面向电动汽车的集中式电池管理系统研究与设计

发布时间：2020-11-17 21:08

　　 近年来,在国家战略计划的推动下,电动汽车行业迎来蓬勃发展。随着电动汽车的飞速发展,电动汽车的关键部分—动力电池这块存在着一些问题亟待解决。应用在电动汽车上面的锂离子动力电池通常需要大量电芯串并联形成电池组以满足汽车动力需求。但是由于串联的单体电池之间存在差异,这种差异一旦随时间增大,很容易造成电池故障甚至危险,所以电池管理系统在保障电池有效输出能量,安全高效地工作方面起到了至关重要的作用。国内外各大高校及科技公司纷纷投入了对电动汽车电池管理系统的研发。目前市场上的电池管理系统(BMS)存在一些问题,例如电池数据采样精度不高,导致测量数据误差较大,直接影响电池的状态估算以及保护管理问题;SOC算法单一造成电动汽车运行一段时间后SOC估算误差越来越大。这些问题都直接影响着动力电池的有效使用。为了解决这些存在的问题,本论文基于校企合作项目,针对144V锂离子动力电池,进行了电池管理系统的研究与设计,最终开发了一套符合项目技术指标的BMS样机。本文具体研究内容如下:首先介绍了电动汽车和BMS的国内外发展现状,提出了当前存在的几个关键问题。然后从锂离子电池工作特性出发,研究了锂离子电池的等效电路模型,分析了现有的SOC估算算法和均衡控制方案,设计了一种以安时积分法和开路电压法结合为基础,进行卡尔曼滤波校正的SOC估算算法,提出了以单体电压为均衡变量的被动均衡控制方案。最后分析了当前电池管理系统的软硬件方案,从现有的方案中总结出经验,结合项目需求和工程实践要求,设计出了新的软硬件方案。本方案的硬件平台采用集中式硬件拓扑结构,选用NXP公司的MC9S12XET256为主控制器,对电池管理系统硬件各个功能模块电路进行了具体的分析与设计,包括微控制器(MCU)最小系统、电源模块、检测模块、CAN通信模块、RTC模块、数据存储模块、继电器控制以及均衡控制电路等。软件系统选择使用当前比较流行的实时操作系统—FreeRTOS,先对底层驱动程序设计进行了详细阐述,然后介绍了FreeRTOS操作系统在HCS12X硬件平台上的移植,最后利用操作系统的线程调度机制,将BMS功能细分成若干个线程(任务),对每个子任务进行相应的程序设计,每个任务独立工作,除了必要时进行任务之间的同步通信以外,其余时刻互不干扰,从而保证了整体系统的稳定性和实时性。最后,为了验证BMS样机的功能以及可靠性,本文设计了台架测试实验,电池包充放电循环测试实验,实验结果表明BMS样机的电压电流温度检测功能正常,测量误差在允许范围内,SOC估算误差在5%以内,符合指标规定的8%以内,通信功能以及管理控制功能正常,综合测试结果基本达到技术指标。
【学位单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP311.52;U469.72
【部分图文】：

能源电动汽车行业也成为能源战略转型的重要产业之一[3,于传统燃油汽车，拥有得天独厚的优势，主要体现在：环保性好。因为电动汽车采用二次电池作为动力来源，这种零尾气排放，零污染，对生态环境友好。能源消耗上表现优越。电池汽车上的车用动力电池可以实一步提高了能源的利用效率，有效地缓解了当前能源危机汽车主要分为：纯电动型、油电混合动力型、插电式混合动等[7]。在能量节约型社会的时代大背景下，国务院印发《“兴产业发展规划》，提出将新能源汽车产业列为重点发展方汽车、插电式混合动力汽车、燃料电池汽车等为代表的新到汽车强国的升级，同时以新能源汽车为契机继续开辟我1 展示了 2015~2017 年新能源汽车的月底销量。

图 1.3 OCV 曲线和每毫伏电压的 SOC 的变化2. SOC 估算算法单一SOC 在整个 BMS 中的重要地位不可质疑。SOC 是通过电池的外部参数来进行状态估计的，主要采用的是安时积分法或开路电压法等单一算法，这些算法都能在一定程度上准确估算出 SOC，但是每种算法都有一定的局限性，例如安时积分法在估算过程中会不断地累积误差；而开路电压法又必须让电池处于搁置状态数小时以上，在汽车行驶过程中估算 SOC 是根本不可行的；神经网络法目前只是处于实验室阶段。所以只依靠一种算法是无法持续精确地对电池剩余电量进行在线估算的，需要采用融合算法，结合各种算法的优劣，达到最佳估算的效果[28]。1.4 本文主要研究内容本论文以校企合作的 BMS 项目为课题背景，依据企业提供的 144V 锂离子

图 2.2 电池等效电路模型 R0 和 R1 统称为电池内阻，其中 R0 为欧姆电阻，了电池内部极化引起的响应特征；UOCV表示电池压。根据基尔霍夫电压电流定律可得式(2.2)和式OCV1 0u = u u i R1 11u dui CR dt= + 电池的开路电压，通常是将电池静置 1 小时以上再符号，放电时为正，充电时为负。中加入观测噪声 V ( k )，V ( k )服从高斯分布，即 E式(2.4)；选取 SOC 和极化电容两端的电压 U1作离散化处理，结合安时积分定义公式，得到适用于
【参考文献】

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本文编号：2887916