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                        新能源農產品物流車輛電池管理系統開發

                        添加時間:2018/10/16 來源:中國農業大學 作者:韓玉冰
                        本文以國家倡導農產品低碳物流為切入點,針對能耗降低方案中農產品新能源物流車輛的電池管理系統進行了詳細的研究。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          目前我國正在倡導低碳經濟及生態保護的物流發展模式,其中針對生鮮農產品運輸的一項重要途徑是使用新能源物流車輛進行運輸。而制約新能源農產品物流車輛快速發展的一項約束條件為動力電池的管理措施存在一定的短板。針對這一現象,本文從新能源農產品物流車輛動力電池管理系統出發,對該系統的狀態檢測部分、狀態分析部分及安全與能量管理部分做了詳細的研究與大量實驗,提出了針對新能源農產品物流車輛動力電池的一些有效的管理措施。本文的貢獻及創新之處主要有:

                          (1)電池狀態檢測部分:在主從式系統拓撲中提出了 "策略+采集"的方案。

                          本文采用主從式系統拓樸構架,其中策略單元執行總電流采集及整體控制策略、采集單元執行動力電池信息采集模式。策略單元獲取到采集單元發送的動力電池信息數據后只是針對數據進行判別及分析,再根據策略闊值、報警闡值等向采集單元發送相應的控制策略;采集單元接收到控制策略命令后再產生相應的動作及反饋。這種方案使得策略單元與采集單元各自具有獨立的工作模式,使得整體系統運行效率得到了有效的提高。

                          (2)電池狀態分析部分:提出了自適應雙卡爾曼濾波算法進行動力電池SOC估算。

                          針對目前國內外研究的動力電池SOC估算算法的優缺點提出了自適應雙卡爾曼濾波算法,該算法可W有效的消除其它算法存在的局限性、時滯性等。該算法是基于經典卡爾曼濾波算法提出,并根據動力電池電動勢等效模型的建立與參數識別而進行的動態預估機制,對系統噪聲和過程噪聲進行了自適應性更新,使得動力電池SOC估算精度增高。

                          (3)電池安全及能量營理部分:提出了H種管理模式并存的動態監測機制。

                          針對目前研究中的安全管理機制不全的問題,本文提出了熱管理、絕緣管理及均衡管理H種實時動志監測機制,誰除了因為動力電池問題導致整車"趴窩"的現象。經過熱管理及均衡管理措施對動力電池充放電效率、循環壽命及充放電深度有了一定的提高;經過絕緣管理措施使新能源農產品物流車輛的整車電氣安全系數有了相應的提高。

                          針對上述工作進行了多維度測試,包括動力電池組總電皮、總電流、單體電池串電壓、電池極柱溫度、電池安全及能量管理測試。在測試過程中,動力電池的總電壓、總電流、單體電池串電壓均可完成獲取并通過靜態、動態測試進行了相應的驗證,最大誤差分別為化27%、0.75%、化0019%及3.2%均符合國標要求;在SOC估算測試中進行了模擬及實際測試,模擬測試驗證了自適應雙卡爾曼濾波算法的優越性,實際測試中SOC估算精度誤差為2.1%,符合國標中SOC估算誤差5%的要求。完成了三種管理模式的驗證,其中熱管理模塊在達到設定相應闊值后可正常開啟,絕緣檢測模塊在0~500V區間內誤差最大值為1.7%,均衡管理模塊進行了靜態、動態及靜置測試,符合0~50mV壓差均衡區間王作。通過對系統多維度測試,認定該系統可滿足新能源農產品物流車輛電池管理的要求。

                          關鍵詞:農產品物流車輛,動力電池,電池管理系統,SOC估算

                          低碳物流是從國家倡導的低碳經濟中抽支出主要基于新能源技術替代傳統石油、煤炭做為物流消耗品的一項新概念IW。低碳物流可W替代傳統物流W達到低碳消耗、低溫室氣體排放,從而實現物流的低消耗、低污染、低碳排放的有效途徑,積極促進國家倡導的低碳經濟及生態保護的物流發展模式生鮮農產品物流產業實現低碳物流的途徑主要有降低物流過程中的損耗及能錠兩種。生鮮農產品物流產業是從田間地頭到餐桌的主要途徑,其途徑主要包括鐵路、公路、航空、航海等途徑。

                          在物流損耗方面主要是指生鮮農產品在物流過程中的腐敗、變質問題;在物流能耗方面,眾多運輸途徑中公路運輸方式占據主導且公路運輸的載體往往是W石油產品消耗為主的車輛,在運輸過程中排放出大量的二氧化碳等溫室氣體,造成了嚴重的空氣污染及高碳排放,嚴重阻礙了國家實現低碳經濟的道路fwl。

                          目前針對該問題的研究方向主要是有兩種,提高農產品運輸過程中的保鮮技術及使用新能源技術替代傳統石油產品消耗來完成。目前針對運輸過程中的保鮮技術己經提出了冷鏈物流、氣調保鮮物流等措施nwi]。使用新能源技術替代方案目前還未大規模實現,很重要的一項制約條件就是新能源技術還未成熟應用于該行業,導致低碳物流模式不能良好的應用于實際物流運輸。

                          (1)新能源動力電池比容量有待提高。新能源物流車的動為源來自動力電池,目前動力電池的比容量有待提高。比容量分為質量比容量和體積比容量,目前動力電池已經發展到磯酸鐵里型電池,但是比容量仍然不能滿足新能源車輛行駛較長距離,目前己經運行的新能源車輛只能適用于城市環境。

                          (2)新能源動力電池狀態檢測技術有待提高。在動為電池信息采集層面,無法實現動力電池信息數據的全部采集,F有的電池管理系統一般只是對動力電池的電壓、電流及溫度進行采集,且大多采用模擬電路搭建采集電路,采集精度不高且容易受到電磁福射干擾,成為制約新能源技術發展的一個瓶頸。

                          (3)新能源動力電池狀態分析技術有待提高。新能源動力電池SOC (StateofCharge,即電池的荷電狀態)估算技術種類繁多,但是每種估算技術都存在一定的缺陷,無法為用戶提供精確的可續航里程提示,F有動力電池管理系統SOC估算方法大多采用安時積分方法及卡爾曼濾波法,安時積分方法存在誤差累積效應,在長時間運行過程中估算誤差會隨著時間的推移而逐漸增大,嚴重誤導用戶容易造成車輛因動力不足導致的"趴窩"現象;卡爾曼濾波法目前應用巧廣,但是該方法同時存在電池模型依賴性強問題,一旦電池模型不準確也容易造成動力電池SOC估算的不準確性。

                          (4)新能源動力電池安全保護及能量管理技術有待提高。動力電池總電壓較高一般可達上百伏,而車載電氣設備一般是幾十伏且共用一個車架大地進行接地,如果動力電池對車架大地絕緣性能不良會導致浮地效應產生,輕則導致其它車載設備無法正常工作,嚴重的因為電壓、電流的串擾導致設備燒壞。新能源動力電池管理系統熱管理功能欠缺,在高低溫環境下動力電池無法快速、高效的工作。而目前的動力電池熱管理大都只有單一的降溫功能,在低溫環境下無法使動力電池工作在合適的溫度區間內,嚴重影響了動力電池的放電深度,使新能源車輛在續航里程上大打折扣。

                          因此,開展新能源技術的研究對生鮮農產品低碳物流具有重要理論及應用意義。本文擬針對上述問題中的新能源動力電池的狀態檢測、狀態分析、能量管理及安全保護方面進行研充,通過對國內外動力電池的等效電路建立及建模參數識別方法、動力電池管理系統的監測數據分類、監測數據精度要求、熱管理、安全管理等現狀進行分析,對新能源動力電池管理系統進行理論分析、實物設計及測試實驗,對我國生鮮農產品物流產業邁向低碳物流模式具有重要意義。

                          在本文中,具有W下應用意義:本文提出了 "策略+采集"方式實現動力電池信息的采集及管理,由于該方式采集精度高可為SOC估算提供精確數據;提出了動力電池主動均衡技術,可實現車輛動力電池組中單體電池串間存在的壓差問題,使得動力電池組可W在充放電過程中的電壓始終處于平衡狀態,變相的提高了動力電池的容量。提出了熱管理方式,通過風扇及加熱絲的開啟、閉合實現動力電池箱可是處于最佳的充放電溫度環境中,放電深度增大使得車輛的續航里程増加;提出了自適應雙卡爾曼濾波算法,有效的提高了 SOC估算的精度;提出了絕緣電阻的檢測方法,提高了車輛電氣范疇內的安全性能;針對硬件平臺進行了詳細的測試,可面向市場進行推廣應用。通過上述描述,本文中系統可以良好的應用于生鮮農產品物流中,為國家倡導的低碳排放物流模式貢獻一份力量。

                        測試環境搭建
                        測試環境搭建

                        靜電放電抗擾度測試工具及環境圖
                        靜電放電抗擾度測試工具及環境圖

                        繼電器波形圖
                        繼電器波形圖

                        快速瞬變脈沖群抗擾度測試工具及巧境圖
                        快速瞬變脈沖群抗擾度測試工具及巧境圖

                        CAN總線波形
                        CAN總線波形

                        巧態放電過程測試
                        巧態放電過程測試

                        目錄

                          第一章 緒論
                            1.1 問題提出及研巧意義
                            1.2 農產品物流技術國內外研究現狀
                            1.3 新能源電池管理系統國內外研巧現狀
                            1.4 研究目標與內容
                            1.5 技術路線
                          第二章 電池管理系統關鍵技術研究
                            2.1 電池管理系統需求分析
                            2.2 單體電池串電壓、總電流、總電壓采集技術研巧
                            2.3 單體電池串均衡技術研究
                            2.4 絕緣電阻檢測技術研究
                            2.5 本章小結
                          第三章 農產品物流車輛電池管理系統平臺實現
                            3.1 農產品物流車輛電池管理系統硬件構架
                            3.2 策略單元硬件設計及實現
                            3.3 采集單元硬件設計及實現
                            3.4 農產品物流車輛電池管理系統軟件構架
                            3.5 采集單元軟件設計
                            3.6 策略單元軟件設計
                            3.7 本章小結
                          第四章 動力電池等效電路模型建立、參數識別及驗證
                            4.1 動為電池模型建立
                            4.2 電動勢等效模型理論分析
                            4.3 影響模型建立的H個因素
                            4.4 模型參數識別方法
                            4.5 電動勢等效模型驗證
                            4.6 本章小結
                          第五章 基于自適應雙卡爾曼濾波算法的SOC估算研究
                            5.1 SOC定義及常用估算方法
                            5.2 基于自適應雙卡爾曼濾波算法的SOC估算方法
                            5.3 仿真實驗
                            5.4 算法測試
                            5.5 本章小結
                          第六章 農產品物流車輛電池管理系統測試
                            6.1 實驗環境搭建
                            6.2 硬件本體測試
                            6.3 靜態測試
                            6.4 動態測試
                            6.5 模擬工況SOC估算測試
                            6.6 真實路況測試
                            6.7 本章小結
                          第七章 結論與展望
                            7.1 研究結論
                            7.2 本文創新點
                            7.3 研究展望
                          參考文獻
                          致謝
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