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1、湖南大学硕士学位论文蓄电池电量技术的研究与实现姓名：黄浩申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王辉20070430硕士学位论文 - I - 摘 要 蓄电池管理系统是动力电池的一个重要组成部分。它能实现蓄电池的电压、温度、充放电电流以及电池容量的实时监测，提高蓄电池的使用寿命，提高整个系统的稳定运行。 论文综述了蓄电池电量监测系统的国内外研究现状，分析了蓄电池的物理和化学特性、影响蓄电池电量实时监测的因素，研究了蓄电池电量模型(包括经验模型和等效电路模型)及其特点，结合内阻法和路端电压法的特点，本文提出了一种蓄电池基于内阻-路端电压法的数学模型，并提出了各种参数的求解方法；论文还考
2、虑到蓄电池温度改变而引起的蓄电池的容量变化以及长时间停放所产生的容量回复的问题，并进行了相应的校正；本文还利用 MATLAB/simulink 工具自己建立了该数学模型，作为蓄电池容量分析和研究的基础；实验和仿真结果证实了该模型的可靠性和可行性。 在理论分析和仿真的基础上，论文设计了基于 LIN 总线的蓄电池 SOC 在线监测系统，并进行了硬软件的设计。系统硬件主要分为两大部分，一部分是对单体电池的相关参数测量，包括蓄电池的端电压、温度以及预测得到的电量；另一部分是对整个电池组的电流、电压以及温度的测量。主控制器采用 C8051 系列单片机来实现对整个系统的监测，使用 LIN 总线来实现主控制
3、器对单体电池的管理，不仅能实时监测到单体电池的运行状况，同时还节约了成本。系统软件则包括了系统的初始化、A/D 及温度采集的设计以及 SOC 的算法的实现。 关键词： 蓄电池； 在线监测； LIN 总线； SOC； 内阻-路端电压模型 蓄电池电量技术的研究及实现 - II - Abstract Accumulator management system is an important part of direct current management. By the system, the real-time monitoring for voltage, temperature, charg
4、ing and discharging current and charge of accumulator is achieved. Accumulators life length is improved. And the whole systems stability for running is also advanced. In this article, the situation of domestic and abroad about battery managing system(BMS) is presented, and in terms of accumulator ph
5、ysical and chemical features ,the factors affecting accumulator charge real-time monitoring and a series of past accumulator models, empirical model and equivalent circuit model, are analyzed. And the battery SOC model and its character are studied. By combining the character of inner resistance and
6、 terminal voltage model, a new accumulator mathematical model, inner resistance- terminal voltage methods, is presented. And the method of various arguments solving is advanced. The problem of capacity return caused by accumulator temperatures change and motor parking is considered. The mathematical
7、 model is designed using latest MATLAB/simulink which is regarded as a base of analysis and research for accumulator battery capacity. The models reliability and feasibility is confirmed by experiment and emulation result. According to analyzing and emulation, a run-time supervision system of batter
8、y SOC based on LIN bus is designed, and the hardware and software are carried out. The hardware system has two parts: one is about related data measuring of single battery, including terminal voltage, temperature and gauged SOC; another is the measuring of the batteries as a whole, including the cur
9、rent, terminal voltage and temperature. The main controller uses C8051 series MCU to realize the supervision of the whole system, and LIN bus to achieve the management of single battery, which not only supervise the running of single battery, but save the cost. The software part contains the initial
10、ization of the system, the designation of the A/D and temperature collecting , and the realization of the SOC Algorithm. Keywords: accumulator； on-line monitor ；LIN bus ； SOC(state of charge) ； Inner resistance-terminal voltage 湖湖湖湖 南南南南 大大大大 学学学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本
11、人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印
12、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 研究背景及意义 蓄电池是一种储能元件，用于储存电能，对外放电后可以对内部电能进行补充(充电)，而且充电过程可以反复多次进行。蓄电池的种类很多，目前性能比较好的有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池以及锂离子蓄电池1。蓄电池一般作为备用电源和直流电源，在各个领域有着广泛的应用，主要应用领域如： 1.电力：蓄电池在电力系统中主要作为二次部分(如仪器仪表，控制
13、部分)的工作电源。也可以与作为输变电系统重要组成部分的新型直流电源柜配套。 2.通信(包括电力通信)：阀控式铅酸蓄电池(VRLA)在通信行业中的应用非常广泛，约占使用总量的90%以上。在交换中心机房、基站、接入网系统、UPS系统、柴油发电机组等设备上使用的蓄电池一般都是阀控式铅酸蓄电池。它们大多作为备用电池使用，也可作为通信设备的直流电源。 3.交通：蓄电池可作为汽车的启动电源;电动汽车的直流电源;电力机车的合闸及应急备用电源以及内燃机车的启动、信号、照明电源等。在所有的内燃机车都配备有一组标称电压为96V的蓄电池组。 汽车和铁路交通对蓄电池组的需求量很大。 4.计算机机房：机房通常都配备有不
14、停电电源UPS。蓄电池是UPS的核心部分，用作计算机系统的备用电源。 5.日常生活：蓄电池在日常生活中可作为照明电源、应急电源等。 然而由于蓄电池独特的物理化学特性，主要表现在：蓄电池的充放电过程是一个动态的化学反应过程，其内部容量跟很多因素有关，不能直接通过仪器检测得到，同一电池，在不同环境温度下，其容量变化是相当明显的；同一电池，在不同电流下，蓄电池端电压及电池容量也是不一样的，而且这种变化没有规律可言；使用次数不同的电池其容量也是不同的；而且电池在某段时间没有使用，其内部容量会有一定程度的恢复等等。蓄电池容量变化的不稳定定就造成蓄电池在使用方面存在一些问题，如过度的充放电造成蓄电池的严重
15、老化，影响蓄电池的使用寿命以及正常的生产；不能准确的测量蓄电池的实际剩余容量，造成电动汽车在运行过程中时刻担心中途抛锚；蓄电池工作状态的不稳定造成电力直流屏无法正常工作等不利和事故等等。而对这些应用中的许多问题，电池在电力电源断电后的最后一道保护屏障，可见其重要性。这些问题有些可以通过对电池进行提前充电解决；而有些看似满容量但并不能输出这么多，对于这些电池只有更换。 蓄电池电量技术的研究及实现 - 2 - 总体来说，与其它电源相比，蓄电池作为直流电源也存在很多缺点，这些问题主要表现在以下几个方面： 1.动力蓄电池由于工艺的差别，可能存在单体电池之间容量上的差异，即使是同意批次的电池，容量也不尽
16、相同。 2. 蓄电池在运用过程中，可能存在单只电池存在故障，如果这种情况不能及时发现，会对其他电池造成不同程度的损坏。所以迫切的需要我们对每一个电池进行实时监测及预报。 3. 蓄电池不仅受外界温度的影响，其自身在不断放电过程中，温度会不断上升，这样会造成蓄电池内部化学反映的激化，对电池的使用寿命有一定影响，故实时监测电池温度，从而采取一定控温措施也是一个很重要的方面。 4. 蓄电池在充电过程中，充电电流的大小要合适，否则影响蓄电池的工作寿命，而且蓄电池的放电截止容量不能过低，放电深度过高的话也同样引起蓄电池的严重老化。 随着科学技术的深入，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，关于蓄电池自动化监测问题也提到日程上来。近些年来，很多人开始研究蓄电池的自动化监测。蓄电池作为直流备用电源和动力电源，对系统的安全可靠运行有非常重要的作用。为避免蓄电池在长期使用中因质量问题出现故障而印发事故带来经济损失，为了防止电池的早期失效，尽可
