基于SOC估计算法的电动汽车充电器设计

论文摘要

随着石油能源的日益枯竭、环境污染越来越严重。传统能源汽车被新能源汽车逐渐取代将成为必然趋势。国内外都投入了大量的人力与物力从事新能源汽车的研制,目前电动汽车的整车技术研发已获成功,不过,电动汽车还是处于试运行阶段,距离大范围的使用还需要一定的时间。迟迟没能实现产业化推广,主要是受制于电动续航里程短、充电频繁且充电时间长、动力电池的易耗高价等瓶颈问题。控制充电器依据电池特性曲线对电池进行充电,这是实现动力电池快速充电的理想途径。目前,基于电池组端电压的充电方式是动力电池充电器的常用方法,它的优点是控制简单、易于实现,但这种充电方法跟随电池特性曲线的性能不理想,并且会导致电池组中部分单体电池严重过充,从而降低了电池的使用寿命。针对以上问题,以磷酸铁锂电池为充电对象,提出依据电池SOC(State Of Charge,电池荷电状态)估计值进行四段式充电的充电策略,改善充电器跟随电池特性曲线的性能,同时采用电能回馈式均衡方法实现各单体电池间的均衡充电,避免了单体电池过充现象,在确保电池充电寿命的前提下,实现对动力电池的快速与均衡充电。介绍了电动汽车发展概况及其关键技术,阐述了电动汽车充电技术的基本原理。利用移相全桥ZVS(零电压开关)变换器电路设计出充电器的主电路,研究了移相PWM控制模式,将结果进行了分析与Matlab仿真验证,并提出有效的均衡充电设计方案。以TMS320LF2407芯片为核心设计出整个系统的控制电路。分析了SOC的非线性特点和影响电池SOC估计的相关因素,从估算的实时性与精度等角度,对现有SOC估算方法进行比较,采用安时计量法结合卡尔曼滤波法实现SOC估算,并进行了SOC估计算法的设计。在此基础上,对依据SOC估计值实现四段式充电曲线和均衡充电的控制策略进行了深入研究,采用PID算法对充电器输出电流和输出电压进行调节,同时对系统软件进行了设计。最后,搭建出整机实验平台,对设计结果进行了实际验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外电动汽车的发展概况
• 1.2 电动汽车关键技术
• 1.2.1 电池技术
• 1.2.2 电机技术
• 1.2.3 控制器技术
• 1.3 电池管理系统简介
• 1.4 电动汽车充电技术基本原理
• 1.4.1 电动汽车充电方式简介
• 1.4.2 汽车充电器控制系统
• 1.4.3 电动汽车充电器控制策略
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 1.6 论文的主要内容
• 本章小结
• 第2章 SOC估计算法
• 2.1 影响SOC估计的因素
• 2.1.1 温度的影响
• 2.1.2 充放电倍率
• 2.1.3 自放电率
• 2.1.4 内阻
• 2.2 SOC的定义方法
• 2.3 SOC估计策略
• 2.4 安时计量法
• 2.5 卡尔曼滤波算法
• 2.5.1 折算库仑效率
• 2.5.2 卡尔曼滤波算法的设计与实现
• 本章小结
• 第3章 充电器硬件电路设计
• 3.1 主电路设计
• 3.1.1 功率电路
• 3.1.2 功率驱动电路
• 3.1.3 移相式全桥电源控制器仿真分析
• 3.1.4 均衡充电
• 3.2 控制电路设计
• 3.2.1 DSP最小系统
• 3.2.2 电压检测
• 3.2.3 电流检测
• 3.2.4 温度检测
• 3.2.5 保护电路
• 本章小结
• 第4章 充电控制策略研究及其软件设计
• 4.1 DSP软件设计基础
• 4.1.1 软件开发环境简介
• 4.1.2 编程语言的选择
• 4.2 充电系统软件控制框图
• 4.3 充电算法
• 4.3.1 四段式充电控制算法
• 4.3.2 SOC估计算法
• 4.3.3 恒流与恒压调节算法
• 4.3.4 移相PWM生成算法
• 4.3.5 均衡充电控制算法
• 本章小结
• 第5章 实验结果
• 5.1 实验装置
• 5.2 实验结果
• 总结和展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢