2014年“挑战杯”立项申报书.doc

编号：暨南大学“挑战杯”竞赛等学生课外学术科技创新创业竞赛项目立项申报书类别： A.哲学社会科学类社会调查报告和学术论文（哲学、经济、社会、法律、教育、管理） B.自然科学类学术论文（机械与控制、信息技术、数理、生命科学、能源化工） C.科技发明制作（机械与控制、信息技术、数理、生命科学、能源化工） D.创业计划（产品、服务）项目名称： 锂电池储能的智能管理系统 所属学院： 电气信息学院 申报负责人： 指导老师： 推荐专家： 一、申报者情况说明：A、B、C、D类项目均需填写此页。申报负责人情况姓名性别男出生年月学号学 历本科 硕士 博士学院、年级宿舍地址E-mail手机号码QQ号码其他申报者情况姓 名性别学院、年级学 历学号申报项目为：个人项目/集体项目。资格认定以上申报者均为我校正式注册的全日制本科生或研究生。院系教务秘书签章：年 月 日二、申报项目情况说明：A、B、C类项目填写此页。项目名称锂电池储能的智能管理系统项目的基本内容、意义摘要、研究思路和方法基本内容： 锂电池是一类以锂金属或锂合金为负极材料的一种电池，由于锂电池的加工、保存、使用，对环境的要求非常高，锂电池长期没有得到很好地应用。如今，由于锂电池良好的储能特性，已经广泛应用于手机、摄像机、电脑等电子产品。 出于能源和环境的考虑，锂电池在水力、火力、风力和太阳能灯储能电源系统，银行、企业的不间断电源，以及电动汽车、航空航天等领域得到了快速的发展。但是，锂电池的过流、过充、过温、过放以及充放电均衡问题都会影响锂电池的效率和寿命，甚至导致锂电池爆炸等安全性问题。针对目前储能站和电动汽车等的大量锂电池在管理中存在的问题，本项目对锂电池的管理系统(Battery Management System,BMS)的开发进行了研究设计。研究锂电池的充放电均衡问题、锂电池的剩余容量(State Of Charge,SOC)估算方法，并设计电流监测、各节电池的电压监测、温度监测等监测模块，实现故障报警、故障定位、异常情况处理以及锂电池的充放电均衡。研究过程中，先通过理论研究分析，然后MATLAB中Simulink、Spice电力电子分析软件进行模拟，最后设计储能锂电池的智能管理模块。意义摘要： 如今，随着电子、电力等科技水平的不断提高，对电源的要求也越来越高。储能站锂电池对市电削峰填谷削峰填谷，也可实现企业、银行的不间断供电等等。研究并设计一个完整的锂电池管理系统(BMS)，从而充分利用锂电池的容量、延长锂电池的使用寿命、提高锂电池的充放电效率以及提高安全可靠性，对锂电池充放电过程中的过充、过放、过温、过流等各种异常情况进行监测，从而有效地防止损坏锂电池。 因此，设计一款功能完善、成本低的锂电池管理系统(BMS)具有一定的研究意义和市场需求。研究思路和方法：本研究是在全球环保意识的增强和能源问题的突出的背景下展开的。在本次设计中，将BMS分为几个模块：测量模块、均衡模块、微处理器模块、故障报警处理模块、充放电模块。测量模块：首先将锂电池进行分组管理，例如8个锂电池为一组，通过电压传感器或者AD转换收集每节电池的电压信息，用温度传感器以及电流传感器分别进行测量电池组的温度和电流。处理器模块：处理器主要是实现计算和控制功能，处理器将测量模块得到的电压、电流、温度进行计算处理，通过计算得到锂电池的剩余容量(SOC)，并将电压、电流、SOC与阀值进行比较，判断是否处于异常状态，亦可控制主电路以及均衡电路的控制开关，然后将数据反映到上位机。均衡模块：锂电池由于生产工艺和材质的差异性以及性能参数的不断积累、使用环境差异和新旧差异等原因使得锂电池性能不一致。从而在充电过程中，当部分电池充满电时，而其他电池未达到充满状态，在放电过程中，部分电池已经放完电而其他电池仍存大量剩余容量，如此导致电池组存储的容量没有得到充分利用，降低了电池的效率。因此，很有必要通过均衡电路来平衡串联的锂电池的容量。而；锂电池的剩余电量在一定条件下与锂电池的开路电压成线性关系，因此在要求不高的条件下可以直接均衡锂电池的电压，或者可以通过微处理器计算SOC后通过控制均衡电路的电子开关实现锂电池均衡。故障报警处理模块：微处理器得到锂电池组的电压、电流、温度和剩余容量SOC之后将其与各自的阀值进行比较，当出现过充、过放、过流、过温等异常现象时，便进行报警并且通过控制电子开关断开电路，打开保护装置，同时定位故障的位置和原因，从而有效地避免安全事故。充放电模块：在充电过程中，如果刚开始电压低于摸个较低阀值时，应先进行电池预充电，避免电池在低电压时大电流对锂电池的损坏。之后一段时间进行恒流充电，电压上升，当电压达到电池的额定充电电压时，充电电路切换为恒压充电模式，电流缓慢下降，当电流低于某个阀值时，充电完毕。充电方式可以非为线性充电方式、开关充电方式、脉冲充电方式，根据实际情况选择适当的充电方式。在放电过程中，要根据放电的场合来设计相应的放电电路。下图为锂电池管理系统的各个结构模块：项目拟解决的技术难点以及预期达到的目标、主要技术指标和水平拟解决的技术难点：1、电子电路设计时元件和集成电路的选择具有一定的难度。2、建立恰当的数学模型计算锂电池剩余容量SOC。3、充电电路和均衡电路设计以及各种电路的优劣性分析。预期达到的目标：1、 研究并设计一个完整的锂电池管理系统(BMS)，实现提高锂电池工作效率和延长寿命。2、 通过参与科研项目，掌握基本的科研方法，锻炼科研思维，增强实践能力。3、 最后制作锂电池储能的管理系统，并提交项目报告书。主要技术指标和水平：1、以软件仿真方式选择最优均衡电路以及充电电路，从而为硬件实现奠定基础。2、合理选择适当的充电电路以及均衡电路，可以有效地提高锂电池的效率和使用寿命。项目研究内容的发展现状与趋势，与项目有关研究领域的基础以及专利申请和授权情况项目研究内容的发展现状与趋势 二十世纪九十年代以来，锂电池的研究和生产都取得了重大的进展，在各个领域的应用也越来越广泛。由于锂电池具有放电电压稳定，工作温度范围宽，自放电率低，储存寿命长，无记忆效应，体积小，重量轻及无公害等优点，目前已逐渐替代铅酸蓄电池、镍镉蓄电池，成为动力电池的主流。近年来，锂电池也被研究人员用在水下机器人和电动汽车上作为动力能源，锂电池的管理和应用成为水下机器人和电动汽车等发展的关键技术之一。锂电池管理系统直接检测及管理储能电池工作的全过程，包括电池充放电过程管理、电池温度检测、电池电压电流检测、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断等几个方面。国外研究现状：国外一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种电池作了大量研究及试验，总结出电池的数学模型，并成功开发出许多电池管理系统装在车上试用。比较有代表性的有：德国Mentzer Electronic GmbH和Werner Retzlaff为首设计的BADICHEQ系统及BADICOaCH系统；德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车EV1上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的SmartGuard系统（Long-Life Battery Using Intelligent Modular Control System）；美国AC Propulsion公司开发的名为BatOpt的高性能电池管理系统。国内研究现状：国内针对电动汽车的电池管理系统，仍然处于起步阶段。目前主要是一些高校，依托自己的科技优势，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同开展研究，如清华大学、北京理工大学、同济大学、北京航天航空大学等等，都取得了丰硕的成果：清华大学为EV-6580轻型电动客车配套的电池管理系统。在行驶过程中可对电池的充放电电流、电压等参数进行实时测量和监控，防止过充电、过放电，提高了电池寿命和效率，同时还开发了与该系统相匹配的充电系统。同济大学和北京星恒电池有限公司的锂离子电池管理系统主要功能有：电流电压及电池模块温度的采集，SOC估计，自动均衡，事故处理与记录等。北京航空航天大学研制的镍氢电池管理系统主要功能有：电流电压及电池箱温度的采集，SOC估计，运行状态判断和保护功能等。研究基础：1、在前期学习过程中，总结了SOC估计方法。包括开路电压法测SOC和电流积分法测SOC。使用开路电压法时，由于锂电池通常处于充电放电过程中，因此无法仅仅依靠开路电压法测量SOC。使用电流积分法时，则会因为稳态误差随时间的不断积累，而产生很大的测量误差，因此也不能只是依靠电流积分法测量SOC。2、团队成员已修多门相关科目课程，如电路、模电、数电、单片机原理、微机原理、MATLAB语言等，有良好的知识基础。预期研究成果应用、转化的前景预测及分析预期研究成果应用： 通过对锂电池的工作原理和工作特性进行研究，确定锂电池SOC计算算法。并运用MATLAB的Simulink工具包完成锂电池均衡管理和充电电路的仿真，实现锂电池管理系统硬件电路的设计。从而避免了锂电池过充