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1. 研究目的与意义（文献综述）

随着我国科学技术的发展速度不断加快，人们的生活水平以及环保意识也逐渐增强，其越来越重视出行方式的低碳性、环保性[1]，人们也逐渐将新能源电动汽车作为出行的首选。由于我国可持续发展政策的不断推进，电动汽车制造商也越来越重视应用新能源技术进行生产，这样不仅可以降低资源损耗，同时还能提高自身经济效益，逐渐提高自身的行业地位。新能源电动汽车的关键技术就是蓄电池技术，其决定了电动汽车的使用寿命以及使用时间，因此提高蓄电池的性能成为了蓄电池制造商的主要任务。蓄电池是一种新式清洁能源，其可以为电动汽车提供充足的动力，有效保证我国环境健康。虽然新能源电动汽车较普通汽车相比具有清洁性、方便性和先进性，但是由于蓄电池容量较低，这就导致其无法存储过多的电量，进而导致电动汽车的续航能力较差。蓄电池充电时间过长还会有损蓄电池的实际使用寿命，不利于驾驶人的出行安全。此外，由于蓄电池质量电荷量也比较小，这就导致新能源电动汽车与普通汽车相比加速性能较差，最高车速也比较低。新能源汽车的核心是电池，因此电池技术的发展直接制约新能源汽车的整体发展。例如世博集团电池系统公司总裁Karsten Hang 博士[2]曾经提出“在短时间内电动车受限于电池能量密度和持续里程的制约”。可见如何提高电池技术发展是新能源汽车产业发展所必须要解决的问题之一。实践证明加强新能源汽车电池技术具有重要的现实意义：首先加强新能源汽车电池技术发展是提高新能源汽车性能的关键。电池是新能源汽车的核心，完善新能源汽车电池技术不仅可以解决新能源汽车行驶里程的问题，而且还能有效降低汽车行驶中的噪音问题，大大提高了新能源汽车的舒适度，满足了消费者的要求；其次电池技术发展也是降低电池成本的重要举措。根据调查电池技术的关键是隔膜，而我国生产的隔膜虽然在价格上比日本等国家要低，但是其性能还存在一定的差距，因此加强电池技术的发展，尤其是提高电池隔膜技术的发展可以大大降低我国电池成本，提高新能源汽车企业的经济效益；最后发展电池技术也是促进电池多元化发展，适应新能源汽车产业节约化、规模化发展的必然举措[3]。在全球电池产业中电池制造工艺不能大幅度提升的情况下，只能通过对电池组合理有效的管理和控制，才能提高电池组的利用率，延长其使用寿命，从而达到降低电动汽车的整体使用成本的目的[4]。因此，电动汽车的电池管理系统的性能对电动汽车使用成本、节能和安全性至关重要[5]。国外投入大量的人力物力开展广泛深入的研究及试验，成功开发出多种电池管理系统，并已推广应用。其中比较典型的电池管理系统[6][7]有：(1)应用于美国通用汽车公司生产的EV1型电动汽车上的电池管理系统EV1电动汽车是最成功的电动汽车之一。其电池管理系统包括：电池模块、电池组热管理系统、电池组控制模块BMP和电池组高压保护模块四个组成部分。其中控制模块能够实现电流采样、对不同部位进行温度采样、电池单体电压检测、电池组高压保护以及电量或里程计算等功能。(2)德国柏林大学研制的电池管理系统柏林大学研发的电池管理系统是目前国际上功能相对齐全、技术含量比较高的电动汽车用电池管理系统。它采用西门子公司的Microcontroller80C167CR作为微处理单元，由CAN总线完成各电池模块间的数据传输，并且各模块都配有电池均衡电路，通过有效的均衡控制策略和均衡电路的拓扑设计解决了电池组不一致性的问题。该系统除了能够实现防止电池过充过放、电池组热管理、电池故障诊断等主要功能，还能基于模糊专家系统估计剩余电量并及时调整模糊专家系统的参数。(3)日本Nissan汽车公司的Leaf纯电动汽车用电池管理系统日本Nissan汽车公司根据纯电动汽车的组成特点，对整体车身及电池组结构全新设计，使纯电动汽车的整体结构和负载更加合理。其中，电池组采用一体化结构，相应的电池管理系统也采用集中式设计，使系统的集成化更高，同时也兼顾成本。系统主要功能：数据采集、SOC估计与显示、电池管理、优化充电、能量管理和故障自诊断等功能。国内研究现状：北京交通大学先后与国内东风汽车集团、北京公共交通控股有限公司合作，进行混合动力大巴、双源无轨电车的运行试验，部分实现了批量生产和使用。在对动力电池更深入的研究后，通过搭建试验平台，优化电池充放电算法，延长了电池的使用寿命，在完善系统功能、提高检测精度和可靠性方面得到了长足的进展。根据不同的车型提出不同的系统结构设计[8]，具有电池均衡管理、SOC估算、电池充放电电流的检测、故障诊断等功能[9]。北京理工大学研制的电池管理系统以单片机为主控制器，采用分布式系统结构，可实时检测电池组的各项状态参数：总电压、总电流、电池单体电压、电池组温度；在线估算电池组SOC，并根据电池状态进行故障诊断和报警，同时可以对电池组的环境温度进行调节功能等；系统参数可通过上位机进行设定和修改，与整车控制系统通过CAN总线进行通信实现信息交互。系统可以有效地管理电动车辆有限的能量，实现能量的有效利用，并解决了车辆运营过程中的故障诊断、绝缘检测、充电通信等问题，延长电池使用寿命、提高电动车的可靠性。清华大学研制的运用于轻型电动客车的电池管理系统，可对电池组的总电压、充放电电流、电池单体电压、温度等参数实时检测和监控，避免电池组出现过充过放电现象，电池组的使用效率得到了一定的提高，并延长了其使用寿命[10]。从中可以看出电池管理系统能够科学有效的管理电池组的正常使用，确保车辆的安全可靠运行，延长电池组使用寿命，所以对于测量电池的实时功率、实时电压、实时电流、平均功率以及功率曲线的显示是非常有必要的。从这些数据中能够反应出电动汽车行驶的状态，监控电池的状态，通过数据分析对于故障的判断也有了很大的作用。

2. 研究的基本内容与方案

研究（设计）的基本内容：(1) 对现有的各种数模转换器（ADC）进行比较，得出高精度的数模器，确保测量数据的可靠性，减少测量误差。(2) 对智能小车的电池进行参数分析，测量电池的实时功率、实时电压、实时电流、平均功率。确定测量的量程，接着设计测量电路，在电路仿真平台上确定测量电路的可行性。(3) 用液晶显示屏（LCD）来显示测量的数据，用C语言编程实现点亮LCD，接着便实现LCD显示单片机从高精度ADC获得的数据，以及实时显示功率曲线，并且用软件滤波的方法提高测量的精度。(4) 研究智能小车行驶的控制，选出一个控制芯片，运用C语言编程使小车能够在指定的轨道上自动循迹行驶，以达到模拟不同的路况，显示实时电功率的目的。(5) 研究改进测量精度，设计电压跟随器，滤波电路，稳压电路，并且在Altium Designer上进行PCB的设计。研究（设计）的目标：(1) 本课题基于直流电池供电智能小车平台，设计了一套车载电池功率实时监测系统。(2) 通过搭建不同坡度、弯道以至于模拟电动汽车在实际行驶时所遇到的不同路况，同时设计了一个地面站。(3) 当小车在行驶时，可在车载与地面监控设备上实时显示当前小车（负载）的实时功率（曲线）、平均功率、实时电流、实时电压、以及负载电阻（曲线）等数据信息。(4) 搭建有左右转弯、上坡、下坡的轨道，模拟小车行驶的实际路况，并且显示屏上显示的测量数据精度高。研究（设计）拟采用的技术方案及措施：采用STM32单片机[11][12]、高精度ADC[13]、霍尔元件[14]、高精度集成运放ICL7650[15]等模块，运用双机通信技术[16]、2.4G无线通信技术[17]、红外循线技术等搭建一个监控小车供电电池平台。 图1 系统框图整套系统包括硬件设计和软件设计，整个系统框图如图1所示。为了便于实现通信功能和以后升级的需要，选用了32位嵌入式单片机STM32F103C8T6。该单片机是意法半导体公司推出的一款超低功耗32 位微处理器，工作频率高达72MHz。片内具有20KB 的SRAM 和64KB 的FLASH，以及众多的增强I/O 口。所有外设可通过两条APB 总线相连，且都可匹配标准的通信接口。硬件上还需要设计电压跟随器，电压跟随器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，是最常用的阻抗变换和匹配电路。电压跟随器常用作电路的输入缓冲级和输出缓冲级。作为整个电路的高阻抗输入级，可以减轻对信号源的影响。作为整个电路的低阻抗输出级，可以提高带负载的能力。硬件上还使用了霍尔传感器，霍尔传感器的理论输入电阻为0，工作原理是原线圈产生的磁通量被高品质磁芯聚集在磁路中，并且霍尔元件固定在很小的气隙中，对磁通量进行线性检测，霍尔器件输出的霍尔电压经过处理，副线圈输出与原线圈波形一致的跟随输出电压，此电压能够精确反映原边电流的变化。系统软件采用C 语言编写，采用模块化程序设计，包括主程序、数据采集子程序、LCD显示子程序、小车行驶控制子程序、双机通信子程序。整个通用平台由测量模块，显示模块(分为车载模块和地面站模块)，电机驱动与循线模块，2.4GHz无线数据传输模块四个部分组成。测量模块通过自主设计，在仿真平台上测试其可行性，得出测量电路方案后开始设计PCB图，最后安装硬件并且调试。显示模块则利用STM32单片机控制，通过编程，配置双机无线通信，使车载端以及地面站显示相应测量模块所得到的数据。电机驱动与循线模块，也是以STM32为主控制器，通过编程配置电机驱动芯片以及四路循线芯片，使小车能够在搭建好的轨道上行驶。2.4GHz无线数据传输模块是车载端与地面站通信的关键，通过编程将其能够同步显示小车行驶的实时数据[18]。

3. 研究计划与安排

本毕业设计进度安排如下：第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的基本概念和基础知识。确定方案，完成开题报告。第4－6周：根据已有研究成果，确定进行本课题研究的基本路线和具体方案。第7－10周：研习STM32F103C8T6单片机以及电机驱动芯片TB6612FNG，熟悉STM系列的代码并且进行需求的功能调试。第11－12周：开始搭建电路图，进行仿真调试得到可行方案，画出PCB电路图，制作电路板和组装整个系统实物，并进行调试以及数据的测量。 第13－15周：完成并修改毕业论文。第16周：准备论文答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

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