电动汽车用锂电池高效运行管理技术研究

摘要

环境污染和能源危机，使人类迫切需要找一种新能源汽车来替代传统机动车。电动汽车在电池能量转换和尾气排放等方面具有很大优势，电动汽车成为人们替代传统机动车首选，而锂电池管理制约了电动汽车普及和推广。
　　本文对锂离子电池种类进行分析比较，最终选择磷酸铁锂电池作为电动汽车用锂电池管理研究对象。本文首先介绍了国内外电动汽车产业发展现状和电动汽车在推广普及中遇到一些难题，锂电池管理技术是电动汽车发展遇到最为突出的难点，随后对锂电池管理技术难点进行分析研究。
　　锂电池剩余电量(SOC)估算精度和锂电池组单体电池之间不一致性是锂电池管理难点。通过对磷酸铁锂电池进行大量充放电试验，得到电池关键性能基本特性参数，其中基本特性参数包括充放电特性、倍率特性、温度特性以及静置特性。本文在对电动汽车用锂电池高效运行管理进行设计研究，提出了基于扩展卡尔曼滤波算法(EKF)复合算法的SOC估算和基于GS7708芯片主动均衡控制策略，是本文重点研究部分。
　　在电动汽车使用过程中，锂电池组没有得到有效管理，不能实时估算锂电池工作状态，降低锂电池整体性能，导致汽车续驶里程短以及使用成本激增。本文结合安时计量法、开路电压法以及扩展卡尔曼滤波算法，提出了基于EKF复合算法的SOC估算，并对复合算法建立Thevenin电池模型，采用了MATLAB仿真验证了基于EKF复合算法精度及可行性。另外针对单体锂电池在循环工作一段时间后，存在不一致性，容易导致锂电池过充过放，提出了基于GS7708芯片电感主动均衡控制策略以及全局最优化算法，设计了相关主动均衡控制电路。此外还对磷酸铁锂电池电池组进行了主动均衡实验，比较均衡前后电压变化，验证本文主动均衡策略的可行性。通过提高了SOC估算准确性以及减少锂电池主动均衡时间，实现了对锂电池有效管理。
　　在硬件上，设计了基于STM32F103VBT6芯片的电动汽车用锂电池组整体硬件电路，主要包括CPU最小系统、电源模块、EEPROM、RS485通信接口电路、人机界面以及锂电池组充放电电压电流信号采样，并采用专门电池监控芯片AD7280A进行信号数据采样。软件设计上对STM32的Keil uVision4开发环境及功能作了简要概述，在硬件电路基础上，完成锂电池充放电管理系统的软件程序设计，并设计了相应的程序和电路流程图。最后，对本文进行了一些总结和展望。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 电动汽车用锂电池管理意义

1．3 电动汽车锂电池管理组成

1．4 本论文主要研究内容如下

2 电动汽车锂电池工作特性

2．1 电动汽车锂电池特点和原理

2．2 电动汽车用锂电池关键性能参数

2．3．锂电池特性分析

2．3．1 锂电池充放电特性

2．3．2 锂电池倍率特性

2．3．3 锂电池温度特性

2．3．4 锂电池静置特性

2．3．5 锂电池循环特性

2．4 本章小结

3 电动汽车锂电池SOC估算

3．1 SOC概述

3．1．1 剩余电量和SOC的定义

3．1．2 常见的SOC估算方法

3．2 锂电池复合SOC估算

3．3 扩展卡尔曼滤波SOC算法

3．3．1 卡尔曼滤波算法

3．3．2 扩展卡尔曼滤波算法

3．4 扩展卡尔曼滤波算法的数学模型

3．5 本章小结

4 锂电池组均衡控制管理

4．1 锂电池均衡管理及其意义

4．2 锂电池均衡管理现有方案

4．2．1 锂离子电池被动均衡

4．2．2 锂离子电池主动均衡

4．3 锂电池组主动均衡设计

4．3．1 锂电池组主动均衡芯片选择

4．3．2 基于GS7708方案设计

4．3．3 GS7709主动均衡电路设计

4．4 本章小结

5 控制器电路设计

5．1 锂电池组单体电池电压和温度信号采样电路设计

5．1．1 电池监控芯片AD7290A概述

5．1．2 单体电池电压温度采集

5．2 STM32F103最小系统

5．3 电源模块

5．4 EEPROM电路

5．5 人机界面

5．6 通信接口电路

5．7 锂电池组充放电电压、电流采集电路

5．7．1 充电电压采集

5．7．2 充电电流采集

5．7．3 放电电压采集

5．7．4 放电电流采集

5．8 本章小结

6 系统的软件设计

6．1 软件开发环境概述

6．2 系统总体结构设计

6．3 主程序及其他程序设计

6．3．1 AD7280A读写操作程序设计

6．3．2 EEPROM读写操作程序设计

6．3．3 RS485通信

6．3．4 故障判断程序设计

6．4 本章小结

7 系统仿真和实验结果

7．1 基于EKF算法的SOC仿真

7．2 电感主动均衡控制

7．3 均衡实验

7．4 实验结果分析

8 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间论文和专利情况