基于嵌入式的锂电池监控系统研究与设计

发布时间：2017-10-09 23:28

  本文关键词：基于嵌入式的锂电池监控系统研究与设计

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【摘要】：随着不可再生资源的日益减少以及环境污染的不断加大,新能源的利用显得越来越重要。锂离子电池在日常生活中的使用越来越广泛,其具有许多的优点如环保,寿命长,自放电率低等,代替了常用的高污染类型电池。锂离子电池作为混合动力汽车的动力来源,在当今世界各国的研究比较热门,但是锂电池的续航能力比较差,其已作为我国“863”计划中的一个课题项目研究。电池监控系统主要就是用于电池日常维护避免电池故障发生。电池监控系统主要是对电池的电压,电流,温度以及剩余容量等进行实时监测,防止电池过充过放,温度过高,发出警告信息并进行控制等。一个好的电池监控系统不仅能实时监测采集电池的实时数据,并且能够发挥电池的最优性能同时能够保护电池,防止不安全情况的发生,延长电池使用寿命从而降低电池的使用成本等。本文首先主要介绍了国内外关于电池监控系统的发展历史以及状况,叙述了电池监控系统的研究意义,分析现有电池监控系统的特征特点等,在现有的技术基础上提出一些创新点。其次重点介绍了本文所提出的电池监控系统的整体构架。本文主要采用了Altera公司的CycloneII系列的FPGA作为主控制芯片,采用了SOPC嵌入式系统技术构建了一套可行,可靠的电池监控系统,介绍了SOPC嵌入式系统的配置所需的器件和接口,分析了AD接口和嵌入式系统内部AVALON总线的时序,给出了使两者兼容的设计思路。接着介绍SOC估算的意义以及估算的难点和重点,分析了现有的估算策略的优势以及不足之处,并且结合现有的几种SOC估算策略提出了本文的SOC估算方法,阐述了卡尔曼滤波算法的推导过程以及复合卡尔曼滤波法的思想,SOC估算主要是把开路电压法,安时积分法以及扩展卡尔曼滤波法相结合进行复合运算结合三种算法的优势弥补不足之处,首先在电池开路静置状态采用开路电压法估算SOC,这种方法精度比较高,其次采用安时积分法,根据前一步得到了SOC初始值,通过安时积分法在电池工作状态进行SOC估算简单易行,减少了MCU的运算压力,在电池工作状态SOC受影响的因素比较多安时积分法的估算精确度会随着使用时间的增加而降低,可以通过卡尔曼滤波法进行SOC修正,从而为安时积分法提供最优估算初始值。后面又主要介绍了围绕FPGA建立的电池监控系统的外围电路设计包括电源,时钟复位,存储器控制电路以及数据采集和通信电路并且分析了各个电路的设计思路给出电路图。设计中AD数据采集芯片用到的是ADI公司前两年推出的电池监控系统芯片AD7280A,本文分析了这款芯片的优势以及功能使用并设计了一个高精度的电池信息采集系统和电池均衡电路。通过对硬件和系统的功能分析,又着重介绍了嵌入式系统的软件设计方法和流程,主要是SOC估算子程序流程,AD采样流程以及通信软件设计流程。最后通过simulink仿真了复合卡尔曼滤波法SOC的估算效果,分析这种估算方法的优势和不足的地方,并且给出了系统测试结果来验证该系统的功能实现。
【关键词】：电池监控系统 嵌入式 SOC估算
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912;TP277
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-14
• 1.1 背景知识10
• 1.2 国内外发展状况10-12
• 1.2.1 国外发展状况10-11
• 1.2.2 国内发展现状11-12
• 1.3 本文主要研究的内容12-13
• 1.4 本章小结13-14
• 第2章 锂电池监控系统构架14-20
• 2.1 系统结构14-15
• 2.2 嵌入式系统设计15-19
• 2.2.1 NIOSII处理器系统构架15-17
• 2.2.2 A/D转换接口设计17-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 SOC估算及电池均衡研究20-32
• 3.1 锂电池概述20-21
• 3.1.1 锂电池的工作原理20-21
• 3.2 SOC估算定义21-22
• 3.2.1 SOC估算的意义21-22
• 3.2.2 SOC估算的影响因素和难点22
• 3.3 SOC估算的方法介绍22-24
• 3.3.1 安时计量法22-23
• 3.3.2 开路电压法23
• 3.3.3 内阻法23-24
• 3.3.4 卡尔曼滤波法24
• 3.3.5 神经网络法24
• 3.4 锂电池SOC复合估算24-28
• 3.4.1 扩展卡尔曼波算法25-27
• 3.4.2 卡尔曼滤波算法推导过程27-28
• 3.4.3 本文提出的复合EKF算法思想28
• 3.5 电池均衡管理28-31
• 3.5.1 现有的电池均衡方法29
• 3.5.2 本文采用的电池均衡方案设计29-31
• 3.6 本章小结31-32
• 第4章 电池监控系统的硬件设计32-43
• 4.1 MCU硬件设计32-37
• 4.1.1 电源模块电路32-33
• 4.1.2 时钟复位电路33-34
• 4.1.3 FPGA配置电路34-35
• 4.1.4 存储器与接口电路35-37
• 4.2 数据采集模块设计37-40
• 4.2.1 电压采集电路37-39
• 4.2.2 温度采集电路39
• 4.2.3 电流采集电路39-40
• 4.3 通信模块设计40-42
• 4.3.1 RS232通信电路40-41
• 4.3.2 串.转USB电路41
• 4.3.3 CAN通信电路41-42
• 4.4 本章小结42-43
• 第5章 系统软件设计与仿真结果43-51
• 5.1 系统的部分软件流程图43-47
• 5.1.1 总软件设计流程43-44
• 5.1.2 电压和温度采集44-45
• 5.1.3 SOC估算任务程序45
• 5.1.4 SCI程序设计45-46
• 5.1.5 CAN通信程序设计46-47
• 5.2 实验仿真结果与分析47-50
• 5.2.1 最小系统调试47-48
• 5.2.2 EKF算法SOC估算仿真48-50
• 5.2.3 上位机显示结果50
• 5.3 本章小结50-51
• 结论51-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-56
• 攻读学位期间取得学术成果56

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 吴友宇,梁红;电动汽车动力电池均衡方法研究[J];汽车工程;2004年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 杨福贺;锂离子电池安全性检测实验平台的设计与实现[D];电子科技大学;2013年

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本文编号：1003064