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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 新能源汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品是一種對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和管理的重要裝置。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由檢測(cè)模塊、主控模塊和均衡模塊組成。主要功能包括準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)電池組單體電壓、電流、溫度等參數(shù)，電池組充放電主動(dòng)均衡管理，剩余電量估計(jì)（SOC），電池組熱管理等。成果已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)。本作品可提高新能源汽車(chē)電池使用效率、延長(zhǎng)使用壽命、增加續(xù)駛里程、提高動(dòng)力系統(tǒng)可靠性，進(jìn)而有效提升新能源汽車(chē)整車(chē)品質(zhì)。
- 詳細(xì)介紹：
- 能源與環(huán)境的嚴(yán)峻形勢(shì)使得新能源汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，電動(dòng)汽車(chē)是新能源汽車(chē)發(fā)展的重要方向，因此，國(guó)家全面推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。動(dòng)力電池成本占整車(chē)成本的50%以上，重量占整車(chē)的30%左右，對(duì)整車(chē)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性影響重大。動(dòng)力電池只有在優(yōu)良的電池管理系統(tǒng)支持下才能充分發(fā)揮能效，實(shí)踐證明先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)能夠提高電池工作效率30%以上，因此，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)成為新能源汽車(chē)的核心零部件。 本作品新能源汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)是對(duì)新能源汽車(chē)動(dòng)力電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理的裝置。本作品旨在提高新能源汽車(chē)電池使用效率，增加續(xù)駛里程，延長(zhǎng)使用壽命，降低運(yùn)行成本，提高電池組可靠性，增強(qiáng)動(dòng)力系統(tǒng)可靠性，進(jìn)而有效提升新能源汽車(chē)整車(chē)品質(zhì)。 本作品硬件主要由控制模塊、均衡電源模塊和檢測(cè)模塊三部分構(gòu)成。控制模塊能夠根據(jù)既定策略完成控制功能，實(shí)現(xiàn)SOC估計(jì)，同時(shí)將電池狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給整車(chē)其他電子單元；均衡電源模塊能夠平衡單體電池間的電壓差異，解決電池組“短板效應(yīng)”；檢測(cè)模塊能夠?qū)﹄姵亟M關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的檢測(cè)，并通過(guò)SPI上報(bào)給控制模塊。 本作品主要有如下幾方面功能： 電池狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)：系統(tǒng)實(shí)時(shí)地采集電池包中單體電池電壓、主回路總電流、電池包中多點(diǎn)溫度等狀態(tài)信息。 SOC估計(jì)：電池剩余電量估計(jì)（SOC）如同汽車(chē)的油量表，可反映出電池組剩余電量的多少。系統(tǒng)采用結(jié)合了開(kāi)路電壓法和按時(shí)積分法的估算公式進(jìn)行SOC的估計(jì)。 熱管理：系統(tǒng)首先測(cè)得電池包中多點(diǎn)溫度建立溫度場(chǎng)，再根據(jù)既定的控制策略驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或電熱絲工作，實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)溫來(lái)維持電池組工作的理想溫度。 充放電均衡管理：動(dòng)力電池組的單體一致性差極易導(dǎo)致過(guò)充過(guò)放情況的發(fā)生，嚴(yán)重影響電池壽命。系統(tǒng)密切監(jiān)視電池組充電和放電過(guò)程中單體電池的電壓差異，必要時(shí)通過(guò)控制均衡電源模塊和檢測(cè)模塊中的均衡充電或均衡放電回路通斷切換，完成均衡充放電管理。 能量系統(tǒng)建模：從整車(chē)能量角度出發(fā)，提出基于混雜系統(tǒng)理論的電動(dòng)汽車(chē)能量系統(tǒng)建模與仿真方法，準(zhǔn)確、全面地反映動(dòng)力電池由離散事件驅(qū)動(dòng)的連續(xù)狀態(tài)變化過(guò)程。 本作品主要有如下創(chuàng)新點(diǎn)： 1．電池組的充放電均衡管理方法。檢測(cè)模塊中集成了檢測(cè)、均衡充電和均衡放電三個(gè)回路，通過(guò)光耦器件與芯片控制門(mén)對(duì)三個(gè)回路的通斷切換進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同功能回路的復(fù)用。采用電壓檢測(cè)法判斷電池模塊中單節(jié)電池充放電狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)電池充放電不均衡時(shí)，通過(guò)控制模塊同時(shí)控制均衡電源模塊和檢測(cè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程的均衡控制。該方法已申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)（一種動(dòng)力型鋰離子電池均衡充放電方法，專(zhuān)利號(hào)：201110070929.8）。 2．基于混雜系統(tǒng)理論的電動(dòng)汽車(chē)能量系統(tǒng)建模與分析方法。有別于現(xiàn)有的動(dòng)力電池連續(xù)過(guò)程建模方法，從混雜系統(tǒng)角度出發(fā)，將純電動(dòng)汽車(chē)的能量消耗需求與補(bǔ)給動(dòng)作映射為離散事件，進(jìn)而將包含充電器、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和其他用電單元的汽車(chē)能量系統(tǒng)整體地抽象為由離散事件驅(qū)動(dòng)的連續(xù)狀態(tài)變化過(guò)程，再運(yùn)用混雜系統(tǒng)理論與方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)能量系統(tǒng)的建模和分析。 中國(guó)已確定在2020年實(shí)現(xiàn)500萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)上路的目標(biāo)，這占到全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的35%。調(diào)查顯示，60%的中國(guó)受訪者稱(chēng)會(huì)考慮購(gòu)買(mǎi)混合動(dòng)力汽車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)，較之美國(guó)、日本、德國(guó)等其他國(guó)家高出近5倍。能源發(fā)展的趨勢(shì)加上消費(fèi)者的認(rèn)可，使得我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。?guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)存在智能性不強(qiáng)、集成度偏低，部分核心功能（如充放電電壓差異均衡、SOC估算等）無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求等不足。國(guó)外雖有類(lèi)似產(chǎn)品，但核心技術(shù)被壟斷且價(jià)格昂貴。本作品適用于端電壓≤5V的所有類(lèi)型動(dòng)力電池，適用范圍廣；采用模塊化、可配置設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)；利用回路復(fù)用結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)電路設(shè)計(jì)，成本低，可靠性高。因此本作品應(yīng)用前景廣闊。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 研究目的 本作品旨在提高新能源汽車(chē)電池使用效率，增加續(xù)駛里程，延長(zhǎng)使用壽命，降低運(yùn)行成本，提高電池組可靠性，進(jìn)而有效提升新能源汽車(chē)整車(chē)品質(zhì)。 基本思路 系統(tǒng)通過(guò)傳感器、芯片及相關(guān)電路采集電池包的電壓、電流、溫度等信息，根據(jù)既定策略完成電池組熱管理、充放電均衡管理、剩余電量（SOC）估計(jì)等功能。電池的狀態(tài)和管理信息就地存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)LCD屏實(shí)時(shí)的反映給用戶。 創(chuàng)新點(diǎn) 1．電池組的充放電均衡管理方法。系統(tǒng)控制均衡電源模塊和檢測(cè)模塊中的光耦器件及芯片控制門(mén)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)模塊中集成的檢測(cè)、均衡充電、均衡放電三個(gè)回路通斷切換控制，完成均衡充放電管理。 2．基于混雜系統(tǒng)理論的純電動(dòng)汽車(chē)能量系統(tǒng)建模與分析方法。將純電動(dòng)汽車(chē)的能量消耗需求與補(bǔ)給動(dòng)作映射為離散事件，將汽車(chē)能量系統(tǒng)整體地抽象為由離散事件驅(qū)動(dòng)的連續(xù)狀態(tài)變化過(guò)程，再?gòu)幕祀s系統(tǒng)角度對(duì)其進(jìn)行建模和分析。 技術(shù)關(guān)鍵 ? 電池狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)； ? SOC估計(jì)； ? 充放電均衡管理； ? 能量系統(tǒng)建模與仿真； 技術(shù)指標(biāo) ? 單節(jié)電池電壓檢測(cè)精度：±8mV ? 電流檢測(cè)精度：±0.1% FS±0.1%RD ? 電池組充放電電流分辨率：0.1A ? 電池組充放電電壓分辨率：0.1V ? 溫度檢測(cè)精度：±0.5°C ? 溫度監(jiān)測(cè)范圍：-40°C ～ 85°C ? 單節(jié)電池間電壓均衡差異：≤ 0.01V ? 單節(jié)電池適用規(guī)格：端電壓標(biāo)稱(chēng)值≤5V ? SOC估計(jì)精度：5%
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品在以下兩個(gè)核心技術(shù)上有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步： 1. 電池組充放電均衡管理方法。國(guó)內(nèi)外的電池充放電均衡方法有很多，包括變壓器儲(chǔ)能局部放電思想等。本作品中通過(guò)控制光耦器件與芯片控制門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、均衡充電和均衡放電三個(gè)回路的通斷切換復(fù)用，完成電池充放電過(guò)程的均衡控制。該方法可以將單節(jié)電池電壓差異控制在10mV以內(nèi)，目前國(guó)內(nèi)的普遍水平為20-25mV。該方法已申報(bào)發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)，題目為“一種動(dòng)力型鋰離子電池均衡充放電方法”。 2. 基于混雜系統(tǒng)理論的純電動(dòng)汽車(chē)能量系統(tǒng)建模與分析方法。動(dòng)力電池工作過(guò)程本身是連續(xù)的，但受到耗能需求與補(bǔ)給動(dòng)作等離散事件的影響使能量供給系統(tǒng)并不是穩(wěn)定連續(xù)的系統(tǒng)。本作品有別于現(xiàn)有的動(dòng)力電池連續(xù)過(guò)程建模方法，從混雜系統(tǒng)角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)能量系統(tǒng)的建模和分析。這樣更有利于了解電動(dòng)汽車(chē)能量變化過(guò)程，優(yōu)化電池管理系統(tǒng)的功能。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品在2010年11月校第十二屆“斛兵杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。 本作品在2011年5月第四屆“挑戰(zhàn)杯”合鍛股份安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。 本作品已通過(guò)國(guó)家認(rèn)定的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)合格認(rèn)證。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)及推廣前景 技術(shù)特點(diǎn)：1.單節(jié)電池端電壓分級(jí)檢測(cè)法精度高、速度快；2.充放電均衡管理方法采用巧妙的復(fù)用電路架構(gòu)，成本低、可靠性高、均衡能力強(qiáng)；3.SOC估算法結(jié)合了開(kāi)路電壓法和按時(shí)積分法，提高估算精度：4.熱管理采用雙向調(diào)溫法； 技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)：1.適用于端電壓≤5V的所有充電電池，適用范圍廣，通用性強(qiáng)。2.模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和精簡(jiǎn)的電路設(shè)計(jì)使本作品更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。以上優(yōu)勢(shì)保證作品有廣闊的應(yīng)用前景。 適用范圍： 1.電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池管理；2.通信、軍事、航空航天等領(lǐng)域的動(dòng)力電池管理；3.用于教學(xué)與科研； 市場(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 能源與環(huán)境的嚴(yán)峻形勢(shì)使新能源汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，到2020年中國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)將達(dá)到500萬(wàn)輛，占到全球市場(chǎng)的35%，市場(chǎng)潛力巨大。國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)與國(guó)外差距較大，國(guó)外產(chǎn)品的核心技術(shù)被壟斷且價(jià)格昂貴。本作品由于技術(shù)先進(jìn)、投入生產(chǎn)成本低、性能優(yōu)越，產(chǎn)業(yè)化之后必將取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 新能源汽車(chē)部分或全部依賴車(chē)載電池儲(chǔ)存的有限能源，且需要應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜工況，這使得BMS成為整車(chē)中的核心部件，技術(shù)門(mén)檻較高也使其成為其中收益最高的環(huán)節(jié)之一，因而受到汽車(chē)電子企業(yè)的普遍追捧。國(guó)外具有代表性的產(chǎn)品如德國(guó)的B．Hauck設(shè)計(jì)的BATTMAN系統(tǒng)，該系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)將所有的不同型號(hào)動(dòng)力型電池組的管理做成一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)改變硬件的跳線和在軟件上增加選擇參數(shù)的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電池組的管理。再如美國(guó)通用汽車(chē)公司生產(chǎn)的GM EV1電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電池模塊、軟件BPM、電池組熱系統(tǒng)和電池組高壓斷電保護(hù)裝置四個(gè)部分，該系統(tǒng)把側(cè)重點(diǎn)放在了電池組的可靠性上。 我國(guó)十五期間在BMS方面取得了一定的突破。代表性的如北京理工大學(xué)為純電動(dòng)汽車(chē)研制的電池管理系統(tǒng)該系統(tǒng)已經(jīng)在BK 6121EV純電動(dòng)公交客車(chē)上安裝，可以有效地管理電動(dòng)車(chē)輛有限的能量，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)輛效率最大化，并解決了動(dòng)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的故障診斷、高壓安全、充電通信接口、延長(zhǎng)電池使用壽命、提高電動(dòng)車(chē)可靠性等問(wèn)題。再如清華大學(xué)為一汽EV-6580輕型電動(dòng)客車(chē)配套的電池管理系統(tǒng)，在行駛過(guò)程中可對(duì)電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控，防止過(guò)充電和過(guò)放電。另外，還有湖南神舟公司研制的7200混合動(dòng)力轎車(chē)用鎳氫動(dòng)力電池組及管理模塊，EQ6110混合動(dòng)力城市公交車(chē)用大功率鎳氫動(dòng)力電池及其管理模塊，蘇州星恒電源有限公司承擔(dān)的燃料電池轎車(chē)用高功率型鋰離子動(dòng)力電池組及其管理系統(tǒng)等課題。 伴隨著國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠的電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)，隨之配套的電池管理系統(tǒng)也漸漸嶄露頭角，如比亞迪的E6電池管理系統(tǒng)，奇瑞S18電池管理系統(tǒng)，長(zhǎng)安奔奔I電池管理系統(tǒng)等，各主機(jī)廠紛紛拿出自己的技術(shù)產(chǎn)品與技術(shù)平臺(tái)搶占市場(chǎng)，但由于時(shí)間的緊迫性以及功能的單一性，造成了國(guó)內(nèi)電池管理系統(tǒng)的智能性不強(qiáng)，集成度低，產(chǎn)品能支持示范車(chē)型配套，但尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化程度；實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，部分核心功能，例如充放電電壓差異均衡、SOC估算還無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與國(guó)外的電池管理系統(tǒng)存在著一定的差距，如德國(guó)的MINI-E和日本的Leaf達(dá)到了充電均衡差異5-10mV的水平，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的相同指標(biāo)大多維持在20-25mV左右，日本的日產(chǎn)Leaf剩余電量估計(jì)精度最高，為2%，我國(guó)產(chǎn)品普遍在8%左右。
