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基于FPGA的电池荷电状态估算实现研究
| 论文题名： | 基于FPGA的电池荷电状态估算实现研究 |
| 关键词： | 电动汽车;电池荷电状态;UKF;并行计算;硬件实现 |
| 摘要： | 区别于传统汽车的研究方向，三电系统（电池、电机、电控）成为电动汽车发展的关键技术，而面向电动汽车安全性的电池技术成为三电中最受关注的对象。电池管理系统(BMS)作为电动汽车的核心，承担着动力输出以及整车的安全控制，功能强大且复杂。其中电池荷电状态(SOC)是电池管理系统中的重要参数，对于车辆行驶里程以及充放电控制具有指导意义，准确的SOC值有利于驾驶者做出正确的行车判断。由于SOC为电池的状态量，无法直接测量得到，故需要对SOC进行估算。快速准确的估算出SOC值能够及时向电池管理系统进行反馈，引导BMS迅速做出相应控制。 本文以电池SOC估算为主要研究内容，基于FPGA平台完成SOC估算实现。首先本文以NCR18650BD型号的锂离子电池为研究对象，结合电池的特性和端电压变化特征，建立二阶RC网络等效电路模型为算法实现提供依据。对于电池模型参数辨识的需求，采用遗忘因子为0.97的递推最小二乘法进行阻容参数辨识。结合模型和参数辨识结果分析SOC估算方法可行性，并在Simulink中进行验证。根据得到验证的算法以及模型计算得到的参数值，设计基于FPGA的UKF算法实现方案进行电池SOC估算。整个设计采用Verilog硬件描述语言进行搭建，以UKF算法的计算步骤设计状态机控制计算流程。设计中算法涉及的矩阵运算较多，故对部分算法用到了脉动阵列结构求解，采用Cholesky三角矩阵分解简化计算过程，并在计算过程中引入误差匹配机制，以优化估算效果。在实现UKF的整体设计后，对各项功能模块进行仿真测试，确保实现所需要的功能正确。 设计整体所采用的为高速并行计算方式，能够提升电池SOC的估算速率。针对大量的矩阵乘加运算采用分时复用处理单元和脉动阵列结构，其计算方式能够节省大量计算时间且减少内存访问。Cholesky三角矩阵分解方法能够简化矩阵的求逆以及平方根计算过程，达到快速求解复杂矩阵运算的目的。将所实现的SOC估算方案在FPGA平台进行验证，对比常规计算方式与快速并行计算方式，UKF算法在并行的计算下速度提升显著，且对比嵌入式计算方案，FPGA全硬件实现方式结合Cholesky三角矩阵分解能够使得矩阵求逆和平方根计算加速20～30倍，整个UKF算法的计算速率提升25％。 |
| 作者： | 黄建行 |
| 专业： | 软件工程 |
| 导师： | 朱卫东;曾祥兵 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西安电子科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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