟, 比功率較高, 充放電性能、 安全性能較好及 可高放電率放電等。 加之鉛酸電池逐漸采用新材料和新工藝, 其性能已 得到很大提高,對(duì)環(huán)境的危害也明顯降低,循環(huán)壽命增加,可進(jìn)行快速充電等等。因此,4 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 在國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的純電動(dòng) 汽車大多采用鉛酸蓄電池。 尤其在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段鉛酸蓄電池作為動(dòng)力源可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用, 也為大多數(shù)電動(dòng)汽車科研單位所采用。 本 論文 同樣選擇鉛酸蓄電池作為能量管理系統(tǒng)的研究對(duì)象。 1.3.2 電源管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 目前制約電動(dòng)汽車推廣的主要因素是續(xù)駛里程短和使用成本高, 歸根結(jié)底是電池的問(wèn)題。 摒除電池本身的問(wèn)題, 從應(yīng)用技術(shù)層面對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制, 使其發(fā)揮最優(yōu)效能顯得更加重要。 為此, 一些高校、 汽車 制造商和電池生產(chǎn)商分別憑借各自的優(yōu)勢(shì),聯(lián)合起來(lái)對(duì)電池管理系統(tǒng) (bms ) 進(jìn)行了大量研究, 并取得顯著成果, 國(guó)外比較典型的bms 有: 美國(guó) aerovironment 公司研發(fā)的 smart guard ,采用分布 式方式實(shí)現(xiàn)電池溫度、電壓信號(hào)的采集?？蓪?shí)現(xiàn)在線充放電監(jiān)控;找出問(wèn)題電池;保存電池歷史數(shù)據(jù)等。德國(guó) mentzerelectronic gmbh 和 werner retzlaff 研發(fā)的 badicoach 使用非線性電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電壓的 監(jiān)測(cè); 記錄充放電歷史數(shù)據(jù), 找出最差電池, 顯示其 soc ; 能通過(guò)歷 史 數(shù) 據(jù) 判 斷 電 池 的 工 作 狀 況 , 從 而 判 斷 電 池 使用 是 否 得 當(dāng) , 并 給 予 提 示 等 ; 德國(guó)b .hauck 設(shè)計(jì)的 battman bms 具有通用性 的特點(diǎn), 可以通過(guò)簡(jiǎn)單修改硬件的搭線和6-9程序中的參數(shù),達(dá)到管理不同電池組的效果 。 在我國(guó), “863 計(jì)劃” 等 就確立了很多 bms 相關(guān)課題, 如同濟(jì)大學(xué)、 清華大學(xué)等承擔(dān)的多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)和 dc/dc 變換器課題; 北京理工大學(xué)承擔(dān)的 eq7200hev車 用 鎳氫 bms ; 蘇 州星 恒 電源 有限 公司 的燃料 電 池轎 車用 高功 率鋰離 子 動(dòng)力 電池 組 及其 bms ;北京有色金屬總院承擔(dān)的解放牌混合動(dòng)力城市客車用 bms 、湖南神舟公司承擔(dān)的 eq6110hev 車用大功率鎳氫動(dòng) 力電池及其 bms 等課題。經(jīng)過(guò) 幾年的 攻關(guān),bms6的研究取得 了很大突破,與國(guó)外水平較為接近 。 總之,bms 的 研究 內(nèi)容 主 要包 括 : 實(shí)時(shí) 而準(zhǔn) 確 地采 集電 池 參數(shù) 車 載 動(dòng)力 電 池組 soc 及續(xù)駛里程的估算; 熱管理;電 池故障診斷與報(bào)警、bms 自檢;電池模7型研究; 電池組一致性研究; 充放電優(yōu)化控制等 。 1.4 本文的研究 意義 及主要研 究?jī)?nèi)容 1.4.1 研究背景及意義 電動(dòng)汽車已經(jīng)成為未來(lái)汽車的發(fā)展潮流,它具有節(jié)能環(huán)保、噪聲小的優(yōu)點(diǎn),尤其是5 第一章 緒論 可以解決石油危機(jī)對(duì)汽車行業(yè)帶來(lái)的致命打擊。 油價(jià)的不斷上漲使消費(fèi)者逐漸傾向于新能源汽車, 加上政府的大力支持, 現(xiàn)在是發(fā)展電汽車的大好時(shí)機(jī)。 電動(dòng)汽車技術(shù)雖然取得了很大進(jìn)步,但距全面推廣仍然存在很多問(wèn)題,其中能源管理系統(tǒng)就是其中之一。 蓄電池組作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源, 都是有很多塊電池串聯(lián)而成, 每塊電池的性能和質(zhì)量直接影響到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、 可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 因此為了保證電池組整體性能良好 , 需要了解每塊電池的技術(shù)狀況, 及時(shí)維護(hù)及更換問(wèn)題電池以延長(zhǎng)電池組的整體性能和壽命, 從而降低電池使用成本。 另外, 純電動(dòng)汽車目前還存在續(xù)駛里程短的缺點(diǎn), 為方便駕駛?cè)藛T隨時(shí)了解續(xù)駛里程, 提前合理地安排行程, 需要對(duì) soc 進(jìn)行估算和顯示。 由于國(guó)內(nèi)汽車保有量的迅速增加, 駕校大規(guī)模擴(kuò)張, 而傳統(tǒng)燃油教練車絕大部分時(shí)間都處于低擋位、 低速行駛狀態(tài), 油耗高、 污 染物排 放嚴(yán)重, 不符合國(guó)家節(jié)能減排政策,而且針對(duì)教練用純電動(dòng)場(chǎng)地車的 電源管理系統(tǒng)尚少, 技術(shù)功能 亟待提高。 因此, 開(kāi)發(fā)純電動(dòng)教練車及其專門的能量管理系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí) 意義, 本文正是基于教練用電動(dòng)汽車對(duì)所研究 的能量管理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。 1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容 plc 簡(jiǎn)單易學(xué), 在能實(shí) 現(xiàn)所需功能的前提下, 符合電氣工作人員的邏輯習(xí)慣, 又降低了開(kāi)發(fā)成本及 周期。所以本文選用三菱 fx2n-30mr-4ad 型 plc ,開(kāi)發(fā)了一套基于plc 控制的獨(dú)立 的電源管理系統(tǒng)。 根據(jù)駕校的日工作量實(shí)際調(diào)研結(jié)果, 確定該試驗(yàn)車 電池 組匹配情況,包括型號(hào)和 塊數(shù)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下: (1) 研究國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀,根據(jù)現(xiàn)有條件,明確信號(hào)采集項(xiàng)目及要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。 (2)設(shè)計(jì)并搭建硬件電路,實(shí)現(xiàn)電池電壓、溫度 、總電壓及電流信號(hào)的采集。(3 )根據(jù)信息采集原理及預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)(信號(hào)采集、信號(hào)處理、報(bào)警、顯示、荷 電 狀 態(tài) 估 算 ) , 進(jìn) 行軟 件 設(shè) 計(jì) 。 具 體包 括 :設(shè) 計(jì) 荷 電 狀 態(tài) 估算 方 案; 根 據(jù) 蓄 電 池 試 驗(yàn)數(shù)據(jù) 擬合函數(shù) f (i ) 、f (t ) 作為電流、 溫度 的修正因 子對(duì)容量進(jìn)行修正; 通過(guò)試驗(yàn)用純電動(dòng)教練車獲取程序中所需參數(shù)。 (4)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)數(shù)據(jù)采集方法、soc 算法及其編程正確性進(jìn)行驗(yàn)證。 (5)實(shí)車試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性 、抗干擾性和可靠性 。 6 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 二章 電源管理 系統(tǒng)理 論基礎(chǔ)及 方案確 立 2.1 動(dòng)力蓄電池 理論 基礎(chǔ) 2.1.1 試驗(yàn)車對(duì)蓄電池 的要求 汽車經(jīng)常有起動(dòng)加速、制動(dòng)等行為,在這些工況中 電池狀態(tài)會(huì)有劇烈變化。所以,作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池應(yīng)滿足以下要求: (1)首先應(yīng)能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)放電,即容量要足夠大; (2)比功率大, 它是影響車輛的起動(dòng)和加速性能的最重要因素。 (3)高效的充放電能力,從而縮短充電時(shí)間,提高工作效率。 (4 )穩(wěn)定性,電池應(yīng)在車輛工況變化時(shí)給予準(zhǔn)確 穩(wěn)定 的 回 應(yīng) , 從 而保 證 車 輛 正 常10工作 。 2.1.2 試驗(yàn)車蓄電池的選型 該 文 研 究 的 電 源 管 理 系 統(tǒng) 在 長(zhǎng) 安 大 學(xué) 研 制 的 教 練 用 電 動(dòng) 汽 車 上 進(jìn) 行 相 關(guān) 的 試 驗(yàn)驗(yàn)證。由于鉛酸蓄電池技術(shù)成熟、成本低,并能 很好的滿足教練車每日訓(xùn)練的用電需求,經(jīng)過(guò)大量的市場(chǎng)調(diào)研, 該車選用 淄博明泰電器科技有限公司生產(chǎn)的鉛酸電池, 設(shè)計(jì)時(shí)按試驗(yàn)車 a 的電池匹配進(jìn)行, 電池型號(hào)為 4-d-145 , 電壓為 8v , 共 9 塊 。 由于本研究系統(tǒng)的通用性, 稍改軟件參數(shù)就可應(yīng)用到其他類似電池組上, 并由于外界因素我們?cè)谠囼?yàn)車b 上實(shí)驗(yàn), 電池型號(hào)為 6d-130,實(shí)物如圖2.1 所示, 額定電壓為 12v , 額定容量為 110ah,電池 6 塊。圖 2.1 試驗(yàn)車用鉛酸蓄電 池7 第二章 電源管理系統(tǒng)理論基 礎(chǔ)及方案確定 2.1.3 蓄電池主要參數(shù)說(shuō)明 (1 )電池比能量:有質(zhì)量比能量和體積比能量之分,前者指單位質(zhì)量可轉(zhuǎn) 換成的11電能量,單位:wh/kg,后者指單位體積可轉(zhuǎn)換成的電能量,單位:wh/l 。 (2 )放電終止電壓:電池放電至某電壓值之后如果繼續(xù)放電,電壓會(huì)急劇下降,并且釋放的能量很少, 還會(huì)對(duì)電池造成不良影響, 所以放電時(shí)必須在某一適當(dāng)?shù)碾妷褐到刂狗烹姟?通常廠家規(guī)定在一定的放電條件下, 放電至能再反復(fù)充電、 并能恢復(fù)原有容11量的最低電壓為截止電壓也稱為放電終止電壓 。 (3)開(kāi)路電壓 在電池開(kāi)路或測(cè)量用電壓表內(nèi)阻足夠大的情況下,電池兩端的電壓稱為開(kāi)路電壓。3它與蓄電池硫酸濃度呈函數(shù)關(guān)系。正常狀態(tài)下硫酸密度在 1.05-1.30g/cm 范圍內(nèi),電池12的開(kāi)路電壓與電解液密度關(guān)系為 : e+0.85 3式中 -電解液的密度(g/cm )。 因?yàn)殡娊庖好芏扰c電池荷電狀態(tài)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 因此, 開(kāi)路電壓與荷電狀態(tài)也有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 在平時(shí) 試驗(yàn)時(shí), 通常采用密度計(jì)測(cè)電解液密度來(lái)估算剩余電量, 但這種方法不能應(yīng)用 在車輛行駛中; 而開(kāi)路電壓可以在線測(cè)量, 所以通?？梢岳瞄_(kāi)路電壓估算電池荷電狀態(tài)。 但對(duì)開(kāi)路電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí), 需要在工作之后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使電解液濃度達(dá)到平衡狀態(tài)后進(jìn)行。 對(duì)充放電過(guò)程中電池組開(kāi)路電壓、 密度和荷電狀態(tài)三者的關(guān)系 如表 2.1 所示。 表 2.1 荷電狀態(tài)與電解液 密度、開(kāi)路電壓三者 之間 的關(guān)系 3荷電狀 態(tài)(%) 電解液 密度 (g/cm ) 開(kāi)路電 壓(v ) 100 1.26 2.11 87 1.24 2.09 75 1.22 2.07 62 1.20 2.05 50 1.18 2.03 37 1.16 2.01 25 1.14 1.99 12 1.12 1.97 0 1.10 1.95 (4 )放電率有 小 時(shí) 率和 電 流 率 之 分 , 小 時(shí) 率用 以 某 電 流 放 完 額 定 容量 所 用 時(shí) 間 來(lái)表示, 如 20h 率。 電流率通常也稱倍率, 指電池的放電電流值, 其數(shù)值為額定容量值的12倍數(shù),表示方法如 0.1c ,指以額定容量的 0.1 倍大小的電流放電 。 208 長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文 (5 )電池容量有 理 論容 量 、 實(shí) 際 容 量 和 額 定容 量 之 分 。 根 據(jù) 蓄 電 池自 身 的 活 性 物質(zhì)的性能按一定的方法計(jì)算的電量最高值是理論容量。 實(shí)際容量是指電池在一定條件下能輸出的電量。 額定容量是按有關(guān)部門規(guī)定的 , 在一定的放電條件下, 電池應(yīng)該放出的12最低限度的電量 。 電池外殼一般標(biāo)注的安時(shí)數(shù)是額定容量, 一般用大寫 c 及其下腳標(biāo) (放電率) 表示,13如 c 指以 20h 率在一 定溫度下放電至截止電壓至少應(yīng)放出的電量 。20(6 )剩余容量 : 從 本質(zhì) 上 說(shuō) 是 指 電 池 從 此 刻開(kāi) 始 到 放 完 電 所 能 放 出的 電 量 , 由 于它不僅與之前的放電量及放電條件有關(guān), 而且與此后的放電過(guò)程有關(guān), 所以 絕對(duì)的剩余容量值在放電過(guò)程中是無(wú)法得到的。在實(shí)際應(yīng)用中,通常用 荷電狀態(tài) soc 這個(gè)相對(duì)量14來(lái)指示剩余容量 。 (7)荷電狀態(tài)(soc, state of charge 指在一 定放電條件下,剩余容量與此刻條件15下額定容量的比值 。 滿電狀態(tài)下為 100% ,放完電時(shí)為 0。如公式 2.1 soc1-q /q 100% 2.1 耗0式中 q -已放出的電量 耗c -對(duì)應(yīng)放電條件下的 額定容量 0對(duì)于恒流放電,q 耗i ?t ,則 soc1-i ?t/q 100% 0對(duì)于變流放電, 可以每隔一段時(shí)間 ( t ) 采集 一次電流 i , t 取得足 夠小, t 時(shí)間內(nèi)就可視為恒流放電,這段時(shí)間內(nèi)消耗的電量 q i ?t,故變流 放電時(shí)的 soc 見(jiàn)耗公式 2.2, soc1- i t/q (i , t 2.2 j-1 j-1式中 i -t 時(shí)刻的電 流值 j-1 j-1q ,t-電池滿電soc1狀態(tài)下,在溫度 t 下,以恒流 i 放電,所能放ij-1 j-114出的電量 。 (8 )蓄電池 的 自 放 電率 是 指 在 沒(méi) 有 負(fù) 荷 的 自然 狀 態(tài) 下 存 儲(chǔ) 時(shí) , 電 池自 身 放 電 的 速度。其值 越 低 越好, 所以 又 稱 荷 電 保 持能 力 , 它 受 制 造 工 藝 、存 儲(chǔ) 條件 、 材 料 等 影 響 ,是衡量電池性能的重要指標(biāo)。 2.1.4 鉛酸蓄電池充放電特性 各型號(hào)鉛酸蓄電池的狀 態(tài)變化趨勢(shì)基本是相同 的,下面以某“6v ,60ah ”蓄電池25 時(shí)的充放電特性為例來(lái)說(shuō)明。 9 第二章 電源管理系統(tǒng)理論基 礎(chǔ)及方案確定 1. 電池的放電特性 分別以 6a 、16.9a 、41.9a 、70a 、162a 、222a 六組不同電流恒流放電, 不同 放電電流 條件下, 得到的 電池端電壓與放電時(shí)間關(guān)系 組成 的一組曲線稱為放電特性 曲線。 如圖 2.2 所示,從 放電曲線可以 得出電池放電具有如下 特性: (1) 其他條件相同的情況下,以不同的電流放電,終止電壓略有差距,可釋放容量也不同。 放電電流 6a , 放電時(shí)間為 10 小時(shí) (稱之為 10h 放電率曲 線 ) , 測(cè)得 電池可放出 容量 c 6a10h60ah ;如果用 1/6h 恒流放電來(lái)測(cè)定 ,則 c 162a h27ah。 10 1/6圖 2.2 電池放電特性 (2 ) 在放電 初期 端 電壓 下 降 較 多 , 這 是 因 為初 期 極 板 外 部 的 硫 酸 來(lái)不 及 補(bǔ) 充 極 板內(nèi)部迅速反應(yīng)消耗的硫酸, 導(dǎo)致極板內(nèi)部電解液密度迅速下降; 隨后, 端電壓緩慢均勻下降, 因?yàn)樵撾A段極板外電解液可以及時(shí)補(bǔ)充內(nèi)部反應(yīng)的硫酸, 使極板內(nèi)外硫酸處于動(dòng)態(tài)平衡、 整體濃度均勻下降。 放電接近終了時(shí), 電池端電壓出現(xiàn)急劇下降的拐點(diǎn) , 拐點(diǎn)之后電壓急劇下降 , 直到放電曲