纯电动汽车锂电池管理系统研究与设计

【摘要】：能源日益紧缺和环境污染加剧是人类世界面临的两大突出性难题。近些年来,国内传统汽车行业得到了快速的发展,汽车总量呈现了阶梯式的递增趋势。传统汽车行业在服务经济增长和人们生活需求的同时,也大大增加了资源消耗和环境污染。有着低功耗、低噪声、零污染特点的纯电动汽车,被公认为是未来汽车。动力锂电池有着十分突出的储能和动力性能,被认为是当前纯电动汽车最合适的动力装置。但是,如果缺乏优秀的电池管理技术,动力锂电池成组以后的性能表现会远低于单个电池,在电动汽车身上则表现出行驶里程短、安全性低、后期电池更换成本高等问题。因此,纯电动汽车要想得到市场的认可,就必须克服这一难题,提高纯电动汽车这一新型产品的竞争力。本文首先研究分析了锂电池的基本工作特性,对电池管理系统中的电池荷电状态(SOC)估算、均衡管理、最大功率预测、绝缘管理等几个方面进行了重点研究。锂电池SOC是直接反应汽车剩余行驶里程的指标,它的精确估算是目前研究的瓶颈和重点之一。本文先以戴维南(Thevenin)模型为系统模型,介绍了如何运用扩展卡尔曼滤波法实现对电池SOC的估计,并根据该模型的固有缺陷以及锂电池的工作特性,提出了一种新式的基于双模型的扩展卡尔曼滤波法估算SOC。均衡管理可以有效的提高锂电池组的不一致性,目前的均衡管理系统中常把锂电池端电压作为均衡对象,利用均衡电路使各电池的端电压保持一致。但电压的一致性并不能切实的增加电池组的可用容量。因此,本文在以反激变压器拓扑结构为均衡电路的基础上,通过保持锂电池之间SOC的一致性,以实现电池之间真正意义上的均衡。本文中纯电动汽车锂电池管理系统的硬件框架,采用了集中-分散式的结构。上层主控制器为TMS320F2812型DSP,它负责整个系统的主要工作,包括均衡管理、电量估算、安全管理、充放电控制、故障处理、数据处理等。底层控制器由Atmega32单片机构成,每个单片机负责8个电池的电压和温度的采集,以及对应均衡单元的控制。主控DSP和整车控制器、底层单片机以及充电机之间的通信都通过CAN总线实现。本文系统软件部分的设计,采用了模块化、结构化的思想,分别对系统的主程序以及各功能模块进行了设计。文章最后对锂电池等效模型以及EKF法估算SOC进行了仿真验证,并对系统的部分数据采集电路和均衡模块进行了测试,仿真和测试结果表明:采集电路和估算方法达到了设计要求。 【关键词】：纯电动汽车 电池管理系统 动力锂电池 均衡 SOC估算
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72;U463.63
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 课题来源与研究意义10-11
• 1.2 电动汽车电池管理系统国内外研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 电池管理系统功能概述13
• 1.4 课题的主要内容13-15
• 第二章 锂电池特性分析及BMS关键技术研究15-41
• 2.1 常用动力电池15
• 2.2 锂电池特性15-18
• 2.2.1 锂电池工作过程15-16
• 2.2.2 锂电池充电特性16-17
• 2.2.3 锂电池极化17
• 2.2.4 锂电池电压与SOC关系17-18
• 2.3 锂电池SOC估算18-29
• 2.3.1 SOC定义18
• 2.3.2 SOC的影响因素18-20
• 2.3.3 常用SOC估算方法20-23
• 2.3.4 锂电池的等效模型及参数辨识23-26
• 2.3.5 扩展卡尔曼滤波法估算锂电池SOC26-27
• 2.3.6 基于双模型扩展卡尔曼滤波的SOC估算27-29
• 2.4 锂电池成组特性29-32
• 2.4.1 电池组连接方式及可靠性分析29-31
• 2.4.2 电池组的不一致性31
• 2.4.3 电池组一致性评价31-32
• 2.5 锂电池分选技术32-33
• 2.6 均衡管理33-38
• 2.6.1 均衡管理分类33-34
• 2.6.2 均衡控制对象34-35
• 2.6.3 均衡电路35-38
• 2.7 最大充放电功率预测38-39
• 2.8 纯电动汽车绝缘检测技术39-40
• 2.9 本章小结40-41
• 第三章 纯电动汽车锂电池管理系统硬件设计41-52
• 3.1 纯电动汽车锂电池管理系统硬件结构研究41-42
• 3.2 纯电动汽车锂电池管理系统硬件结构设计42
• 3.3 主控制级硬件设计42-46
• 3.3.1 主控芯片选型及外围电路设计42-44
• 3.3.2 总电压采集电路设计44
• 3.3.3 总电流采集电路设计44-45
• 3.3.4 充放电控制电路设计45
• 3.3.5 CAN通信设计45-46
• 3.3.6 风扇控制电路设计46
• 3.4 底层控制级硬件设计46-50
• 3.4.1 底层单片机选型46-47
• 3.4.2 单体电池电压测量电路硬件设计47-48
• 3.4.3 温度采集电路设计48
• 3.4.4 均衡管理方案设计48-49
• 3.4.5 反激变压器设计49-50
• 3.4.6 MOSFET管选型及其驱动电路设计50
• 3.5 硬件抗干扰措施50-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第四章 纯电动汽车锂电池管理系统软件设计52-62
• 4.1 上层主控制级序设计52-58
• 4.1.1 主控程序设计52-53
• 4.1.2 故障诊断处理程序设计53-54
• 4.1.3 SOC估算程序设计54
• 4.1.4 充电控制程序设计54-55
• 4.1.5 均衡控制程序设计55-56
• 4.1.6 CAN通信程序设计56-58
• 4.2 底层控制级程序设计58-60
• 4.2.1 底层单片机主控程序设计58
• 4.2.2 单体电压采集程序设计58-59
• 4.2.3 温度采集程序设计59-60
• 4.3 上位机监控设计60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 仿真与实验验证62-68
• 5.1 实验平台与设备62
• 5.2 锂电池建模仿真62-63
• 5.3 锂电池SOC仿真63-65
• 5.3.1 基于Thevenin的EKF估算锂电池SOC仿真63-64
• 5.3.2 基于双模型的EKF估算锂电池SOC仿真64-65
• 5.4 系统功能测试65-67
• 5.4.1 电压采集实验65-66
• 5.4.2 电流采集实验66
• 5.4.3 温度采集实验66-67
• 5.4.4 均衡系统测试67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-72
• 致谢72-73
• 攻读学位期间的研究成果73-74

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