新能源電動汽車電池參數檢測和估算硬件電路系統

摘要

　　汽車作為現代社會主流的交通工具被普遍的使用在各行各業，它在給人們生活帶來便利的同時，其排放的汽車尾氣也給環境帶來了一定壓力。鑒于此種情況，具有零尾氣排放，污染可忽略的新能源汽車逐漸進入人們視線。而在新能源汽車的發展中電動汽車的發展成為了目前行業內的研究重點。

　　鋰電池因具有能量密度高、電壓穩定、安全性較強、使用壽命長以及對環境“友好”

　　等特點被廣泛的應用為電動汽車的動力提供源。電池組作為純電動汽車的動力供給源，其關鍵技術諸如汽車行駛過程中電池容量的實時估算，電池故障檢測以及電池安全等問題都是亟待解決和提高的。

　　電池的容量估算是電動汽車電池管理系統中的關鍵技術模塊,準確進行電池組的荷電狀態估計對提高電池使用壽命和整車性能具有重要意義。相比較卡爾曼濾波算法不適用于非線性系統中的目標參數估計，粒子濾波算法因其在非線性和非高斯系統的目標估計中具有較高的適應性，本文提出使用粒子濾波來實現對電池容量的實時估算。本文以（錳酸鐵）鋰電池電為研究對象,重點對鋰離子電池的容量估算以及估算方法作深入的研究。

　　本文設計了基于STM32為核心控制器的電動汽車電池參數的檢測和電池容量估算的硬件電路系統。文中首先介紹了系統的各個硬件模塊電路的設計，包括電壓，電流信號檢測模塊，供電電源模塊以及幾種通信模塊。其次介紹和分析動力電池的幾種模型的建立以及電池的估算方法，并著重介紹了粒子濾波算法對電池容量估算原理和實現步驟。

　　最后在實驗室環境下對電池組進行脈沖放電測試和城市道路工況測試，測試結果表明，粒子濾波算法在電池容量初值不準確的條件下能夠較快的向電池容量真實值收斂并具有實驗要求的估算精度。

　　關鍵詞： 電動汽車 鋰電池 參數采集 粒子濾波 容量估算

Abstract

　　As the mainstream vehicle of modern society, vehicles are widely used in all walks of life. While it brings convenience to people's lives, the emission of automobile exhaust has brought some pressure to the environment at the same time. In view of this situation, New energy vehicles with advantage of zero emissions and slight pollution come into people's attention gradually . In the development of new energy vehicles, the electric vehicles has become the focus of research in the current industry.

　　Lithium battery has been widely used as a power source for electric vehicles because of its high energy density, voltage stability, safety, long service life, and very friendly to environment. The battery as the power supply source of pure electric vehicles, the key technology such as vehicle real-time estimation of battery capacity ,battery fault detection and battery safety problems are to be solved and improved in process of car driving.

　　Battery capacity estimation is the key technology module in the battery management system of electric vehicle. It is significant to improve the battery life and the performance of the whole vehicle by estimating the capacity of battery accurately. Compared with the target parameter estimation in nonlinear system, the Calman filter algorithm is not suitable for the nonlinear system, particle filter algorithm has high adaptability to the target estimation in nonlinear and non Gauss systems. In this paper, the particle filter is used to realize the real time estimation of battery capacity. Here we using iron manganate lithium battery as the research object，the capacity estimation and estimation methods of Li ion batteries are studied in depth.

　　In this paper, the hardware circuit system for the detection and estimation of the parameters of electric vehicle batteries based on stm32 as the core controller is designed. In this paper, we first introduce the design of each hardware module circuit, including voltage signal detection module, current signal detection module, power supply module and several communication modules. Secondly, this paper introduces and analyzes several models of power battery and the estimation method of battery, and emphatically introduces the principle and implementation steps of the particle filter algorithm of battery capacity estimation. Finally, the pulse discharge test and city road condition test of battery group were do in the laboratory environment, the test results show that the particle filter algorithm can quickly converge and has the estimation accuracy of the experimental requirements to the real capacity of the battery while the initial conditions of battery capacity is not accurate.

　　Key words：Electric Vehicle, Lithium Battery, Parameter Acquisition, Particle Filter, Capacity Estimation

　　經濟社會發展突飛猛進的今天，社會各個階層的生活水平也不斷地更新和提高，相比上個世紀，現代社會的多數家庭中汽車成了日常生活中的不可缺少的代步工具。據統計數據顯示，截止到 2016 年年初，我國現存機動動車數量達近 3 億輛，其中家用相關汽車數量約占總數的百分之四十，持有機動車駕駛執照的人超過三億多人次。

　　同時隨著越來越多的人購買汽車，我國汽車的生產量和銷售量也在快速增長，如圖1-1 所示，從 2009 年開始到 2016 年我國汽車的總銷量呈現的是平穩較快的持續增長，相較 2009 年的汽車銷售總量 2016 年的汽車銷售總量增長了 91.9%，總量達兩千六百多萬量。與之相對應的如圖 1-2 的汽車保有量統計圖顯示，截止 2016 年初我國汽車保有量[1]同樣持續快速增長，我國平均每一百戶家庭的汽車保有量約為 36 量，依據圖中的增長趨勢可預估出，到 2020 年我國全面建成小康社會之際我國的汽車保有量將達到新的高度，有望超過 2 億輛。

　　越來越多的汽車出現在城市的道路上一方面加重了城市道路交通的壓力，另一方面燃油汽車的增多也給城市的環境[2]帶來不可忽視的影響，據研究表明，我國北方地區的大面積霧霾的生成因素中，汽車尾氣占了較大的比重。 因此有些城市出臺了一些相關的限制政策和法規諸如單雙號限號出行，車輛號牌搖號拍號購買車輛等。同時從中央到地方各級政府都在積極的大力的推進新能源汽車研究與推廣。新能源汽車尤其是電動汽車具有較好的發展前景。相比較 2014 年我國新能源汽車增長了 169.48%。

　　從統計數據發現中國每年購買汽車人數逐年快速增加，新能源汽車的保有量也以超比重的數據比率增加，而新能源汽車的主要以純電動汽車為代表，純電動汽車結構簡單，維修方便，易操作。電動汽車的發展在新能源汽車的發展[3]中大概近占百分之六十的比率，除純電動汽車外，油電混合動力汽車也是各大汽車廠商爭相發展的領域，同純電動汽車相比，油電混合動力汽車具有整車質量好，環保節能，驅動力來源根據不同車速情況匹配，不用擔心駕駛里程和路段擁，能盡量減少汽車燃油燃燒帶來的尾氣導致的環境污染。因此無論是純電動汽車[4]還是混合動力汽車以及其他新能源汽車，現階段其發展前進方向主要為電力驅動的新型能源動力汽車。

　　隨著改革開放三十多年的經濟持續高速發展，人民大眾的日常生活都呈現出物質極大豐富的水平，在交通工具方面，汽車正日益的成為大多數人出行首選的代步工具。但汽車在便利人們生活的同時帶來了很多難以短期治理環境污染問題，在眾多的以汽車為污染源的污染難題[5]中汽車尾氣排放的無疑是重中之重，亟待解決的當務之急。相比較而言，純電力驅動的電動汽車在很多方面都具有不可多得的優點，諸如零排放的汽車尾氣；運行過程中發出的極小噪聲；能源效率高尤其是在一些擁擠堵塞前進緩慢的路況，汽車走走停停，行駛的速度不是很高；同時純電動汽車是提高人們日常生活的幸福度，減輕環境污染，促進社會可持續發展的必然趨勢。

　　當我們說起電動汽車時，首先映入腦海的是純電動類型的電動汽車，純電動汽車的動力系統全部來自于汽車電池中的電能轉換。然而考慮到純電能動力的汽車在驅動能力上存在不足，電動汽車又研制出了動力較強的混合動力汽車，混合動力汽車相較純電動汽車具有驅動能力強的優點，同時相較燃油動力汽車具有油耗低，環境污染小的優點，目前市場上的電動汽車包括燃料電池動力汽車，混合動力汽車和純電動汽車。在技術進步的今天，又研制出了一種基于可充電式插電式的混合動力汽車。

　　動力系統電氣化是電動汽車技術領域的關鍵技術之一。我國在 2007 年頒布了針對新能源汽車的《新能源汽車生產準入管理規則》，該準則為我國的新能源汽車尤其是電動汽車的市場化提供了強大依托。鑒于電動汽車領域落后國外的現狀，我國在電動汽車的目標定位較高，依據高目標和核心技術我國構建了純電動汽車，混合電動汽車和燃料電池動力汽車三位一體的技術研究平臺和教學與研發合作互動的科學研究體系。在該種研究模式下我國的電動汽車領域取得了長足的進步，相關核心關鍵技術和技術難題的得到了攻堅，完成和取得了一系列具有突破性的可喜成果，為今后我國整車發展事業奠定了堅實有力的基礎。與此同時，我國在新能源汽車進入市場前制定了嚴格的規范的測試標準[6]，其中包括關于汽車車載儲能模塊測試，各模塊的功能安全性和故障防護機制，人員觸電保護，汽車驅動力試驗，電池包的能量消耗率和續航里程等測試。

　　經過長時間的發展與研究，相較電動汽車領域的國際研究前沿我國的混合動力汽車在系統集成、可靠性、節油性能等方面進步顯著，可依據不同的行駛模式將汽車油耗控制在原來的百分之六十到百分之九十。同時將大容量的鋰離子電池應用到純電動客車中并實現了一定規模的應用。無故障間隔里程與國外同步達到 3000 公里。鑒于為了更加有力的服務電動汽車用戶，增強用戶滿意度，我國正在努力建設城市充電樁與高速公路充電樁，國產品牌的諸如吉利汽車，長城汽車，奇瑞汽車等汽車廠家不僅實現了國內研發和廣泛銷售，而且實現了批量出口。燃料電池的電池安全性與可靠性得到了明顯提高，為了能夠更好的促進我國電動汽車領域的發展，各種有關電動汽車行業的行業標準，政策法規，都已頒布或正在制定。

新能源電動汽車電池參數檢測和估算硬件電路系統：

通信連接板 PCB 展示

檢測板 PCB 展示

檢測板實物展示

通信連接板實物展示

串口協助調試圖

電池組試驗示意圖

目 錄

　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題研究背景與發展現狀
　　　　　　1.1.1 選題背景
　　　　　　1.1.2 電動汽車發展現狀
　　　　　　1.1.3 電動汽車技術發展構想
　　　　1.2 鋰電池種類及工作原理
　　　　　　1.2.1 主流電池
　　　　　　1.2.2 鋰電池分類
　　　　　　1.2.3 鋰電池結構及工作原理
　　　　1.3 本文主要研究內容
　　第二章 總體設計
　　　　2.1 整體設計方案
　　　　　　2.1.1 整體設計框圖
　　　　　　2.1.2 整體設計基本功能要求描述
　　　　2.2 芯片選型
　　　　2.3 算法與設計實現
　　　　2.4 本章小結
　　第三章 系統硬件電路設計
　　　　3.1 信號采集電路
　　　　　　3.1.1 電壓信號采集電路
　　　　　　3.1.2 電流信號采集電路
　　　　　　3.1.3 溫度信號采集電路
　　　　3.2 均衡電路
　　　　3.3 通信電路
　　　　　　3.3.1 isoSPI 和 SPI 通信
　　　　　　3.3.2 CAN 通信電路
　　　　3.4 串口通信及其驅動電路
　　　　3.5 電源電路
　　　　3.6 JTAG 下載電路
　　　　3.7 硬件電路總原理圖
　　　　3.8 本章小結
　　第四章 動力電池建模與估算方法
　　　　4.1 動力電池建模
　　　　　　4.1.1 等效電路模型（PNGV 模型）
　　　　　　4.1.2 經驗公式模型
　　　　4.2 電池剩余電量估算方法
　　　　　　4.2.1 安時積分法
　　　　　　4.2.2 開路電壓法（OCV-SOC
　　　　　　4.2.3 內阻法
　　　　　　4.2.4 卡爾曼濾波算法
　　　　　　4.2.5 粒子濾波算法
　　　　4.3 本章小結
　　第五章 系統軟件設計
　　　　5.1 軟件設計總體流程
　　　　5.2 6804 采集電壓信號流程
　　　　5.3 SPI 通信和 isoSPI 通信
　　　　　　5.3.1 SPI 通信時序及程序
　　　　　　5.3.2 isoSPI 通信狀態
　　　　5.4 I2C 通信
　　　　5.5 Can 通信流程
　　　　5.6 本章小結
　　第六章 實驗調試及試驗結果
　　　　6.1 硬件電路板調試
　　　　6.2 串口協助調試
　　　　6.3 脈沖放電實驗及工況試驗
　　　　　　6.3.1 脈沖放電試驗
　　　　　　6.3.2 工況試驗
　　　　6.4 容量估算數據采集
　　總結
　　參考文獻
　　發表論文和科研情況說明
　　致謝