新能源电动汽车电池参数检测和估算硬件电路系统

摘要

　　汽车作为现代社会主流的交通工具被普遍的使用在各行各业，它在给人们生活带来便利的同时，其排放的汽车尾气也给环境带来了一定压力。鉴于此种情况，具有零尾气排放，污染可忽略的新能源汽车逐渐进入人们视线。而在新能源汽车的发展中电动汽车的发展成为了目前行业内的研究重点。

　　锂电池因具有能量密度高、电压稳定、安全性较强、使用寿命长以及对环境“友好”

　　等特点被广泛的应用为电动汽车的动力提供源。电池组作为纯电动汽车的动力供给源，其关键技术诸如汽车行驶过程中电池容量的实时估算，电池故障检测以及电池安全等问题都是亟待解决和提高的。

　　电池的容量估算是电动汽车电池管理系统中的关键技术模块,准确进行电池组的荷电状态估计对提高电池使用寿命和整车性能具有重要意义。相比较卡尔曼滤波算法不适用于非线性系统中的目标参数估计，粒子滤波算法因其在非线性和非高斯系统的目标估计中具有较高的适应性，本文提出使用粒子滤波来实现对电池容量的实时估算。本文以（锰酸铁）锂电池电为研究对象,重点对锂离子电池的容量估算以及估算方法作深入的研究。

　　本文设计了基于STM32为核心控制器的电动汽车电池参数的检测和电池容量估算的硬件电路系统。文中首先介绍了系统的各个硬件模块电路的设计，包括电压，电流信号检测模块，供电电源模块以及几种通信模块。其次介绍和分析动力电池的几种模型的建立以及电池的估算方法，并着重介绍了粒子滤波算法对电池容量估算原理和实现步骤。

　　最后在实验室环境下对电池组进行脉冲放电测试和城市道路工况测试，测试结果表明，粒子滤波算法在电池容量初值不准确的条件下能够较快的向电池容量真实值收敛并具有实验要求的估算精度。

　　关键词： 电动汽车 锂电池 参数采集 粒子滤波 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

　　经济社会发展突飞猛进的今天，社会各个阶层的生活水平也不断地更新和提高，相比上个世纪，现代社会的多数家庭中汽车成了日常生活中的不可缺少的代步工具。据统计数据显示，截止到 2016 年年初，我国现存机动动车数量达近 3 亿辆，其中家用相关汽车数量约占总数的百分之四十，持有机动车驾驶执照的人超过三亿多人次。

　　同时随着越来越多的人购买汽车，我国汽车的生产量和销售量也在快速增长，如图1-1 所示，从 2009 年开始到 2016 年我国汽车的总销量呈现的是平稳较快的持续增长，相较 2009 年的汽车销售总量 2016 年的汽车销售总量增长了 91.9%，总量达两千六百多万量。与之相对应的如图 1-2 的汽车保有量统计图显示，截止 2016 年初我国汽车保有量[1]同样持续快速增长，我国平均每一百户家庭的汽车保有量约为 36 量，依据图中的增长趋势可预估出，到 2020 年我国全面建成小康社会之际我国的汽车保有量将达到新的高度，有望超过 2 亿辆。

　　越来越多的汽车出现在城市的道路上一方面加重了城市道路交通的压力，另一方面燃油汽车的增多也给城市的环境[2]带来不可忽视的影响，据研究表明，我国北方地区的大面积雾霾的生成因素中，汽车尾气占了较大的比重。 因此有些城市出台了一些相关的限制政策和法规诸如单双号限号出行，车辆号牌摇号拍号购买车辆等。同时从中央到地方各级政府都在积极的大力的推进新能源汽车研究与推广。新能源汽车尤其是电动汽车具有较好的发展前景。相比较 2014 年我国新能源汽车增长了 169.48%。

　　从统计数据发现中国每年购买汽车人数逐年快速增加，新能源汽车的保有量也以超比重的数据比率增加，而新能源汽车的主要以纯电动汽车为代表，纯电动汽车结构简单，维修方便，易操作。电动汽车的发展在新能源汽车的发展[3]中大概近占百分之六十的比率，除纯电动汽车外，油电混合动力汽车也是各大汽车厂商争相发展的领域，同纯电动汽车相比，油电混合动力汽车具有整车质量好，环保节能，驱动力来源根据不同车速情况匹配，不用担心驾驶里程和路段拥，能尽量减少汽车燃油燃烧带来的尾气导致的环境污染。因此无论是纯电动汽车[4]还是混合动力汽车以及其他新能源汽车，现阶段其发展前进方向主要为电力驱动的新型能源动力汽车。

　　随着改革开放三十多年的经济持续高速发展，人民大众的日常生活都呈现出物质极大丰富的水平，在交通工具方面，汽车正日益的成为大多数人出行首选的代步工具。但汽车在便利人们生活的同时带来了很多难以短期治理环境污染问题，在众多的以汽车为污染源的污染难题[5]中汽车尾气排放的无疑是重中之重，亟待解决的当务之急。相比较而言，纯电力驱动的电动汽车在很多方面都具有不可多得的优点，诸如零排放的汽车尾气；运行过程中发出的极小噪声；能源效率高尤其是在一些拥挤堵塞前进缓慢的路况，汽车走走停停，行驶的速度不是很高；同时纯电动汽车是提高人们日常生活的幸福度，减轻环境污染，促进社会可持续发展的必然趋势。

　　当我们说起电动汽车时，首先映入脑海的是纯电动类型的电动汽车，纯电动汽车的动力系统全部来自于汽车电池中的电能转换。然而考虑到纯电能动力的汽车在驱动能力上存在不足，电动汽车又研制出了动力较强的混合动力汽车，混合动力汽车相较纯电动汽车具有驱动能力强的优点，同时相较燃油动力汽车具有油耗低，环境污染小的优点，目前市场上的电动汽车包括燃料电池动力汽车，混合动力汽车和纯电动汽车。在技术进步的今天，又研制出了一种基于可充电式插电式的混合动力汽车。

　　动力系统电气化是电动汽车技术领域的关键技术之一。我国在 2007 年颁布了针对新能源汽车的《新能源汽车生产准入管理规则》，该准则为我国的新能源汽车尤其是电动汽车的市场化提供了强大依托。鉴于电动汽车领域落后国外的现状，我国在电动汽车的目标定位较高，依据高目标和核心技术我国构建了纯电动汽车，混合电动汽车和燃料电池动力汽车三位一体的技术研究平台和教学与研发合作互动的科学研究体系。在该种研究模式下我国的电动汽车领域取得了长足的进步，相关核心关键技术和技术难题的得到了攻坚，完成和取得了一系列具有突破性的可喜成果，为今后我国整车发展事业奠定了坚实有力的基础。与此同时，我国在新能源汽车进入市场前制定了严格的规范的测试标准[6]，其中包括关于汽车车载储能模块测试，各模块的功能安全性和故障防护机制，人员触电保护，汽车驱动力试验，电池包的能量消耗率和续航里程等测试。

　　经过长时间的发展与研究，相较电动汽车领域的国际研究前沿我国的混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显着，可依据不同的行驶模式将汽车油耗控制在原来的百分之六十到百分之九十。同时将大容量的锂离子电池应用到纯电动客车中并实现了一定规模的应用。无故障间隔里程与国外同步达到 3000 公里。鉴于为了更加有力的服务电动汽车用户，增强用户满意度，我国正在努力建设城市充电桩与高速公路充电桩，国产品牌的诸如吉利汽车，长城汽车，奇瑞汽车等汽车厂家不仅实现了国内研发和广泛销售，而且实现了批量出口。燃料电池的电池安全性与可靠性得到了明显提高，为了能够更好的促进我国电动汽车领域的发展，各种有关电动汽车行业的行业标准，政策法规，都已颁布或正在制定。

新能源电动汽车电池参数检测和估算硬件电路系统：

通信连接板 PCB 展示

检测板 PCB 展示

检测板实物展示

通信连接板实物展示

串口协助调试图

电池组试验示意图

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景与发展现状
　　　　　　1.1.1 选题背景
　　　　　　1.1.2 电动汽车发展现状
　　　　　　1.1.3 电动汽车技术发展构想
　　　　1.2 锂电池种类及工作原理
　　　　　　1.2.1 主流电池
　　　　　　1.2.2 锂电池分类
　　　　　　1.2.3 锂电池结构及工作原理
　　　　1.3 本文主要研究内容
　　第二章 总体设计
　　　　2.1 整体设计方案
　　　　　　2.1.1 整体设计框图
　　　　　　2.1.2 整体设计基本功能要求描述
　　　　2.2 芯片选型
　　　　2.3 算法与设计实现
　　　　2.4 本章小结
　　第三章 系统硬件电路设计
　　　　3.1 信号采集电路
　　　　　　3.1.1 电压信号采集电路
　　　　　　3.1.2 电流信号采集电路
　　　　　　3.1.3 温度信号采集电路
　　　　3.2 均衡电路
　　　　3.3 通信电路
　　　　　　3.3.1 isoSPI 和 SPI 通信
　　　　　　3.3.2 CAN 通信电路
　　　　3.4 串口通信及其驱动电路
　　　　3.5 电源电路
　　　　3.6 JTAG 下载电路
　　　　3.7 硬件电路总原理图
　　　　3.8 本章小结
　　第四章 动力电池建模与估算方法
　　　　4.1 动力电池建模
　　　　　　4.1.1 等效电路模型（PNGV 模型）
　　　　　　4.1.2 经验公式模型
　　　　4.2 电池剩余电量估算方法
　　　　　　4.2.1 安时积分法
　　　　　　4.2.2 开路电压法（OCV-SOC
　　　　　　4.2.3 内阻法
　　　　　　4.2.4 卡尔曼滤波算法
　　　　　　4.2.5 粒子滤波算法
　　　　4.3 本章小结
　　第五章 系统软件设计
　　　　5.1 软件设计总体流程
　　　　5.2 6804 采集电压信号流程
　　　　5.3 SPI 通信和 isoSPI 通信
　　　　　　5.3.1 SPI 通信时序及程序
　　　　　　5.3.2 isoSPI 通信状态
　　　　5.4 I2C 通信
　　　　5.5 Can 通信流程
　　　　5.6 本章小结
　　第六章 实验调试及试验结果
　　　　6.1 硬件电路板调试
　　　　6.2 串口协助调试
　　　　6.3 脉冲放电实验及工况试验
　　　　　　6.3.1 脉冲放电试验
　　　　　　6.3.2 工况试验
　　　　6.4 容量估算数据采集
　　总结
　　参考文献
　　发表论文和科研情况说明
　　致谢