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动力锂电池管理系统(毕业设计全套资料)

添加时间:2018/07/19 来源:河北大学 作者:刘导
本文主要设计了一套以 STM32 单片机为主控器的锂电池管理系统。本系统能对锂离子电池进行快速有效的监控,保证电池组的安全,并且使电池组安全可靠的在整车中运行。
  以下为本篇论文正文:

摘 要

  汽车尾气是造成了我国北方大部分城市的雾霾天气的主要原因,新能源纯电动汽车因其零污染和能量来源广泛受到了人们的广泛关注。锂离子电池因能量密度高、循环寿命长等优势被广泛的应用于新能源纯电动汽车,由于单体容量的限制锂电池在电动汽车中应用时需要大规模的串联,串联成组运行的电池存在较大的安全问题和电池组寿命缩短的问题。电池组的管理技术成为制约新能源汽车发展的技术瓶颈,电池管理系统也成为了当前的研究热点,结合这一背景本文主要针对动力锂电池池的管理系统展开研究。

  论文主要工作包括以下几方面:

  首先,通过对磷酸铁锂电池的工作特性以及电池管理系统在整车电气系统中作用的研究确定了电池管理系统的基本功能和总体方案。

  对目前常见的锂电池组均衡拓扑进行分类研究,并对基于电容器、电感器和变压器的均衡拓扑进行了分析;诘缛萜鞯耐仄私峁苟圆痪獾ヌ逯涞牡缪共钜览当冉洗蟛皇屎嫌τ糜诹姿崽绯氐墓芾,基于电感器的多层电感方案由于成本和电路复杂的原因在设计时也没有被采用,基于变压器的开关网络的反击拓扑结构具有良好的隔离特性和能实现多?榈木,成本和电路设计难度比较低,本设计即选取的开关网络反激的方案。

  在试验样机硬件上确定了基于 STM32F103VBT7 单片机的电池管理系统硬件设计方案,在此基础上完成了电池单体电压采样电路、温度采样电路、整板供电电路、开关量输入、继电器输出电路、电流采样电路和 CAN 通讯接口电路的设计。

  软件开发时选用的是 Keil MDK 开发环境,软件上实现了电池单体和温度采样等参数的监控,并对电池组的工作温度进行了控制,根据 CAN2.0B 协议进行了标识符的重新分配,编写了 CAN 通讯时的协议,对均衡?榈牡缏方辛丝刂,实现反激变换器的峰值电流控制。

  关键字:电池管理系统 电池均衡 LTC6804 CAN STM32

Abstract

  The smog and haze weather of cities is mainly caused by automobile exhaust in northern section of China. Residents pay more attention on the new energy electric vehicles because its source of energy is extreme environmental friendly. The lithium ion battery has bee n widely utilized as new energy power owing to several advantages, such as high ener gy density and long cycle life. Nevertheless, it is required that the lithium ion battery should be connected in series with large-scale in the application of electric veh icle because of the res trictions of monomers. Obviously, the battery pack m anagement technology has becom e a constraint to the development of new energy vehicle.Thus, the battery management system is regarded as the current research focus in this field. This article illustrates the analysis and assessment of the lithium battery pool m anagement system.The outline of this essay has been shown in following:

  Initially, the basic functions and overall program procedure has been determined through the studies of operation characteristics of lithium iron phosphates.

  The paper conducts the classified study on the major balance of the topological in current situation. Besides, it implements theoretical analysis on the basis of capacitors, inductors and the balanced topology of transformers as well. It indicates that the topology of the capacitor,which completely depends on the voltage difference between the imbalance monomers, is not suitable for lithium iron phosphate m anagement. Due to the consideration of costs and complexity of circuit design, it is not adopted in practice that the program of multilayer inductor which is based on inductor. The paper employs the counterattack topology, which is a transformer-based switching network. As a result, this program possesses several advantages,includes satisfied is olation characteristics, achieving the balanced m ulti-module,comparatively low costs and low difficulty of design.

  The article also describes the hardware circuit design in battery m anagement system in terms of STM32F103VBT7. Additionally, it conducts the design of the cell voltage sampling circuit, temperature sampling circuit, the pow er supply circuit of i mposition, digital input, relay output circuit, current sampling circuit and CAN communication interface circuit.

  The Keil MDK development environment has been chosen for software developing and exploring. The software is able to not onl y monitoring the battery cell and temperature sampling parameters, but also controlling the temperature in battery op eration. Furthermore,the design also conducts the redistribution of identifiers and writing the CAN communication agreement. Last but not least, it controls the circuit of balanced modules and implements the fly-back converter peak current control.

  Keywords Battery management system Battery equalization LTC6804 CAN STM32

  我国随着环境问题和能源问题愈来愈恶化,国家也加大了对电动汽车的支持力度,在2005年国家863计划中立项的第一批研究课题中,由清华大学、北京理工大学、北京交通大学等多所院校参与的电动汽车相关的技术研究,我国在十五期间也设立电动汽车重大专门研究项目[8]。

  我国在对电动汽车技术上的研究开始的相对较晚,电池管理技术发展也比较滞后,在2000年相关企业才开始有电池管理方面的专利申请,经过多年的研究和技术创新我国许多企业都在电池管理系统方面有了比较多技术积累[9],现在国内也有多款电动汽车或者油电混动汽车在进行生产。例如,比亚迪E6纯电动汽车和油电混合动力汽车“秦”,奇瑞汽车的EQ北京汽车E150EV纯电动汽车。

  随着电动汽车开发的热潮,我国各大校,研究所,整车及电池企业也对电池管理进行了重点研究。现在,有很多知名高校,利用自己在电池池管理研究方面的优势,和一些企业联合研究开发。许多电池企业也在电池管理技术上进行了深入的研究。而且随着锂电池池和电动汽车的发展国内已有很多专业生产电池管理系统的公司在进行汽车用电池管理系统的开发,许多公司都开发出可以对电池组进行主动均衡管理的产品。随着在电池管理方面研究投入的加大,自主开发的产品开始批量化进入市场,为我国在电池管理方面的开发和应用积累了宝贵的经验。国内对电动汽车发展的大力支持也为电池管理系统的发展提供了有利条件,使电池管理技术更加趋向成熟。

  本文主要设计了一套以 STM32 单片机为主控器的锂电池管理系统。本系统能对锂离子电池进行快速有效的监控,保证电池组的安全,并且使电池组安全可靠的在整车中运行。本文主要研究的内容:(1)根据磷酸铁锂电池的性质和整车电器结构,制定了电池管理系统技术验证样机的总体设计方案;(2)分析和研究常见的均衡方案,在其中选取了适用于本设计的均衡拓扑结构;(3)设计了基于 STM32 单片机的电池管理系统的硬件;(4)根据硬件平台编写了电池管理系统的软件,完成了电池管理系统技术验证样机的开发。

Keil MDK界面
Keil MDK界面

 LTC6804测试样板
 LTC6804测试样板

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系统电源电路
系统电源电路

12V升压电路
12V升压电路

3.3V稳压输出电路
3.3V稳压输出电路

开关量输入电路
开关量输入电路

继电器输出电路
继电器输出电路

目 录

  第 1 章 绪论
      1.1 研究目的及意义
      1.2 国内外研究现状
          1.2.1 国外电池管理发展现状
          1.2.2 国内电池管理发展现状
      1.3 本文主要研究内容
  第 2 章 电池管理系统的总体设计
      2.1 磷酸铁锂电池的工作特性
          2.1.1 磷酸铁锂电池的充放电特性
          2.1.2 磷酸铁锂电池的温度特性
          2.1.3 锂电池组的均衡特性
          2.1.4 磷酸铁锂电池的开路电压与容量
          2.1.5 实验时所用磷酸铁锂电池参数
      2.2 电池管理系统与整车的电器架构
      2.3 电池管理系统总体设计
  第 3 章 电池组均衡拓扑的研究
      3.1 有损均衡
      3.2 无损均衡
          3.2.1 基于电容器的均衡拓扑
          3.2.2 基于电感器的均衡拓扑
          3.2.3 基于变压器的拓扑
      3. 3 多层电感法与开关网络反激拓扑的比较
  第 4 章 电池管理系统硬件设计
      4.1 单片机选型
      4.2 单体电压采集电路
      4.3 电池温度采集电路
      4.4 供电部分
      4.5 开关量的输入
      4.6 继电器输出端口
      4.7 电流采集电路
      4.8 CAN 通信电路
  第 5 章 电池管理系统软件设计
      5.1 主程序流程图
      5.2 软件开发环境
      5.3 单体电压采集?
      5.4 CAN 通信的实现
      5.5 温度的控制
      5.6 均衡电路的控制
  第 6 章 总结
  参考文献
  致 谢
  攻读硕士学位期间发表的论文

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