锂电池BMS系统设计

电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERDISSERTATION（电子科技大学图标）论文题目锂电池BMS系统设计学科专业材料工程学号201222030640作者姓名范正航指导教师向勇教授分类号密级UDC注1学位论文锂电池BMS系统设计（题名和副题名）范正航（作者姓名）指导教师向勇教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业材料工程提交论文日期2015.03.20论文答辩日期2015.05.20学位授予单位和日期电子科技大学2015年06月23日答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。RESERACHONTHEBATTERYMANAGEMENTSYSTEMOFLITHIUMBATTERYAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MasterofEngineeringAuthor:ZhenghangFanAdvisor:ProfessorYongXiangSchool:SchoolofEnergyScienceandEngineering独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：日期：年月日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：年月日摘要I摘要由于能源短缺和环境污染，电动汽车取代燃油汽车已成为必然趋势。作为电动汽车重要组成部分的电源管理系统(BMS)自然成为了研究的焦点。电源管理系统主要在电动汽车行驶过程中对其车载电池进行检测与管理。主要包括：电池的电压电流采样，温度采样，荷电状态(SOC)估算，电池均衡等几个方面，对电动汽车的健康行驶有着重要意义，所以对电源管理系统进行研究是有必要的。本文的主要内容包括以下几个方面：1.本文基于锂电池进行研究，介绍了其组成结构，化学特性，等效电路等相关知识。介绍了电源管理系统的基本知识，包括电池采样，电池均衡，SOC估算。2.本文采用扩展卡尔曼滤波法进行锂电池的SOC估算。详细推导了扩展卡尔曼滤波法的计算过程，并通过软件仿真对锂电池模型的等效电路进行辨识，得出其等效元件的数值。用等效电路结合扩展卡尔曼滤波法来进行SOC的估算，仿真其波形。3.对采样系统进行设计。包括单体电池电压采样，总电压和电流采样，温度采样。单体电压采样基于LTC6804-2采样芯片进行设计，总电压和电流采样用分立元件进行设计，温度采样用温度传感芯片进行设计，完成采样系统所有硬件制作和软件设计，并对比分析两种采样方式的精度。4.对均衡系统进行设计。对应用最为广泛的均衡电路，即双向反激电源的理论进行分析，并仿真验证其波形。基于LTC3300均衡芯片设计均衡电路，完成其硬件制作和软件设计。关键词：电源管理系统，SOC估算，采样，均衡ABSTACTIIABSTRACTBecauseoftheenergyshortageandtheenvironmentalpollution,ithasbecomeaninevitabletrendthattheelectricvehicleswillreplacethefuelvehicles.Asanimportantcomponentoftheelectricvehicle,thebatterymanagementsystem(BMS)naturallybecomethefocusofresearch.Thebatterymanagementsystemmainlyprovidesdetectionandmanagementforelectricvehicleswhentheyaremoving.BMSincludesthesamplingofthevoltageandthecurrent,thesamplingofthetemperature,theestimationofStateofChargeandthebalancingofthebattery.Ithasimportantsignificancetothehealthofelectriccars,sothepowermanagementsystemisnecessarytostudy.Themaincontentsofthispaperincludethefollowingaspects:1.Thispaperisaboutlithiumbatteries.Itintroducesthecompositionstructure,chemicalpropertiesandtheequivalentcircuitofthelithiumbatteries.Italsointroducesthebasicsofthepowermanagementsystem,includingthebatterysampling,batterybalancingandSOCestimation.2.Inthispaper,theextendedKalmanfiltermethodisusedfortheSOCestimationoflithiumbatteryandthecalculationprocessoftheextendedKalmanfiltermethodwasdeducedindetail.Byidentifyingtheequivalentcircuitmodelofthelithiumbattery,wegetthevalueoftheequivalentcomponentsthroughsimulation.CombiningtheequivalentcircuitwithextendedKalmanfiltermethod,wegetthewaveformofSOC.3.Thesamplingsystem,includingthesinglebatteryvoltagesampling,thetotalvoltageandcurrentsampling,thetemperaturesamplingisdesigned.Intheexperiment,thedesignofthesinglevoltagesamplingisbasedonthechipnamedLTC6804-2.Thedesignoftotalvoltageandcurrentsamplingisbasedonseparatecomponents.Thedesignofthetemperaturesamplingisbasedonatemperaturesensorchip.Wecompletethedesignofhardwareandsoftware.4.Weanalyzethebi-directionalflybackconverterwhichisthemostwidelyusedcircuitforcellbalancing.Thenwegetits’simulationwaveform.Intheexperiment,thedesignofthecellbalancingcircuitisbasedonthebalancingchipnamedLTC3300-1.Wecompletethedesignofhardwareandsoftware.Keywords:batterymanagementsystem,SOCestimate,sampling,balancing目录III目录第一章绪论..................................................................................................................11.1研究工作的背景..........................................................................................11.2锂离子电动汽车BMS系统国内外研究历史与现状................................11.3本文的主要贡献与创新..............................................................................21.4本论文的结构安排......................................................................................3第二章锂电池电源管理系统基础知识........................................................................42.1锂电池荷电状态估算（SOC）的相关知识..............................................42.1.1锂电池的特点...................................................................................42.1.2磷酸铁锂电池相关知识...................................................................42.1.3锂电池SOC的基本概念.................................................................62.1.4锂电池SOC的估算方法介绍.........................................................72.2锂电池采样模块的相关知识......................................................................82.2.1采样的定义.......................................................................................82.2.2采样系统设计简介...........................................................................82.3锂电池均衡模块的相关知识......................................................................92.3.1均衡简介...........................................................................................92.3.2均衡系统设计简介...........................................................................92.4本章小结......................