基本信息
- 项目名称：
- 基于PWM分流技术的分布式电动汽车电池管理系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 蓄电池是电动汽车的动力源，有效监控和管理电池是电动汽车的关键技术之一。 本项目采用分布式结构，为每节蓄电池配置一块测试模块，单片机内置AD，可测试蓄电池端电压和壳体温度。上位监测和显示模块通过隔离的485总线，带站号逐一下发召唤命令，获得单体电池电压和温度。在电池充电时，监测和显示模块通过分析单体电池电压差异，下发命令，通过测量模块内置的PWM分流电路，降低电压偏高的单体电池的充电电流，不同的电池对应不同的导通占空比，分流电路的分流量根据电池端电压而动态调整，实现单体电池均衡充电，延长蓄电池使用寿命。
- 详细介绍：
- 电池是电动汽车的动力源，有效监控和管理电池是电动汽车的关键技术之一。 为对汽车行驶中电池的剩余电量实现准确估算，必须实现单体电池电压和温度的高精度测量。本次设计为每节电池配置一块测试模块，以单节电池作为其电源输入，通过电路将电池电压变换成单片机工作电压，同时通过内置AD测试出电池端电压和电池壳体温度。测试模块通过跳线对应唯一通讯站号，监测和显示模块通过隔离的485总线，带站号分别召唤每个测试模块，获得每节电池的数据。 监测和显示模块召唤、显示单体电池数据，测量整组电池电压和电池的充放电电流，进行电池剩余电量估算，对驾驶员进行语音和屏幕提示。在电池充电时，监测和显示通过分析单体电池电压差异，下发命令，通过测量模块内置的PWM分流电路，降低电压偏高的单体电池的充电电流，不同的电池对应不同的导通占空比，分流电路的分流量根据电池端电压而动态调整。实现单体电池均衡充电。 上位后台PC机运行后台软件，可与监测和显示模块通讯，获得电池各项信息，可进行数据保存、历史记录提取，并进行数据分析，找出落后电池，为电池的维护提供有利的帮助。可根据不同电池组配置，修改和下发系统参数。 本发明创新点是为每节蓄电池配置一块测试模块，单片机内置AD，可测试蓄电池端电压和壳体温度。测试模块通过跳线对应唯一通讯站号，上位监测和显示模块通过隔离的485总线，带站号逐一下发召唤命令，获得单体电池电压和温度。在电池充电时，监测和显示模块通过分析单体电池电压差异，下发命令，通过测量模块内置的PWM分流电路，降低电压偏高的单体电池的充电电流，不同的电池对应不同的导通占空比，分流电路的分流量根据电池端电压而动态调整。实现单体电池均衡充电。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品的发明目的：在完成基本的电动汽车电池管理功能的基础上，实施基于分布式结构的PWM分流法，该方法是一种主动的电压调节方法，可同时对多节电池进行不同分流控制，调整不同电池的端电压，使各节电池充电电压趋于一致，达到各节电池均衡充电的目的。 作品的基本思路和创新点：为实现电动汽车电池的有效监控和管理，本项目为每节电池配置一块测试模块，测试电池端电压和壳体温度。监测和显示模块带站号召唤测试模块，获得每节电池数据；同时测量整组电池电压和充放电电流，显示电池各种信息，估算电池剩余电量，进行语音和屏幕提示。电池充电时，分析单体电池电压差异，通过测量模块内置的PWM分流电路，降低电压偏高的电池充电电流，不同电池对应不同导通占空比，分流电路分流量根据电池端电压动态调整。 上位机软件与监测和显示模块通讯，获得电池各项信息，进行数据保存、分析，找出落后电池，并可根据不同电池组配置，修改和下发系统参数。 本发明创新点是为每节电池配置一块测试模块，可测试电池端电压和壳体温度。上位监测和显示模块通过485总线，下发召唤命令，获得单体电池电压和温度。电池充电时，分析单体电池电压差异，通过测量模块内置的PWM分流电路，降低电压偏高的单体电池充电电流，不同电池对应不同的导通占空比，分流电路的分流量根据电池端电压动态调整，实现单体电池均衡充电。 作品的技术关键：基于RS485总线的测试模块与监测和显示模块组网；PWM分流法主动调节不同电池的端电压，使各节电池充电电压趋于一致，达到各节电池均衡充电目的。
科学性、先进性
- 由于在电池组中每节电池的测量地均不同，造成单节电池电压测量困难。目前通用的方式是在电池两极引出采样线，接入检测装置的接线端子，再经过分压处理，通过模拟开关逐节测量，结合前一节电池的电压，计算对应的单节电池端电压，但该方式存在连接线多、误差累积、数据刷新率低和扩展性差的缺点。 本次设计的电池管理系统采用分布式检测方法，系统由若干测试模块、监测和显示模块和上位后台PC机组成。该系统根据电池节数配置测试模块数量，测试模块实时检测对应电池的端电压和壳体温度，通过485总线与监测和显示模块通讯，扩展灵活，并实现电池信号的同步测量，数据刷新率高。监测和显示模块接收测量模块上传信息，并实时检测放电电流，根据电池电压、电流和温度对电池剩余电量进行估算，通过液晶屏和语音，对驾驶员进行信息提示。 为实现电池的完善管理，本次设计的电池管理系统对电池充电状态进行监测，并通过新颖实用的PWM分流法，主动调节各单体电池电压，实现单体电池的均衡充电，可有效降低电池间的不一致性，延长电池组的寿命。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年10月以“分布式电动汽车能量管理系统”为名获合肥工业大学第十一届“斛兵杯”大学生课外学术科技作品特等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段，已完成样机．
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物（样机）
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点： 1）根据蓄电池数配置测试模块数量，配置灵活，通用性强； 2）PWM分流法主动调节不同电池的端电压，使各节电池的充电电压趋于一致，达到各节电池均衡充电的目的，延长蓄电池组寿命。 市场前景： 目前蓄电池组是电动汽车发展的一个屏颈，除了一次充电续程偏短外，电池寿命短造成维护费用高是其在家用汽车领域发展的主要障碍。 传统的电动汽车电池管理系统只是对电池的状态进行检测，在发现电池异常状态后进行告警，是一种被动的电池管理方式；基于PWM分流技术的分布式电动汽车电池管理系统，不但采用液晶屏和语音提示等先进的人机交互方式替代简易的电压电流表，满足人们对电动汽车舒适性的要求，更对电池的充放电状态进行完善的监测和主动管理。其独创的PWM分流技术更是对延长蓄电池组寿命大有帮助，可大大降低电动汽车的使用成本，有助于推动电动汽车的家用化。 该系统同样适用于电力系统和通信基站直流电源系统用蓄电池组，实现被动检测和主动维护的完善管理，通用性强，极具推广应用的价值。
同类课题研究水平概述
- 电动汽车电池管理系统是电动汽车中一个越来越重要的关键部分，但即使是美国等汽车工业发达国家，这方面的研制工作也不完善。我国在这方面的研究还刚刚起步，但随着电动汽车开发的升温，我国对电动汽车电池管理系统的重视程度也不断提高，国家“863”计划电动汽车重大专项课题和国家高技术研究发展技术都对电动汽车电池管理系统的研究进行了资助。 目前对电动汽车电池管理系统的基本功能已达成共识，即检测整组电池电压、电池电流、单体电池电压和温度，对电池过充、过放和温度异常进行报警。并在汽车行驶过程中根据检测到的数据对电池组的荷电状态进行在线估算。 由于电池组是电池串联而成，单体电池电压的测量面临各节电池测量基准地不同的问题，从查阅的文献来看，虽然解决的方法很多，但都是分时采集单体电池电压，即巡检方式，所面临的共同问题即电压检测不是同步采样，对电量估算的准确性影响取决于多路开关的转换速度。 电池在使用过程中，其性能变化情况各异。不但放电时端电压下降速度不同，在充电时端电压上升速度也不同，往往出现某节电池电压已达充电上限，而另一节电池电压仍在较低水平。因此在充电过程中对各节电池实现均衡充电也是电池管理系统应具备的一个功能，但目前无论是文献还是实际产品，或者缺乏行之有效的方法，或者由于电路复杂、成本太高，难以产品化。 对于汽车行驶过程中电池剩余电量的估算，有多种算法，但由于电池内部运行机理的复杂性和状态的不确定性，目前尚无一种十分准确的成熟算法。 而由于电动汽车用电池种类不同，目前尚无通用的电动汽车电池管理系统，现有的产品也是电动汽车生产厂家根据自家用电池进行配套开发，技术水平良莠不齐。 本次设计旨在对单体电池数据采样方法和实现均衡充电方面进行改进，并对剩余电量的算法进行探讨。
