摘 要

随着我国《能源发展战略行动规划（2014年~2020年）》的推出以及国际海事组织（International MaritimeOrganization，IMO）的船舶能效指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）提出，人们一直致力于研究以新能源为动力的绿色船舶替代传统的柴油机船舶。其中以锂电池为动力的电动船舶在航行过程中可以达到零排放和低噪声，深受人们青睐。但船舶航行存在风、浪、流等很多不确定海况等影响因素，且船舶负荷种类较多。这些因素都会对锂电池的工作造成影响。而电池管理系统（Battery Management System，BMS）能够有效地对电池工作情况进行诊断与保护。所以，良好的电池管理系统能够保障电动船舶的稳定运行并有助于推动电动船舶的发展。

论文通过分析国内外电池管理系统的研究现状，对电动汽车和电动船舶领域电池管理系统的应用现状和技术要点展开研究。通过查阅文献，在现有电荷累积法的基础上设计了一套基于开路电压法与电荷累积法相结合的SOC估算方法。考虑到船用锂电池储能系统容量较大，布置分散等特点，分析动力锂电池系统的需求，拟采用分布式BMS拓扑结构。然后对船舶BMS进行需求分析，并完成其硬件电路原理设计。

关键词：锂电池；电池管理系统；均衡控制； 荷电荷状态（SOC）

Abstract

With the launch of China's "Energy Development Strategic Action Plan (2014 ~ 2020)" and the proposal of the International Maritime Organization (IMO)'s Energy Efficiency Design Index (EEDI),people have been committed to study the green ship,to replace the traditional diesel engine ships . The electric ship, which uses a lithium battery pack as its power source, can achieve zero emission and no noise during the navigation.Therefore,this kind of electric ship is favored by people. However,there are many uncertain sea conditions such as wind, waves and currents during navigation, and the large number of load the pressure when the ship is sailing, These factors will affect the work of lithium batteries .The battery management system (BMS) can effectively diagnose and protect the battery pack when it is working. Therefore, a good battery management system can ensure the stable operation of electric ships and help promote the development of electric ships.

The thesis analyzes the research status of battery management systems at home and abroad, and compares the application status and technical points of battery management systems in electric vehicles and ships. By consulting the literature, based on the existing Coulomb Counting Method, a set of SOC estimation methods based on the combination of Open Circuit Voltage Method and Coulomb Counting Method was put forward. Taking into account the larger capacity of lithium battery energy storage systems and the dispersive layout, a distributed BMS topology was adopted. The ship BMS is then subjected to a demand analysis and its hardware circuit is designed based on this.

Key Words: Battery Management System;Lithium battery ;Balancing Technology;

State of Charge

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2电池管理系统国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3本文主要研究内容 3

第2章 磷酸铁锂电池特性研究 4

2.1磷酸铁锂电池 4

2.1.1 电池的工作原理 4

2.1.2电池性能参数 5

2.2 锂电池的SOC估算 6

2.2.1 常用的SOC估算方法 6

2.2.1.1 开路电压法 6

2.2.1.2 电荷累积法 7

2.2.1.3 卡尔曼滤波法 7

2.2.1.4模糊逻辑算法和精神网络算法 8

2.2.2 船舶锂电池管理系统SOC估算方法 9

2.2.2.1估算方法的确定 9

2.2.2.2对估算结果的补偿 9

2.2.2.3 SOC估算流程图 13

第3章 BMS需求分析及结构设计 14

3.1 BMS基本功能 14

3.2 BMS拓扑结构 15

3.3 BCU和BMU需求分析 16

3.3.1电池组控制单元 16

3.3.2电池检测单元 17

第4章 BMS硬件设计 18

4.1BCU模块硬件设计 18

4.1.1单片机选型 18

4.1.1电源电路 19

4.1.2总电流监测电路 19

4.1.2.1串联电阻电流监测法 20

4.1.2.1霍尔传感器电流监测法 20

4.1.3总电压监测电路 22

4.1.4 CAN总线通信电路 22

4.2 BMU模块硬件设计 23

4.2.1单体电池电压采集电路 26

4.2.2均衡控制电路 26

4.2.2.1被动均衡 26

4.2.2.2主动均衡 27

4.2.2.3 均衡电路 28

4.2.3 SPI通信电路 30

4.2.4 温度采集电路 31

4.2.5热管理电路 34

第5章 总结与展望 35

5.1工作总结 35

5.2后期展望 35

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

航运领域是我国重要交通运输领域，它促进了我国的对外贸易和交流。但与此同时，也带来了一系列的问题。由于大多数船舶主要以重油为燃料，其硫、重金属等含量均较高，燃烧后的产物硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）以及颗粒物（PM）进一步加剧了全球的环境污染。根据交通部2015年统计的信息显示，船舶废气排放污染已经成为我国继机动车排放和工业排放后的第三大大气污染来源。国际上，国际海事组织也制定了更严苛的国际防污染公约。MARPOL公约附则 VI即限制新造船舶排放NO_X、SO_X的标准。并且从2020 年起，船用燃料含硫量在公海需低于 0.5%，而在近海区需低于 0.1%，

图1.1新能源船舶结构图