大学生方程式纯电动赛车锂电池管理系统设计

发布时间：2017-05-20 06:12

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【摘要】：大学生方程式纯电动赛车依托国家新能源汽车发展政策,受到各大高校的青睐。纯电动赛车对轻量化、可靠性和安全性要求很高,但是电池和电池管理技术制约着其发展。通过对纯电动赛车用三元聚合物锂电池(又称镍钴锰酸锂电池,以下简称三元电池)进行研究,设计电池管理系统,能够实时监测电池组的状态信息,掌握电池组的剩余容量,进行有效的均衡管理并对危险状况及时处理,使电池安全、可靠、高效的运行,延长使用寿命。本文以三元电池为研究对象,首先通过充放电试验对电池的开路电压、回弹电压特性进行分析,建立了二阶RC网络电池模型,采用指数拟合的方法对模型中的参数进行辨识。在MATLAB/Simulink软件中实现电池模型并对模型进行脉冲及自定义充放电工况下的仿真。仿真结果与试验数据拟合较好,验证了电池模型及参数辨识的准确性。在对常用的SOC(State of Charge)估算方法进行分析的基础上,选择扩展卡尔曼滤波算法作为本文SOC估算方法。由于扩展卡尔曼滤波算法忽略了Taylor展开式的高阶项造成一定误差,采用有限差分方法修正其高阶项。将有限差分扩展卡尔曼滤波算法与电池模型相结合,选定各主要变量及方程的具体形式,在算法递推作用下进行SOC估算。在MATLAB/Simulink软件中对两种估算算法进行仿真,仿真结果与试验数据进行对比,结果表明基于有限差分扩展卡尔曼滤波算法的SOC估算误差不超过3%,估算精度更高。针对基于端电压中心均衡或基于SOC均衡方法的不足,提出一种将端电压均衡与SOC均衡结合的均衡方法。根据电池充放电特性在不同阶段制定了不同的均衡评判标准,确定均衡的阈值并制定均衡策略。在MATLAB/Simulink软件中建立了基于电池模型的均衡电路,并进行了均衡策略的仿真。对电池的仿真和均衡试验结果表明该方案能有效防止电池过充和过放,提高了能量利用率。为纯电动赛车锂电池组设计了配套的硬件和软件。硬件部分为主从分布式结构,分1个主控模块和6个从控模块。主控模块完成对SOC的估算,总电压、电流的采集,模块间的CAN通信功能。每个从控模块管理16节电池单体,负责单体电压检测、温度检测和均衡控制。软件设计给出了系统各部分的软件流程图。对电池组进行系统性能测试,检测系统采样和估算精度,试验结果表明所设计的电池管理系统能够达到预期的设计目标。
【关键词】：三元电池 电池管理系统 SOC估算 均衡控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题来源及研究的意义10-11
• 1.2 电池管理系统研究及发展现状11-12
• 1.2.1 国外电池管理系统发展现状11
• 1.2.2 国内电池管理系统发展现状11-12
• 1.3 电池模型概述12-14
• 1.4 SOC估算方法研究概述14-15
• 1.5 均衡控制方法研究概述15-16
• 1.6 本文主要研究内容16-17
• 第2章 电池模型建立及参数辨识17-28
• 2.1 三元电池外特性测试及分析17-21
• 2.1.1 三元电池开路电压特性18-20
• 2.1.2 三元电池回弹电压特性20-21
• 2.2 电池模型建立21-22
• 2.3 模型参数辨识22-25
• 2.4 电池模型的实现与仿真25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 有限差分扩展卡尔曼滤波算法SOC估算28-39
• 3.1 卡尔曼滤波算法及优势28-33
• 3.1.1 经典卡尔曼滤波理论28-30
• 3.1.2 扩展卡尔曼滤波理论30-31
• 3.1.3 有限差分扩展卡尔曼滤波算法31-33
• 3.2 有限差分扩展卡尔曼滤波器与电池模型的结合33-36
• 3.3 试验验证36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 电池主动均衡控制39-47
• 4.1 电池组均衡控制策略39-42
• 4.1.1 均衡评判标准39-40
• 4.1.2 均衡阈值确定40-41
• 4.1.3 均衡控制策略41-42
• 4.2 均衡模块设计42-43
• 4.2.1 均衡拓扑结构42-43
• 4.2.2 均衡控制流程图43
• 4.3 基于电池模型的能量转移均衡策略的仿真43-45
• 4.4 均衡试验方案45-46
• 4.5 本章小结46-47
• 第5章 电池管理系统硬件设计47-60
• 5.1 主控模块设计47-54
• 5.1.1 主控MCU选择及最小系统设计48-49
• 5.1.2 电源模块设计49-50
• 5.1.3 总电压与总电流检测模块设计50-52
• 5.1.4 继电器控制模块设计52-53
• 5.1.5 CAN通信模块设计53-54
• 5.2 从控模块设计54-59
• 5.2.1 温度检测模块设计54-55
• 5.2.2 单体电压检测模块设计55-57
• 5.2.3 均衡控制模块设计57-59
• 5.3 本章小结59-60
• 第6章 电池管理系统软件设计与试验60-70
• 6.1 系统软件开发环境60-61
• 6.2 主控模块软件设计61-64
• 6.2.1 主控模块主程序61-62
• 6.2.2 中断服务程序62-63
• 6.2.3 CAN通信子程序63-64
• 6.2.4 故障诊断与处理64
• 6.3 从控模块软件设计64-67
• 6.3.1 从控模块主程序64-65
• 6.3.2 单体电压检测65
• 6.3.3 温度检测65-67
• 6.4 系统性能测试67-68
• 6.5 本章小结68-70
• 结论70-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果76-78
• 致谢78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 林成涛,王军平,陈全世;电动汽车SOC估计方法原理与应用[J];电池;2004年05期

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中国硕士学位论文全文数据库 前5条

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5 王树明;车载磷酸铁锂电池组动态工况下SOC预估算法研究[D];武汉理工大学;2013年

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本文编号：380817