动力锂电池组远程监控系统与SOC估算的研究

摘要

电动汽车作为能源危机背景下汽车转型的重要方向，经历了十几年的发展历程，各项技术都得到了很大突破，但是还有许多问题亟待解决；电动汽车上普遍使用锂电池作为动力电池，并且配备电池管理系统(BMS)，目前车载BMS硬件计算资源和能力有限，数据存储能力有限，无法应用更高精度更加复杂的荷电状态(SOC)估算算法；随着移动无线通信技术(如4G、5G)的发展，数据传输延迟得到了很大的降低，传输容量增大，已经满足远程端在线估算SOC和对电池组进行管理的要求，因此有必要开发锂电池组远程监控系统，实时获取电池组内电压、电流、温度等信息，进行实时监测、在线SOC估算、健康管理、故障预测和历史数据存储，弥补车载电池管理系统的不足。本文对原有的车载电池管理系统进行扩展，设计了动力锂电池组远程监控系统，主要研究内容如下：　　(1)剖析了车载电池管理系统的组成和功能，根据对电池管理的具体需求，设计了动力锂电池组远程监控系统总体架构方案，制定了用于远程数据传输的通信协议，以支持电池各项数据跨设备跨平台的传输。　　(2)设计了车载端控制器硬件电路，并完成了实物制作；在集成开发环境下进行车载端控制器的软件代码开发，完成了CAN通信数据链路层协议以及基于SAEJ1939车载应用层协议的移植，制定了车载端控制器的CAN通信协议，最终实现了车载端控制器与车载电池管理系统之间的CAN通信和云端服务器之间的移动网络通信(4G通信)，以进行电池组数据和控制指令的双向传输。　　(3)搭建云端UDP服务器，开发数据转发和存储应用程序，实现了动力锂电池组远程监控系统的中转数据传输、基础运算、电池组工作状态分析、云数据库存储等功能；基于MySQL数据库，创建和设计了针对远程监控系统电池组数据存储以及监控中心平台后台服务系统的具体的数据库和数据表结构。　　(4)开发了面向用户的电脑端监控中心平台软件，完成对BMS电池组数据的实时接收和解析，实现了用户管理、电池组管理、实时电池组状态信息显示、历史数据查询、图表统计分析和故障记录处理等功能。　　(5)实现了基于无迹Kalman(UKF)滤波的远程在线估算SOC，最后通过实验验证，本文所设计的动力锂电池组远程监控系统已经满足了设计要求，运行基本稳定，达到了工程应用要求。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景及选题意义

1.2 研究现状及发展趋势

1.2.1 动力电池及 BMS 的研究现状

1.2.2 远程监控发展研究现状

1.3 论文主要内容和结构

第2章动力电池组远程监控系统设计方案

2.1 电池管理系统介绍

2.2 动力电池组远程监控系统架构

2.3 远程数据传输协议制定

2.3.1 远程数据格式 JSON 字符串

2.3.2 远程数据传输协议

2.4 本章小结

第3章基于 4G 的车载端控制器设计

3.1 车载端控制器的硬件方案设计

3.1.1 系统框图

3.1.2 芯片选型

3.2 车载端控制器各模块电路设计

3.2.1 最小系统电路设计

3.2.2 供电电源电路设计

3.2.3 CAN 通信电路设计

3.2.4 4G 模块电路设计

3.2.5 外部硬件看门狗电路设计

3.3 车载端控制器硬件实物制作

3.4 车载端控制器软件开发

3.4.1 软件总体运行流程

3.4.2 BMS 相关 CAN 协议国家标准解读

3.4.3 车载端控制器 CAN 通信协议制定

3.4.4 CAN 通信程序设计

3.4.5 数据解析程序设计

3.4.6 数据格式化转换程序设计

3.5 本章小结

第4章数据库和云端服务器开发

4.1 数据库选择及数据表结构设计

4.1.1 存储引擎的选择

4.1.2 表数据结构设计

4.2 云端服务器数据转发及存储应用的开发

4.2.1 UDP 通信原理

4.2.2 数据转发及存储应用程序设计

4.3 本章小结

第5章监控中心平台软件开发及系统测试

5.1 Qt 开发工具的介绍

5.2 需求分析及故障分类

5.2.1 需求分析

5.2.2 故障分类

5.3 监控中心平台各功能模块设计

5.3.1 UDP 网络通信模块设计

5.3.2 数据库连接池模块设计

5.3.3 数据解析及处理模块设计

5.4 用户界面及业务程序设计

5.4.1 主界面

5.4.2 电池组全局信息界面

5.4.3 电池详细信息界面

5.4.4 历史数据界面

5.4.5 故障记录处理界面

5.5 基于无迹卡尔曼滤波远程在线 SOC 估算

5.5.1 电路模型建立及参数辨识

5.5.2 无迹卡尔曼滤波估算 SOC 仿真实验

5.5.3 远程在线估算 SOC

5.6 系统运行调试与测试

5.6.1 云端服务器数据传输及存储功能性实验

5.6.2 系统闭环测试

5.7 本章小结

总结和展望

全文总结

展望

参考文献

致谢