本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的鋰離子電池SOC估計算法實(shí)現(xiàn)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：電池的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)是電池最重要的參數(shù)之一,用來表征電池的剩余電量,不能直接測量,需要快速、準(zhǔn)確和高效地估計。本文以現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)嵌入式方案為核心,實(shí)現(xiàn)了基于EKF算法的鋰離子電池SOC的快速估計。主要做了以下工作:介紹了FPGA嵌入式方案實(shí)現(xiàn)SOC在線估計的研究背景與國內(nèi)外現(xiàn)狀。通過對電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)主流SOC估計方法的優(yōu)缺點(diǎn)的比較,確定了使用擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF)算法實(shí)現(xiàn)SOC估計。通過在實(shí)際系統(tǒng)中SOC估計的各類軟硬件實(shí)現(xiàn)方法的分析,選擇了FPGA作為處理器實(shí)現(xiàn)SOC的實(shí)時在線估計,并詳細(xì)介紹了FPGA嵌入式方案的設(shè)計結(jié)構(gòu)。提出了快速EKF算法,估計了鋰離子電池的SOC值。建立了鋰離子電池一階Thevinan等效電路模型,采用遞推最小二乘法辨識了模型中的電阻和電容參數(shù)。在自定義工況下,驗(yàn)證了一階Thevinan模型的精度。設(shè)計了基于快速矩陣運(yùn)算的EKF估計器,估計了鋰離子電池的SOC值,并與常規(guī)矩陣運(yùn)算法進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明,快速矩陣運(yùn)算法算法時間復(fù)雜度更小,運(yùn)行時間更短�；贔PGA嵌入式方案的EKF估計器SOC估計算法實(shí)現(xiàn)。利用Quartus II中的Qsys工具,搭建了SOPC硬件系統(tǒng)。在Nios II軟件集成開發(fā)環(huán)境下,采用C/C++語言設(shè)計了基于EKF的SOC估計器。在所搭建的SOPC嵌入式系統(tǒng)中,進(jìn)行了基于常規(guī)矩陣運(yùn)算和快速矩陣運(yùn)算的EKF算法的離線驗(yàn)證,結(jié)果表明,基于快速矩陣運(yùn)算的EKF算法時間復(fù)雜度小,耗時更短。搭建了在線實(shí)驗(yàn)測試平臺,以實(shí)時監(jiān)測電池的SOC。設(shè)計了A123-26650磷酸鐵鋰(Li Fe PO4)電池的電流和電壓實(shí)時數(shù)據(jù)采集電路,將采集到的電流和電壓數(shù)據(jù),通過ADS1115芯片進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過I2C總線,實(shí)時傳輸給SOPC嵌入式系統(tǒng)中的EKF估計器,并進(jìn)行SOC估計。通過RS232串口,將電流、電壓和SOC估計值傳輸給上位機(jī),并進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和保存。設(shè)計了EKF估計器的全硬件方案,實(shí)現(xiàn)了基于EKF的SOC估計器的硬件電路設(shè)計。采用Verilog硬件描述語言搭建了EKF估計器硬件系統(tǒng),并在Model Sim中進(jìn)行了測試與驗(yàn)證。針對硬件系統(tǒng)資源占用率和運(yùn)行時間兩方面,對比了FPGA全硬件方案與FPGA嵌入式方案,結(jié)果表明,FPGA全硬件方案可顯著提高運(yùn)算速度。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 EKF估計器 FPGA嵌入式方案 在線測試平臺 FPGA全硬件方案
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-22
• 1.1 課題研究背景12-13
• 1.2 SOC估計研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 SOC估計方法14-15
• 1.2.2 SOC估計硬件實(shí)現(xiàn)15-16
• 1.3 FPGA技術(shù)16-20
• 1.3.1 FPGA設(shè)計方案介紹17-18
• 1.3.2 FPGA嵌入式方案設(shè)計結(jié)構(gòu)18-20
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容20-22
• 第2章 電池模型建立及SOC估計22-38
• 2.1 鋰離子電池模型的建立22-27
• 2.1.1 等效電路模型22-24
• 2.1.2 模型參數(shù)辨識24-26
• 2.1.3 電池模型驗(yàn)證26-27
• 2.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波法27-30
• 2.2.1 擴(kuò)展卡爾曼濾波介紹27-28
• 2.2.2 基于EKF的SOC估計器28-30
• 2.3 EKF估計器實(shí)現(xiàn)分析30-33
• 2.3.1 常規(guī)矩陣運(yùn)算法30-32
• 2.3.2 快速矩陣運(yùn)算法32-33
• 2.4 EKF估計器MATLAB仿真33-36
• 2.4.1 SOC估計MATLAB仿真33-35
• 2.4.2 兩種方法完成算法的時間對比35-36
• 2.5 本章小結(jié)36-38
• 第3章 EKF估計器的FPGA嵌入式方案實(shí)現(xiàn)38-48
• 3.1 SOPC系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境38-39
• 3.2 需求分析39-40
• 3.3 SOPC硬件系統(tǒng)設(shè)計40-43
• 3.3.1 硬件系統(tǒng)搭建40-42
• 3.3.2 硬件系統(tǒng)調(diào)試42-43
• 3.4 SOPC軟件系統(tǒng)設(shè)計43-45
• 3.5 板級驗(yàn)證45-46
• 3.6 運(yùn)行時間分析46-47
• 3.7 本章小結(jié)47-48
• 第4章 在線測試實(shí)驗(yàn)平臺搭建48-62
• 4.1 數(shù)據(jù)采集48-52
• 4.1.1 電壓采集電路48-50
• 4.1.2 電流采集電路50
• 4.1.3 濾波電路50-51
• 4.1.4 A/D轉(zhuǎn)換電路51-52
• 4.2 SOPC嵌入式單元52-56
• 4.2.1 EKF估計器52-54
• 4.2.2 I2C總線54-55
• 4.2.3 RS232串口通信55-56
• 4.3 上位機(jī)界面設(shè)計56
• 4.4 在線測試實(shí)驗(yàn)平臺56-60
• 4.5 本章小節(jié)60-62
• 第5章 EKF估計器的FPGA全硬件方案62-74
• 5.1 算法分析62-63
• 5.2 帶符號位的定點(diǎn)數(shù)模型設(shè)計63-65
• 5.3 EKF估計器硬件電路設(shè)計65-69
• 5.3.1 矩陣加減法運(yùn)算65-66
• 5.3.2 矩陣乘法運(yùn)算66-67
• 5.3.3 數(shù)的除法運(yùn)算67-68
• 5.3.4 EKF算法的硬件電路實(shí)現(xiàn)68-69
• 5.4 Model Sim仿真69-71
• 5.5 硬件資源利用與運(yùn)行時間分析71-72
• 5.6 本章小結(jié)72-74
• 第6章 總結(jié)與展望74-76
• 6.1 全文總結(jié)74
• 6.2 研究展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-82
• 作者簡介及科研成果82-84
• 致謝84-85

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙健,楊維芝,趙佳明;鋰離子電池的應(yīng)用開發(fā)[J];電池工業(yè);2000年01期

2 ;如何正確使用鋰離子電池[J];電子科技;2000年09期

3 ;我國第一條現(xiàn)代化鋰離子電池生產(chǎn)線在濰坊建成投產(chǎn)[J];電池工業(yè);2001年01期

4 陳洪超;李相東;;鋰離子電池原理、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J];軍事通信技術(shù);2001年01期

5 ;新型鋰離子電池[J];炭素技術(shù);2002年03期

6 朱曉軍;;全球最薄鋰離子電池[J];家庭電子;2002年03期

7 啟明;高容量鋰離子電池負(fù)極[J];金屬功能材料;2003年01期

8 楊捷;鋰離子電池的特點(diǎn)與使用[J];現(xiàn)代電視技術(shù);2003年05期

9 周園 ,韓金鐸;鋰離子電池:機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存——參加“鋰離子電池與電動車”研討會有感[J];鹽湖研究;2003年02期

10 石保慶;鋰離子電池的必測項目——電池平臺[J];中國無線電管理;2003年01期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 許名飛;郭永興;李新海;吳顯明;;鋰離子電池氣脹問題探析[A];第十二屆中國固態(tài)離子學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2004年

2 王宏偉;鄧爽;肖海清;王超;楊宗輝;施亞申;;鋰離子電池誤使用的安全檢測與分析[A];2011年全國失效分析學(xué)術(shù)會議論文集[C];2011年

3 劉勇;盤毅;謝凱;蘆偉;;鋰離子電池的存儲性能研究[A];第30屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2013年

4 張俊乾;;鋰離子電池中的擴(kuò)散應(yīng)力和破壞[A];中國力學(xué)大會——2013論文摘要集[C];2013年

5 康慨;戴受惠;萬玉華;王樹安;;我國鋰離子電池的研究與發(fā)展[A];新世紀(jì) 新機(jī)遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊）[C];2001年

6 張千玉;馬曉華;;二甲苯用作鋰離子電池過充保護(hù)添加劑的研究[A];第二十八屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2009年

7 張千玉;馬曉華;;新型鋰離子電池過充保護(hù)添加劑的研究[A];第二十八屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2009年

8 朱靜;于申軍;陳志奎;何顯能;周永超;李賀;;水分對鋰離子電池性能的影響研究[A];第二十八屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文集[C];2009年

9 崔少華;楊曉民;;圓型鋰離子電池滲液不良分析[A];自主創(chuàng)新與持續(xù)增長第十一屆中國科協(xié)年會論文集（2）[C];2009年

10 李琳琳;王斌;吳宇平;T.van Ree;;甲基苯基二-(甲氧二乙基)硅烷用作鋰離子電池功能性添加劑的研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李壯;新國標(biāo)9月實(shí)施鋰電池門檻加高[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報;2005年

2 劉碧瑪;動力鋰離子電池要抓住發(fā)展機(jī)遇[N];科技日報;2007年

3 記者　陳穎;深圳鋰電產(chǎn)量已占全國六成[N];深圳特區(qū)報;2006年

4 實(shí)習(xí)記者 徐恒邋記者 諸玲珍;鋰離子電池安全受關(guān)注 新材料研究是熱點(diǎn)[N];中國電子報;2008年

5 徐恒 諸玲珍;鋰離子電池安全備受關(guān)注[N];中國有色金屬報;2008年

6 李燕京;鋰離子電池國標(biāo)年內(nèi)將出臺[N];中國消費(fèi)者報;2008年

7 本報記者 馮健;動力鋰離子電池：安全性制約應(yīng)用[N];中國電子報;2009年

8 新材料在線首席研究員 李國強(qiáng);鋰離子電池產(chǎn)業(yè):中日韓三分天下[N];中國電子報;2004年

9 金信;全國最大的鋰離子電池生產(chǎn)基地在津建成[N];中國機(jī)電日報;2002年

10 黃新培;業(yè)內(nèi)專家對生產(chǎn)企業(yè)提出三點(diǎn)建議[N];中國機(jī)電日報;2002年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉金龍;鋰離子電池高性能富鋰錳基正極材料的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

2 劉玉榮;錳基混合型金屬氧化物孿生微納結(jié)構(gòu)的制備、形成機(jī)理與儲鋰性能[D];山東大學(xué);2015年

3 易金;鋰離子電池釩基負(fù)極材料的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

4 張千玉;綠色能源材料鈦酸鋰的改性及其回收再利用的研究[D];復(fù)旦大學(xué);2014年

5 袁慶豐;鋰離子電池硅基復(fù)合負(fù)極材料和電池安全性的研究[D];華南理工大學(xué);2015年

6 明海;高容量或高倍率鋰離子電池材料的合成與相應(yīng)全電池的組裝研究[D];蘇州大學(xué);2015年

7 楊智博;高性能鋰離子電池硅/鍺電極的設(shè)計與制備[D];蘭州大學(xué);2015年

8 董漢成;衛(wèi)星電源電池健康狀態(tài)診斷方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

9 張濤;廢棄鋰離子電池破碎及富鈷產(chǎn)物浮選的基礎(chǔ)研究[D];中國礦業(yè)大學(xué);2015年

10 張立強(qiáng);鋰離子電池多物理模型參數(shù)辨識及健康特征提取[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張濤;失效鋰離子電池破碎特性研究[D];華東交通大學(xué);2011年

2 馬宇宏;鋰離子電池?zé)岚踩匝芯縖D];電子科技大學(xué);2013年

3 王會軍;過渡金屬氧化物和過渡金屬硫化物作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究[D];西南大學(xué);2015年

4 任婉;鋰離子電池鎳—錳二元正極材料的研究[D];華南理工大學(xué);2015年

5 李娟;鋰離子電池負(fù)極材料Li_4Ti_5O_(12)的制備與研究[D];廣東工業(yè)大學(xué);2012年

6 玄哲文;微納結(jié)構(gòu)MnO_2及CuO的制備及作為鋰離子電池負(fù)極的性能研究[D];云南民族大學(xué);2015年

7 邢程程;原位生長FeS納米結(jié)構(gòu)薄膜及其在鋰離子電池中的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2015年

8 白鋼印;鋰離子電池高電壓正極材料鎳猛酸鋰的合成與改性研究[D];昆明理工大學(xué);2015年

9 宋贏;鋰離子電池二氧化鈦負(fù)極材料摻雜改性及電化學(xué)行為研究[D];遼寧大學(xué);2015年

10 安平;聚酰亞胺鋰離子電池隔膜的制備及其性能研究[D];陜西科技大學(xué);2015年

  本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的鋰離子電池SOC估計算法實(shí)現(xiàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：262849