基于PIC和CAN的纯电动汽车电池管理系统研究

【摘要】：随着能源和环境两大问题的日益突出，以电动汽车为代表的新能源汽车被大家广泛认同，并以此作为改善环境和开发新能源汽车的突破口。纯电动汽车作为电动汽车的代表，具有环保、噪声小的特点。由于纯电动汽车以其搭载的电池作为动力源，因此电池性能的优劣直接决定了电动汽车的性能高低。 磷酸铁锂电池具有较高的化学稳定性、较高的放电倍率和能量密度以及较好的循环寿命，因此，本文选取磷酸铁锂电池作为电动汽车的动力用电池。为增加电池的使用寿命，以及安全高效地利用电池，需要配备电池管理系统。本文针对纯电动汽车搭载的磷酸铁锂电池开发了一套采用总线型的拓扑结构的电池管理系统。该系统的主要功能包括：电池状态的检测、电池剩余电量的预测、电池的安全保护和CAN通信四个方面的内容。 结合企业和高校两方面的需求，本文分别从两个角度阐释管理系统的开发工作。从企业需求方面，系统的开发需要能够面向市场推广应用，因此对硬件系统的需求主要是低成本和高可靠性。硬件电路的控制器件选用microchip公司的PIC系列单片机，系统采用模块化设计。硬件系统包括：电池检测模块、总控模块、充电机控制器三大部分。总控模块作为整车动力CAN网络的一个节点，需要实时准确地将数据传输给整车控制器，因此本文设计了CAN通信接口，并制定了CAN通信协议。同时，还根据系统具备的功能编制了满足其要求的软件。 从高校需求方面，为了能对以后的深入研究做技术积累，通过研究动力电池的外特性，建立了等效电路模型，并在MATLAB/SIMUlink中搭建了相应的动力电池模型，对其进行循环工况仿真测试，并利用扩展卡尔曼滤波算法对模型进行SOC估计，测试结果较好地反映了电池的实际工作特性。 最后，将设计的电池管理系统在一款电动汽车上进行了实车安装调试，取得了较好的效果，未来还将做进一步的测试。 【关键词】：电动汽车 电池管理系统 PIC单片机 CAN总线 扩展卡尔曼滤波
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究的背景和意义9-11
• 1.1.1 纯电动汽车介绍9-10
• 1.1.2 电池管理系统的意义10-11
• 1.2 研究现状11-13
• 1.2.1 国外电池管理系统的研究现状11
• 1.2.2 国内电池管理系统的研究现状11-12
• 1.2.3 电池管理系统的研究重点和难点12-13
• 1.3 论文选题来源与主要研究内容13-14
• 1.3.1 论文选题来源及意义13
• 1.3.2 主要研究内容13-14
• 1.4 本章小结14-15
• 2 电池管理系统整体设计15-24
• 2.1 动力电池选型15-16
• 2.2 磷酸铁锂电池介绍16-20
• 2.2.1 磷酸铁锂电池的结构和工作原理16-17
• 2.2.2 磷酸铁锂电池的性能特点17
• 2.2.3 磷酸铁锂电池的伏安特性17-20
• 2.3 电池管理系统的功能20
• 2.3.1 电池状态的检测20
• 2.3.2 电池剩余电量 SOC 的估算20
• 2.3.3 电池安全保护20
• 2.3.4 CAN 通信功能20
• 2.4 电池管理系统的拓扑结构20-21
• 2.5 通讯方式21-23
• 2.5.1 CAN 总线简介21-22
• 2.5.2 CAN 网络拓扑结构22
• 2.5.3 CAN 总线技术规范22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 3 动力电池建模与 SOC 预测24-41
• 3.1 概述24-25
• 3.1.1 电池模型介绍24
• 3.1.2 剩余电量（SOC）预测24-25
• 3.2 LiFePO4等效电路模型25-27
• 3.2.1 等效电源部分25-26
• 3.2.2 等效阻抗部分26-27
• 3.3 模型搭建及仿真测试27-34
• 3.3.1 参数估计27-28
• 3.3.2 Matlab/simulink 模型搭建28-29
• 3.3.3 仿真测试29-34
• 3.4 基于扩展卡尔曼滤波的 SOC 预测34-40
• 3.4.1 扩展卡尔曼滤波原理34-36
• 3.4.2 基于 EKF 的 SOC 估算36-39
• 3.4.3 SOC 估算验证39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 硬件电路的设计41-58
• 4.1 总体硬件电路设计41-42
• 4.2 总控模块硬件设计42-48
• 4.2.1 主控芯片选型42-43
• 4.2.2 电源电路43-45
• 4.2.3 电流采样电路45-46
• 4.2.4 通信接口电路46-48
• 4.3 电池检测模块硬件设计48-55
• 4.3.1 从控芯片选型49-50
• 4.3.2 电源电路50
• 4.3.3 单体电压检测电路50-53
• 4.3.4 通信接口电路53-55
• 4.4 充电机控制器硬件设计55-57
• 4.4.1 芯片选型56
• 4.4.2 采样电路56
• 4.4.3 输出控制电路56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 5 系统软件设计58-69
• 5.1 软件开发环境58-59
• 5.2 通信协议设计59-62
• 5.2.1 串口通信协议59-60
• 5.2.2 CAN 通信协议60-62
• 5.3 程序设计62-68
• 5.3.1 电池检测模块程序62-63
• 5.3.2 总控模块程序63-68
• 5.3.3 充电机控制器程序68
• 5.4 本章小结68-69
• 6 电池及系统测试69-75
• 6.1 电池测试69-72
• 6.2 系统调试72-74
• 6.3 本章小结74-75
• 总结与展望75-76
• 参考文献76-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果78-79
• 致谢79-80

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