关键词：电动汽车;;电池管理系统;;SOC估算;;被动均衡控制
摘 要：近年来,在国家战略计划的推动下,电动汽车行业迎来蓬勃发展。随着电动汽车的飞速发展,电动汽车的关键部分—动力电池这块存在着一些问题亟待解决。应用在电动汽车上面的锂离子动力电池通常需要大量电芯串并联形成电池组以满足汽车动力需求。但是由于串联的单体电池之间存在差异,这种差异一旦随时间增大,很容易造成电池故障甚至危险,所以电池管理系统在保障电池有效输出能量,安全高效地工作方面起到了至关重要的作用。国内外各大高校及科技公司纷纷投入了对电动汽车电池管理系统的研发。目前市场上的电池管理系统(BMS)存在一些问题,例如电池数据采样精度不高,导致测量数据误差较大,直接影响电池的状态估算以及保护管理问题;SOC算法单一造成电动汽车运行一段时间后SOC估算误差越来越大。这些问题都直接影响着动力电池的有效使用。为了解决这些存在的问题,本论文基于校企合作项目,针对144V锂离子动力电池,进行了电池管理系统的研究与设计,最终开发了一套符合项目技术指标的BMS样机。本文具体研究内容如下:首先介绍了电动汽车和BMS的国内外发展现状,提出了当前存在的几个关键问题。然后从锂离子电池工作特性出发,研究了锂离子电池的等效电路模型,分析了现有的SOC估算算法和均衡控制方案,设计了一种以安时积分法和开路电压法结合为基础,进行卡尔曼滤波校正的SOC估算算法,提出了以单体电压为均衡变量的被动均衡控制方案。最后分析了当前电池管理系统的软硬件方案,从现有的方案中总结出经验,结合项目需求和工程实践要求,设计出了新的软硬件方案。本方案的硬件平台采用集中式硬件拓扑结构,选用NXP公司的MC9S12XET256为主控制器,对电池管理系统硬件各个功能模块电路进行了具体的分析与设计,包括微控制器(MCU)最小系统、电源模块、检测模块、CAN通信模块、RTC模块、数据存储模块、继电器控制以及均衡控制电路等。软件系统选择使用当前比较流行的实时操作系统—FreeRTOS,先对底层驱动程序设计进行了详细阐述,然后介绍了FreeRTOS操作系统在HCS12X硬件平台上的移植,最后利用操作系统的线程调度机制,将BMS功能细分成若干个线程(任务),对每个子任务进行相应的程序设计,每个任务独立工作,除了必要时进行任务之间的同步通信以外,其余时刻互不干扰,从而保证了整体系统的稳定性和实时性。最后,为了验证BMS样机的功能以及可靠性,本文设计了台架测试实验,电池包充放电循环测试实验,实验结果表明BMS样机的电压电流温度检测功能正常,测量误差在允许范围内,SOC估算误差在5%以内,符合指标规定的8%以内,通信功能以及管理控制功能正常,综合测试结果基本达到技术指标。
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