摘 要

随着世界经济的快速发展和能源缺乏问题，各国对新能源的发展越来越重视。船舶动力电池系统作为船舶上重要且不可或缺的一部分，对其的研究也越来越多。船舶动力电池系统电池运行的数据分析是其产业发展的基础。因此，设计一套船舶动力电池组进行在线监测评估有着重大的意义。

本文通过分析电动汽车电池管理系统并结合船舶航行时的可能存在的诸多因素研制了一种新型动力电池监测终端，并在实际环境下应用于动力电池的在线监测，从而对其的状态作出反馈。第一针对其特性作了探讨，对于目前普遍被接受的锂离子电池，将它们按照原理进行分类，并且研究锂离子动力电池的性能和实际应用中的问题。第二是针对船舶动力电池系统，研发出了51单片机为核心的实时监测系统，能够增强该方面电池电压及温度的数据准确度，并且开发了上位机软件，可以对其信息在线解析。

关键词：船舶电池系统、动力电池、在线监测。

Abstract

With the rapid development of the world economy and the lack of energy, countries pay more and more attention to the development of new energy. As an important and indispensable part of ship power battery system, more and more research has been done on it. The data analysis of battery operation in Marine Power Battery System is the basis of its industrial development. Therefore, it is of great significance to design a set of marine power battery for on-line monitoring and evaluation.

In this paper, a new type of power battery monitoring terminal has been developed by analyzing the battery management system of electric vehicle and combining with the factors that may exist when the ship is sailing, and has been applied to the on-line monitoring of power battery in Practical Environment To give feedback on its state. In the first part, the characteristics of Lithium Ion power batteries are discussed, and the generally accepted lithium-ion battery are classified according to their principles, and the performance and practical application of Lithium Ion power batteries are studied. Secondly, a real-time monitoring system based on 51 single-chip microcomputer has been developed for the Marine Power Battery System, which can enhance the data accuracy of the battery voltage and temperature in this area, and the upper computer software has been developed It can be analyzed online.

Key Words：.Ship power system; power battery; on-line monitoring

目录

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2目前国内外发展现状

第2章 动力电池性能研究与电池状态评估方法

2.1 锂离子电池分类

2.2电池特性研究

2.3锂电池的工作基本原理

2.4锂电池的主要技术参数及其应用的问题

2.5动力电池状态评估技术

2.5.1动力特性指标分析与评价方法

2.5.2利用电池模型进行评价

第3章 动力电池组在线监测终端设计

3.1在线监测终端方案制定

3.2硬件设计

3.2.1 硬件方案设计

3.2.2 MCU选型

3.2.3 单体电压采集单元设计

3.2.4 温度采集单元设计

3.2.5 电流采集单元设计

3.2.6 抗干扰设计

3.3 软件设计

3.3.1 设计依据

3.3.2 模块化设计和功能分析

3.3.2.1 数据分析模块

3.3.2.2系统设置模块

3.3.2.3历史数据管理模块

3.3.2.4 SOC矫正模块

第4章 动力电池在线状态监测

4.1 测量静止状态下的电池单体电压（OCV）

4.2 测量电池单体的动态电压 V

4.3 测量电池单体的动态电压变化率 d V(t)/dt

4.4 测量电池单体的动态电阻 d V(t)/di

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.1 展望

参考文献

致谢

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

经济发展给我们带来便捷生活的同时离不开能源消耗和环境污染。在能源短缺和环境污染双重问题下，人类必须关注新能源领域。据了解，2014年，瑞士银行发布了一份关于全球石油行业现状的报告，世界石油储量已探明或确认为约1.8万亿桶。相关数据显示，全球每过一天，就有7100万桶该类资源消失。也就是说，如果这种消耗率持续下去，当前的该类资源在50年内就会枯竭。煤是一种不可再生资源，大部分位于地壳深处，开采难度大。其中，可开采煤炭约1600亿吨，可供人类使用约200年。但是，目前对该类资源的开采效率不高，并且在这一过程中使得环境被破坏，这些问题形势非常严峻。而天然气是新能源，其在燃烧环节不会有有害气体，然而会有温室效应。此外，储量只能支持开采60年^[1]。鉴于此，全球的三大能源照目前的消耗速度，未来将无法维持人类的需求。我国虽然面积巨大，各类资源的存储量较多，但是因为人口众多，所以其分摊到个人是很少的。所以，我国迫切需要完成新能源的转化。

目前，各种新能源的开发应用可谓百家争鸣。到2012年，三峡水电站装机容量已达2240千瓦。核能发电项目越来越成熟。有几十座核电站建成，大部分位于沿海地区。内蒙古等拥有大量风能、光能资源的地方开始建设以此为动力的发电项目。但是，上述新能源开发受到环境和安全风险等诸多因素的制约，无法实现小型化和便利化。锂离子电池由于具有循环充放电的特点，可以作为高效的储能载体，从而解决了上述问题。

锂离子动力电池是被相关学者近年来广泛推崇的新能源，其已经在诸多行业进行了实践，特别是汽车动力领域。比亚迪公司的秦比亚迪和唐忠比亚迪都使用锂铁磷酸盐动力电池。这是本研究的目标。此外，美国特斯拉公司主要生产锂离子电池作为动力输出，而大多数日本公司使用锰酸锂电池^[2]。

目前电池管理系统在电动汽车方面的运用已经相当成熟，但是对于船用的电池管理系统却没有深入进行研究还不够成熟。究其原因主要还是考虑到船舶的特殊性。不同于车载动力电池，船用动力电池所需容量大，在航行期间，一天24小时必须保证运行正常。另外电池组所处环境湿度大，盐度高，维修保养的难度加大，防潮及防腐蚀性能需要倍加考虑。所以运用在电动汽车上的电池管理系统不能照搬到船舶上，需要考虑多方面因素做出适当的改变。船舶航行海况复杂，安全永远要放在第一位。船舶动力电池运行状态受外部影响因素较多，所以设计一套船舶动力电池组在线监测系统设计，实时监测电池的运行数据，对船舶运行管理有着重要的意义。

1.2目前国内外发展现状

国外有关车辆调度监控终端的探究最早始于上世纪的70年代中期，在这一方面做的做好的国家时德国，其发明了记录仪，借助串口通信这一模式使得模拟表盘得以实现，并且能够获得汽车总共行驶的距离，在此背景下，该类技术得到了历史性的进步^[3]。

在德国技术的推动下，3年后，欧洲的绝大多数汽车制造商都开始将该项记录仪加入到汽车之中，同时针对原来的一些问题借助机电模拟这一途径作了优化，使该领域的技术较之前再次获得发展^[4]。

而有关该方面的探究正式跨入数字化时代是在1996年，这一年美德的相关企业开始协作，在原有记录仪的基础上使其准确度更高，并且界面更加地清楚。

进入新世纪后，诸多领域开始运用新能源技术，其迅速崛起，在此背景下，以环保健康为核心目的的电动汽车开始走入人们的视野，建立在该领域的车辆调度监控终端也在此获得了新的发展。越来越多的设备开始运用这一技术，其为人们带来了诸多便利，因此人们对于该内容的发展也越来越渴求，在此背景下，该项技术不断进步，相关成果不断涌现。

这一领域的先行者是日本，该国的政府及企业都对新能源领域十分地关注，在经历了08年的金融风暴之后，其慢慢地开始研发HEX 型混合动力电动车，同时，诸多企业进行了该类车辆的车辆调度监控终端的探究，其突破性地在这类装置中添加了动力电池的信息搜集模块^[6]。

之后是美国，在汽车行业，通用企业长期以来均是巨头，其在电动汽车方面也走在前列，并且其是最早开发出混合动力电动车的企业，并且已经占据了很大的市场份额。同时其以单片机为基础，开发了辆调度监控终端，其具备读取车况及电池数据的功能^[7-8]。

随着时代的发展，以无线网络技术为核心的车载信息系统成为各家企业新的关注重其兼具了信息与通信技术，具备语音识别、GPS定位等诸多功能，借助信息交互的手段，把汽车本身作为系统的核心，从而能够做到内外间的单双向互动信息交互，其涵盖了定位、新闻、股市等信息和广播、电视等^[9]。因为该系统的双向交互性，因此其完成了以车为核心的人、路、车三者融为一体的通讯系统，这是其他设备所不具备的。

我国对于电池管理方面的探讨变的热门是在我国“十一五”计划期间，其发展历史不久，还远远达不到国外先进水平。在2011年至今，因为国家政策的支持以及市场的巨大需求，该方面的研究已经获得了飞速发展。中国电科院开发出了以Linux 系统为核心的电动汽车运行监控管理系统，能够获得其运作的关键数据，并实施地对其活动进行测控，其主要由智能终端和监控管理软件两部分构成，拥有电池信息、汽车定位、行驶距离等数据的录入与储存，同时也拥有打电话、写短信等模块^[10]。

第2章 动力电池性能研究与电池状态评估方法

2.1 锂离子电池分类

锂离子电池的分类主要是根据正极材料划分。而正极材料的选用决定着电池的性能。

（1）钴酸锂正极材料

该类电池拥有以下优点：结构不易破坏、比容量高、性能非常好，其往往在中小型电芯中运用较为广泛，一般而言，其运行的标准电压为3.7v，其也有着一些弊端，那就是成本不低，并且安全度不高。

（2）锰酸锂正极材料

该类电池在很多情况下都会分解产生气体，因此其不具有稳定性，然而与钴酸锂相比，其成本不高，并且拥有较高的安全度，为了使其具有较高的稳定性，往往将其与其他材料混用，这样也能够进一步地减少成本支出。但是以该种方式生产的电视，生命周期往往不长，而且使用后会有膨胀的状况发生，且当前并没有很少的办法来克服这一问题，其往往在大中型电芯中运用较为广泛，一般而言，其运行的标准电压为3.7v。

（3）磷酸铁锂正极材料

该类电池的优势在于安全第一极高，其循环度性能够达到 2000周，由于这一特性，很多企业都把目光聚焦于该种材料。很多企业也实践性地将其用在了电动汽车的生产当中。其标准电压比前两种要低，一般而言，在3.2-3.3V之间，所以需要专门的电路对其保护，但是电路的能量密度不高，这也是需要克服的问题。以下如表2.3所示，对几款电池正极材料的优劣势进行对比^[10]

表2.1 三种正极材料的优劣势

2.2电池特性研究

因为电池的非线性特征，所以需要借助其电动势、内在电压、电阻等指标来对其性能作出判断。

当前被人们所普遍接受的观点是，电池使用时是具有非线性特征的，所以在这一过程中药判断其输出的能量就得依靠一个基准，通过相关解析，本文得出电池在使用过程当中是发生着一系列的化学反应，化学反应是一个相对难以控制的过程，因此在这一过程中无法准确预测接下去电池的使用状况。所以，其电动势往往会受到外部因素的干扰，尽管在这方面，目前已经有了一些成果。诸如发现其形状和大小不会对这一指标产生印象，然而必须承认的一点是，其数值为两极的平衡电位的差值。换言之，使用过程中这一数值越高，则表现出来的特性为其能输出的最大势能也会因此提高。

一般而言，平常所说的电池放电电压专业来说就是其工作电压，这一点还有另一种称法，即为：电池在实际的工作当中的输出电压，该电压的内涵为一旦外接负载接通电池，其两极间的压降就是工作电压。我们知道，通常而言，在运作过程中，其工作电压都比开路电压要小，之所以会有这一情况是由于一旦电路接通，电流就会通过其内部电阻，两者间为串联的关系，因此电池在工作中的电压就会小于开路电压。

在此基础上继续探讨，不难发现其内部电阻由欧姆内阻及极化内阻构成。这是由于其组成模块为：本身内阻、电池电解液的内阻、离子透过隔膜发生的阻力。一般把其运作过程中，正负粒子穿透隔膜发生的阻力、两极和其内部隔离层接触产生的电阻，定义成欧姆电阻。生产工艺的差别也会带来电阻的差别，这是因为电池的类型差别，所用正负极的材料的差别，电池的电解液的差别都会对电池的内阻产生不同的影响，最重要的是，电池在使用过程当中因为化学反应带来的电阻定义为极化电阻。因为其具有容性性状，因此其不再欧姆定律范围内。

当前被人们所普遍接受的观点是，电池运作时通过一次放电得到的电能就是电池的容量，举一个简单的例子，对于燃料为汽油的汽车而言，加满一箱油后汽车从油量为满格到耗尽位置形势的距离就是其有效续航，两者的机理是一致的。对于该方面目前有三个不同的说法，即理论、额定、实际容量。

2.3锂电池的工作基本原理

该类电池的工作机理为由锂离子在两极间的运动产生的，因为嵌入正极和负极的锂离子数量不同，由此我们可知锂电池中的锂离子可以存储大量的能量，其电能容量与其数量之间有着正相关联系。换言之，数量增加，则其容量也会增加。在该类电池充电时，位于其正极的锂金属氧化物会发生化学反应，通过氧化还原反应产生相应的锂离子，通过电池内部的有机电解质做为媒介，会有辅助作用发生，从而让该离子来到负极，一般而言，往往把石墨作为电池的负极，因为其往往为层状结构，拥有着大量的微孔，该类离子的直径非常之小，能够在这些微孔当中自由穿梭，一旦充电时间变长，其内部的该离子会越来越多。最终会让其电压变高。一旦电池进行放电，则整个过程与其相反，在此不再赘述。

本文将把以磷酸铁锂作为正极的锂离子电池当做客体进行探讨。除开这一材料，还涵盖了负极、电解质、隔膜、电池壳、绝缘材料等。具体见下图，其左侧为橄榄石结构的LiFePO₄，借助铝箔连接正极，中间的聚合物隔膜能够把两极进行区分，允许Li 通过，不允许e^-通过，右侧为负极，借助铜箔与之相连。电池上下端间充斥着电解质，其借助塑料壳、金属外壳来进行封装。

图2.2 磷酸铁锂电池的内部结构

据上图所示，该类电池的运作机理为借助锂离子于两极的嵌入和脱出来完成其充放电的操作，具体方程式见下：

正极反应： （2.1）

负极反应： （2.2）

总反应式： （2.3）

图2.3 磷酸铁锂电池充放电示意图

2.4锂电池的主要技术参数及其应用的问题

（1）额定容量

额定容量是指在已有设定规定的情况下，电池所能释放的最少电量。电池的理论容

量可由以下参数精确求出：按法拉第定律计算的活性物质的电化学容量和池反应式中电

极活性物质的用量。为了保证锂离子功能的实现，设计时将有特殊方法，但是在发生化

学反应的过程当中随之伴随着副反应，通过实际的测量电池的实际容量都会比理论容量

低。

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