 Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2012, 2, 90-95 http://dx.doi.org/10.12677/csa.2012.22017 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/csa) The Design of Battery Temperature Feedback System in New Energy Vehicle Based on the Theory of TRIZ Qingyue Liu1, Hongjie Liu2 1Nanjing University of Posts and Telecommunication, Nanjing 2Nanjing Putian Telecommunications Co., Ltd, Nanjing Email: Sylvia531@live.cn, hongjie_liu@139.com Received: May 4th, 2012; revised: May 21st, 2012; accepted: May 29th, 2012 Abstract: This essay analyzed main points of the theory of TRIZ (Theory of the Solution of Inventive Problems), and searched for the fundamental thoughts and methods. It also used this theory to improve the battery system in the new energy verticals. Firstly, this essay used the theory of evolution from TRIZ to analyze different kinds of graphs which show the current development of cars. And this research showed that it is valuable to search for the field of the battery system also it is really immediately to do so. Secondly, it used the theory of TRIZ to lead to the improvement of battery system in the new energy vertical. We separated the battery system from the vertical by using the contradiction matrix and analysis the effect of temperature alone. We raised the technical contradiction in the battery system and using the contradiction matrix to solve the contradiction we found. Also we raised the physical contradiction in the battery system and use the principle of separating to leave the problem of temperature in the subsystem. In the end we use the knowl- edge of 51 SCM and temperature sensor DS18B20 to solve the problem and use the Proteus to make the plan reality. Keywords: The Theory of TRIZ; Evolution; Technical Contradiction; Battery System; Single-Chip Microprocessor; DS18B20 基于 TRIZ 理论的新能源汽车电池温控系统设计 刘清越 1，刘宏杰 2 1南京邮电大学，南京 2南京普天通信股份有限公司，南京 Email: Sylvia531@live.cn, hongjie_liu@139.com 收稿日期：2012 年5月4日；修回日期：2012年5月21 日；录用日期：2012年5月29日 摘 要：本文分析了 TRIZ(俄文 теории решения изобретательских задач 的英文音译 Teoriya Resheniya Izo- breatatelskikh Zadatch 的缩写，其英文全称是 Theory of the Solution of Inventive Problems 发明问题解决理论)理论 与方法的主要内容，阐述了TRIZ 的基本思想和方法体系，通过实例说明 TRIZ 在新能源汽车动力电池改进中的 应用。本文从TRIZ 理论的技术系统进化体系出发，通过各项图表分析汽车行业的发展现状，得出新能源汽车 动力电池系统的研究是有实际价值并且迫在眉睫的。其次，用TRIZ 理论指导新能源汽车动力电池的改进。采 用矛盾矩阵和分离原理，将电池系统与新能源汽车系统中分离开来，单独研究温度对动力电池系统的作用。分 析其存在的技术矛盾，利用矛盾矩阵找到解决方法。分析其存在的物理矛盾，采用系统分离原理，将温度解决 问题并入子系统解决。并通过51 单片机的知识和 DS18B20温度传感器得出解决方案。最后，利用Proteus 仿真 软件实现对解决方案的验证。 关键词：TRIZ 理论；进化论；技术矛盾；动力电池；单片机；DS18B20 Copyright © 2012 Hanspub 90  基于 TRIZ理论的新能源汽车电池温控系统设计 Copyright © 2012 Hanspub 91 1. 引言 TRIZ 理论是由前苏联 G. S. Altshuller及其领导的 一批研究人员自1946 年开始，在分析，研究，归纳， 总结世界各国 250万件高水平发明专利的基础上所提 出的发明问题解决理论。 简要地说就是当发明问题产生时，首先对照技术 体系进化法则确定其所处的发展阶段，预测其未来的 发展方向，进行理想解描述的过程。 一般问题的解决路径是：对系统进行各种分析， 主要工具有功能分析，资源分析和矛盾分析等，从而 将一般问题转化为TRIZ 标准问题(确定技术矛盾)，提 取通用工程参数，查找矛盾矩阵表，运用 40 个发明 原理求解；如确定为物理矛盾的，运用分离原理配合 40 个发明原理求解。 本论文对发明问题解决理论TRIZ 进行了深入的 分析和研究，并以此为指导设计了新能源汽车动力系 统控温反馈系统。 首先，从 TRIZ 理论的技术系统进化体系出发， 通过各项图表分析汽车行业的发展现状，得出新能源 汽车动力电池系统的研究是有实际价值和迫在眉睫 的发展方向。 其次，用 TRIZ 理论指导新能源汽车动力电池的 改进。采用矛盾矩阵和分离原理，将电池系统与新能 源汽车系统分离开来，单独研究温度对动力电池系统 的作用。分析其存在的技术矛盾，利用矛盾矩阵找到 解决方法；分析其存在的物理矛盾，采用系统分离原 理，将温度解决问题并入子系统解决。 再则，并通过 51 单片机的知识和 DS18B20温度 传感器得出解决方案。 最后，利用 Proteus 仿真软件实现对解决方案的 验证。 2. 利用技术进化论确定研究方向 2.1. TRIZ的技术进化论 TRIZ 理论认为技术系统的进化并非取决于人的 主观愿望，而是遵循事物进化的客观规律和模式。它 与自然科学中的达尔文生物进化论和斯宾塞的社会 达尔文主义同被称为“三大进化论”。 TRIZ中的技术进化理论是 TRIZ 理论的基础。技 术进化理论将产品进化过程分为4个阶段：婴儿期、 成长期、成熟期、退出期，形成如图1所示的 S型进 化曲线。处于前两个阶段的产品，企业应加大投入， 尽快使其进入成熟期，以便企业获得最大效益；处于 成熟期的产品，企业应对其替代技术进行研究，使产 品取得新的替代技术，以应对未来的市场竞争；处于 退出期的产品，企业利润急剧下降，应尽快淘汰。这 些可以为企业产品规划提供具体的、科学的支持。 运用 TRIZ 的技术进化论在产品开发战略层面对 产品的技术、创新、市场等参数进行归纳分析，明确 产品现阶段的发展定位，由此确定如何选择产品差异 化与低成本、渐进和突破开发战略，为产品开发战术 实施提供导向。 2.2. 汽车产业发展分析 根据资料[1]所统计有关汽车从产生到发展到现在 的一些数据资料，分别根据汽车的参数性能，发明专 利数量，发明级别，获得利润的数据绘制成图，如图 2所示汽车进化各阶段各参数变化。 图2中红线部分即为汽车现在所处的发展阶段， 从现阶段汽车发展情况曲线可以看出，汽车速度的进 化已经进入了成熟期，车速已经够快了，道路也足够 好了，也就是说，汽车发展变的日趋完善，性能水平 达到最高，所获的利润达到最大并有下降的趋势。关 键问题已经不是车能跑多快，而是出于安全的考虑， 车速需要限制的问题。至此汽车速度在发展上已经接 近了一个发展极限。而汽车的其他很多参数，例如安 全性，操控性能参数，则仍然处于成长期阶段，还有 许多可以开发的余地。因此汽车的安全系统、电子系 统、环保指标等，就成了汽车研发的主攻方向。 性 能 参 数成长期 婴儿期 时间 成熟期 自然和社会系统客观规律 衰退期 Figure 1. The S-curve graph 图1. S-曲线的进化规律  基于 TRIZ理论的新能源汽车电池温控系统设计 Figure 2. The change of parameters during different period of development of cars’ industry 图2. 汽车进化各阶段各参数变化 2.3. 研究方向确定 本项目就通过 S型进化曲线的进化规律找到汽车 发展的现状。提出汽车发展的后续可能性，以使汽车 向环保领域的发展。 从全球新能源汽车的发展来看，其动力电源主要 包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、 超级电容器，其中铅酸电池、超级电容器大多以辅助 动力源的形式出现。就环保角度和使用情况来看锂电 池的优势相对明显。但由于锂电池的最大电压为 3.7 V 左右则必须使得多个电池串联成电池组才能满足电 动汽车对电池电压的需求。电池串联从而导致了，电 阻过大产热增高。而温度的升高则会导致电池的稳定 性下降，充电总时间增加等一系列问题。 本项目主要就充电时间限制中电流过大产热过 大导致电池寿命缩短所产生的矛盾问题利用 TRIZ 进 行解决，提出动力电池温控系统改进方案。 3. 利用 TRIZ 理论改进动力电池测温系统 3.1. 问题的定义 目前，电池在运行一段时间后电池温度升高，电 池故障率提高，电池输出功率不稳定。电池处在高温 度状态下充电会产生危险，纯电动车充电前必须间歇 冷却，从而使得充电时间拉长。 技术矛盾：如果增加充电电流以提高充电功率， 则可以实现大功率，大电流快速充电，但会使电池产 热量加大，电池不稳定性增加。 整个系统主要功能：为汽车提供动力源。 整个系统的作用对象：汽车。 系统实现主要功能所使用工具：电池组。 根据 TRIZ 理论的发明问题的解决算法，为解决 此问题，我们应该找出一些特殊的功能单元(在TRIZ 理论中把它称为 X-element)，并把它们确定为研究的 技术系统，电池能够实现快速充放电并放电驱动时不 产生大量热量。 3.2. 最终理想解的构建 分析上述技术矛盾，找出系统的关键问题和问题 区域所在，并定义物理矛盾：电池的电流应该足够大， 以便驱动汽车，或实现快速充电，同时又应该足够小， 以便减小产热量，提高电池的寿命。 定义理想化的最终结果：通过对电池系统最小的 改进，让电池能够快速大电流充放电的同时，减小整 个电池系统的产热。 3.3. 解决方案思路产生 3.3.1. 技术矛盾解决 对照矛盾矩阵查找发明原理，查找尽可能多组的 改善的通用工程参数和恶化的通用工程参数并得出解 决问题的原理。需要改善的通用工程参数分别为功率、 静止物体作用的时间，恶化的通用工程参数分别为物 质产生的有害因素、稳定性、温度。将需要改善的通 用工程参数和恶化的通用工程参数分别两两组合可得 到矛盾所提供解决方案原理分别为 2、3、14、15、17、 18、23、25、31、32、35、39、根据实际情况，结合 现实资源问题选出合适的原则有 2、17、23、25。 具体内容如下： 原理 2：拆出原则 1) 从物体中抽出可产生负面影响的部分 或属性。 2) 仅从物体中抽出必要部分和属性。 原理 17：向另一维度过渡的原则 将物体变为二维运动以克服一维直线运动或定 位的困难，或过渡到三维空间运动以消除物体在二维 平面运动或定位的问题。 1) 单层排列物体，变为多层排列。 2) 将物体倾斜或侧向放置。 3) 利用照射到临近表面或物体背面的光线。 原理 23：反馈原则 Copyright © 2012 Hanspub 92  基于 TRIZ理论的新能源汽车电池温控系统设计 1) 在系统中引入反馈。 2) 如果已引入反馈，改变其大小或作用。 原理 25：自服务原则 物体通过执行辅助或维护功能，为自身服务。利 用废弃的能量和质量。 3.3.2. 物理矛盾的解决 利用系统级别分离原理，有关电流大小的矛盾在 系统的时间和空间上存在交叉的情况，既在同一时 间，充电期间或放电期间；同一空间，电池组放置空 间内。既要求电池的通过电流应该足够大，以便驱动 汽车，或实现快速充电，同时又要求电池的通过电流 足够小，以便减小产热量，提高电池寿命。 所以系统无法采用时间分离法或空间分离法，而 只能采用系统分离法。既将对同一个参数的不同要 求，在不同的系统级别上实现。如图3所示系统分离 框图。 所以根据分离原理提示，我们可以将电池增加一 部分作为子系统，在子系统中利用51单片机解决温 度监测和温度反馈调节问题。 3.4. 解决思路的得出 通过对上述物理矛盾和技术矛盾的求解可以得 出原理上相同的解题思路，及在原有电池系统的基础 上增加控温反馈电路子系统，通过温度反馈情况开启 降温装置。 4. 电池系统温度问题解决方案实现与验证 4.1. 传感器的放置地点分析 由锂离子电池的热散逸情况资料可得，锂离子电 池在正常工作状态下，在特定的充放电条件下，产热 的速率基本上是比较稳定的，因而热散逸速度决定了 电池的温度。 资料[2]显示，将型号为 F8065130 的磷酸铁锂叠片 软包装电池在电池检测柜上以 5C电流强度放电， Figure 3. System diagram of the separation 图3. 系统分离框图 放电完毕后立即用 Fluke Ti10 对电池表面进行热成 像，结果如图 4所示电池热成像图，由图可知，电池 表面的温度并不均一。 资料中使用 Fluke自带的 Smartview软件对温度 分布进行 3D 作图，结果如图 5所示电池热成像 3D 图。 由图可以看出电池表面温度分布的特点：一是电 池左右两个侧面的温度比上下两个面的温度高；二是 电池表面的温度沿着有极耳的一端逐渐攀升。 所以电路设计中温度传感器应放置在锂电池组 的两侧。 4.2. 硬件部分实现 利用单片机 AT 89 C5 1控制DS18B20 温度传感器 对电池表面温度控制，当电池表面温度高于预设温度 值是系统启动电动机开始散热(电机开始工作，散热开 始)，当温度达到预设温度值时通过继电器使得电动机 停止散热。预设温度和实测温度分别由 LCD1602 显 示。 Figure 4. The image of battery thermal 图4. 电池热成像图 Figure 5. The 3-dimension image of battery thermal 图5. 电池热成像 3D 图 Copyright © 2012 Hanspub 93  基于 TRIZ理论的新能源汽车电池温控系统设计 Copyright © 2012 Hanspub 94 系统由单片机 AT8 9 S 5 2最小系统，LCD 显示电 路，环境温度检测电路，键盘输入电路，声光报警电 路，继电器控制电路，电源电路及其他辅助电路部分 组成，系统框图如图6温控系统框图所示。该系统以 单片机为核心，可完成温度显示、温度设定、电机控 制及超温报警等多种功能。 实现了整个电池系统空间的温度调节。调节过程线图 如图 9所示。 4.3. 软件部分设计 Figure 6. Diagram of the temperature control system C Software designing 本系统采用单片机的C语言编程编写程序，系统 软件设计流程图如图7所示软件程序流程。 图6. 温控系统框图 4.4. 结果显示与验证 开启仿真，现实时间和测试空间的温度。按左边 一排四个按钮中的第一个，选择到温度设定。第二键 为温度加，第三键为温度减。如图8所示。空间温度 高于设定温度则电动机工作。当空间温度低于设定温 度，则电动机停止工作。 实际仿真过程中，通过调节DS18B20 芯片上的 数值，模拟出实际环境温度，并显示在液晶屏的SA 状态下。例如，设计现在环境温度为45℃。之后调节 设定温度，例如调节设定使得环境温度控制在35℃以 内，并将设定温度显示在液晶屏的 SET 状态之下。此 时，表示环境温度高于了设定温度，则导致由继电器 所控制的 220 V 发动机工作，以实现降温功能。随后， 调节 DS18B20 芯片上的数值，模拟环境温度下降直 至35℃以下。此时，发动机停止工作。从而从实际上 Figure 7. Software flowing chart 图7. 软件程序流程 Figure 8. The diagram of simulation circui 图8. 输出仿真试验电路  基于 TRIZ理论的新能源汽车电池温控系统设计 Figure 9. Result line of temperature feedback 图9. 温度反馈调节 5. 总结与展望 5.1. 总结 本论文对发明问题解决理论TRIZ 进行了深入的 分析和研究，并以此为指导设计了新能源汽车动力系 统控温反馈系统。主要工作和研究成果主要有以下几 个方面： 1) 研究了发明问题解决理论 TRIZ 相关内容和方 法，分析了其关于产品分级、技术进化理论等基本理 论，并对其中解决设计矛盾的矛盾矩阵进行了细致思 考。这也是指导硬件设计的重要理论支持。 2) 通过对物理矛盾和技术矛盾的解决发现，所提 供的原理在本质上是相同的，从而可以说技术矛盾在 本质上其实是物理矛盾。发现了物理矛盾，并且解决 了物理矛盾那么技术矛盾也就随之解决了。 3) 根据原理提示，利用最简单的51 单片机和 DS18B20 温度传感器所组合成的反馈电路，实现了汽 车电池系统的随时降温。以减少了由于温度过高而导 致的电池系统不稳定的因素。 5.2. 展望 对新能源汽车的电池系统控制主要包括对电压， 电流，温度，和电池残余的控制。在今后的继续研究 中可以在温度控制的基础上加入其它参数的控制。此 外，可以利用物联网技术给每块车载电池配上标签， 这样就可以全程监控电池的使用状况了。而这样的车 载电池系统将会更加完善。 参考文献 (References) [1] 赵敏, 史晓凌, 段海波. TRIZ 入门及实践[M]. 北京: 科学出 版社, 2009. [2] 郭永兴. 锂离子动力电池制造关键技术基础及安全性研究 [D]. 中南大学, 2010. Copyright © 2012 Hanspub 95 |