摘要

　　汽車(chē)作為現代社會(huì )主流的交通工具被普遍的使用在各行各業(yè)，它在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，其排放的汽車(chē)尾氣也給環(huán)境帶來(lái)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(chē)逐漸進(jìn)入人們視線(xiàn)。而在新能源汽車(chē)的發(fā)展中電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展成為了目前行業(yè)內的研究重點(diǎn)。

　　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(cháng)以及對環(huán)境“友好”

　　等特點(diǎn)被廣泛的應用為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力提供源。電池組作為純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力供給源，其關(guān)鍵技術(shù)諸如汽車(chē)行駛過(guò)程中電池容量的實(shí)時(shí)估算，電池故障檢測以及電池安全等問(wèn)題都是亟待解決和提高的。

　　電池的容量估算是電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統中的關(guān)鍵技術(shù)模塊,準確進(jìn)行電池組的荷電狀態(tài)估計對提高電池使用壽命和整車(chē)性能具有重要意義。相比較卡爾曼濾波算法不適用于非線(xiàn)性系統中的目標參數估計，粒子濾波算法因其在非線(xiàn)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(lái)實(shí)現對電池容量的實(shí)時(shí)估算。本文以（錳酸鐵）鋰電池電為研究對象,重點(diǎn)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(dòng)汽車(chē)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(gè)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(dòng)力電池的幾種模型的建立以及電池的估算方法，并著(zhù)重介紹了粒子濾波算法對電池容量估算原理和實(shí)現步驟。

　　最后在實(shí)驗室環(huán)境下對電池組進(jìn)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(shí)值收斂并具有實(shí)驗要求的估算精度。

　　關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車(chē) 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(jīng)濟社會(huì )發(fā)展突飛猛進(jìn)的今天，社會(huì )各個(gè)階層的生活水平也不斷地更新和提高，相比上個(gè)世紀，現代社會(huì )的多數家庭中汽車(chē)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(dòng)動(dòng)車(chē)數量達近 3 億輛，其中家用相關(guān)汽車(chē)數量約占總數的百分之四十，持有機動(dòng)車(chē)駕駛執照的人超過(guò)三億多人次。

　　同時(shí)隨著(zhù)越來(lái)越多的人購買(mǎi)汽車(chē)，我國汽車(chē)的生產(chǎn)量和銷(xiāo)售量也在快速增長(cháng)，如圖1-1 所示，從 2009 年開(kāi)始到 2016 年我國汽車(chē)的總銷(xiāo)量呈現的是平穩較快的持續增長(cháng)，相較 2009 年的汽車(chē)銷(xiāo)售總量 2016 年的汽車(chē)銷(xiāo)售總量增長(cháng)了 91.9%，總量達兩千六百多萬(wàn)量。與之相對應的如圖 1-2 的汽車(chē)保有量統計圖顯示，截止 2016 年初我國汽車(chē)保有量[1]同樣持續快速增長(cháng)，我國平均每一百戶(hù)家庭的汽車(chē)保有量約為 36 量，依據圖中的增長(cháng)趨勢可預估出，到 2020 年我國全面建成小康社會(huì )之際我國的汽車(chē)保有量將達到新的高度，有望超過(guò) 2 億輛。

　　越來(lái)越多的汽車(chē)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(chē)的增多也給城市的環(huán)境[2]帶來(lái)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(chē)尾氣占了較大的比重。 因此有些城市出臺了一些相關(guān)的限制政策和法規諸如單雙號限號出行，車(chē)輛號牌搖號拍號購買(mǎi)車(chē)輛等。同時(shí)從中央到地方各級政府都在積極的大力的推進(jìn)新能源汽車(chē)研究與推廣。新能源汽車(chē)尤其是電動(dòng)汽車(chē)具有較好的發(fā)展前景。相比較 2014 年我國新能源汽車(chē)增長(cháng)了 169.48%。

　　從統計數據發(fā)現中國每年購買(mǎi)汽車(chē)人數逐年快速增加，新能源汽車(chē)的保有量也以超比重的數據比率增加，而新能源汽車(chē)的主要以純電動(dòng)汽車(chē)為代表，純電動(dòng)汽車(chē)結構簡(jiǎn)單，維修方便，易操作。電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展在新能源汽車(chē)的發(fā)展[3]中大概近占百分之六十的比率，除純電動(dòng)汽車(chē)外，油電混合動(dòng)力汽車(chē)也是各大汽車(chē)廠(chǎng)商爭相發(fā)展的領(lǐng)域，同純電動(dòng)汽車(chē)相比，油電混合動(dòng)力汽車(chē)具有整車(chē)質(zhì)量好，環(huán)保節能，驅動(dòng)力來(lái)源根據不同車(chē)速情況匹配，不用擔心駕駛里程和路段擁，能盡量減少汽車(chē)燃油燃燒帶來(lái)的尾氣導致的環(huán)境污染。因此無(wú)論是純電動(dòng)汽車(chē)[4]還是混合動(dòng)力汽車(chē)以及其他新能源汽車(chē)，現階段其發(fā)展前進(jìn)方向主要為電力驅動(dòng)的新型能源動(dòng)力汽車(chē)。

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

　　當我們說(shuō)起電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，首先映入腦海的是純電動(dòng)類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統全部來(lái)自于汽車(chē)電池中的電能轉換。然而考慮到純電能動(dòng)力的汽車(chē)在驅動(dòng)能力上存在不足，電動(dòng)汽車(chē)又研制出了動(dòng)力較強的混合動(dòng)力汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)相較純電動(dòng)汽車(chē)具有驅動(dòng)能力強的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)相較燃油動(dòng)力汽車(chē)具有油耗低，環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車(chē)包括燃料電池動(dòng)力汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)。在技術(shù)進(jìn)步的今天，又研制出了一種基于可充電式插電式的混合動(dòng)力汽車(chē)。

　　動(dòng)力系統電氣化是電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國在 2007 年頒布了針對新能源汽車(chē)的《新能源汽車(chē)生產(chǎn)準入管理規則》，該準則為我國的新能源汽車(chē)尤其是電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)化提供了強大依托。鑒于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域落后國外的現狀，我國在電動(dòng)汽車(chē)的目標定位較高，依據高目標和核心技術(shù)我國構建了純電動(dòng)汽車(chē)，混合電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池動(dòng)力汽車(chē)三位一體的技術(shù)研究平臺和教學(xué)與研發(fā)合作互動(dòng)的科學(xué)研究體系。在該種研究模式下我國的電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域取得了長(cháng)足的進(jìn)步，相關(guān)核心關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)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(chē)發(fā)展事業(yè)奠定了堅實(shí)有力的基礎。與此同時(shí)，我國在新能源汽車(chē)進(jìn)入市場(chǎng)前制定了嚴格的規范的測試標準[6]，其中包括關(guān)于汽車(chē)車(chē)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(chē)驅動(dòng)力試驗，電池包的能量消耗率和續航里程等測試。

　　經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的發(fā)展與研究，相較電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的國際研究前沿我國的混合動(dòng)力汽車(chē)在系統集成、可靠性、節油性能等方面進(jìn)步顯著(zhù)，可依據不同的行駛模式將汽車(chē)油耗控制在原來(lái)的百分之六十到百分之九十。同時(shí)將大容量的鋰離子電池應用到純電動(dòng)客車(chē)中并實(shí)現了一定規模的應用。無(wú)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(wù)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)，增強用戶(hù)滿(mǎn)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(chǎn)品牌的諸如吉利汽車(chē)，長(cháng)城汽車(chē)，奇瑞汽車(chē)等汽車(chē)廠(chǎng)家不僅實(shí)現了國內研發(fā)和廣泛銷(xiāo)售，而且實(shí)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(jìn)我國電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展，各種有關(guān)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的行業(yè)標準，政策法規，都已頒布或正在制定。

新能源電動(dòng)汽車(chē)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(shí)物展示

通信連接板實(shí)物展示

串口協(xié)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(fā)展現狀
　　　　　　1.1.1 選題背景
　　　　　　1.1.2 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現狀
　　　　　　1.1.3 電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展構想
　　　　1.2 鋰電池種類(lèi)及工作原理
　　　　　　1.2.1 主流電池
　　　　　　1.2.2 鋰電池分類(lèi)
　　　　　　1.2.3 鋰電池結構及工作原理
　　　　1.3 本文主要研究?jì)热?br /> 　　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(shí)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(dòng)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(dòng)力電池建模與估算方法
　　　　4.1 動(dòng)力電池建模
　　　　　　4.1.1 等效電路模型（PNGV 模型）
　　　　　　4.1.2 經(jīng)驗公式模型
　　　　4.2 電池剩余電量估算方法
　　　　　　4.2.1 安時(shí)積分法
　　　　　　4.2.2 開(kāi)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(shí)序及程序
　　　　　　5.3.2 isoSPI 通信狀態(tài)
　　　　5.4 I2C 通信
　　　　5.5 Can 通信流程
　　　　5.6 本章小結
　　第六章 實(shí)驗調試及試驗結果
　　　　6.1 硬件電路板調試
　　　　6.2 串口協(xié)助調試
　　　　6.3 脈沖放電實(shí)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(fā)表論文和科研情況說(shuō)明
　　致謝