面向大中型电动车应用的动力锂电池管理系统

发布时间：2020-08-03 13:41

【摘要】：随着社会经济水平的提高,燃油汽车的普及在提高便捷性的同时也带来了严重的环境污染、能源匮乏等问题,为了缓解这一危机,各国政府纷纷布局电动汽车的发展战略。电池储能装置是电动车动力系统的核心部分,其运行效率与寿命直接决定了用户体验与电动汽车的行驶里程。大中型电动车具有运行工况复杂、输出功率高的特点,易造成电池电量不一致并加速老化,对电池管理系统(BMS,Battery Management System)的均衡效率提出了更高要求,需要针对性优化设计BMS来充分发挥锂电池系统的性能。本文依托东风猛士电动车项目,以开发面向大中型电动汽车应用的动力电池管理系统为目标开展工作。首先对电池系统进行需求分析与方案设计。然后,针对大中型电动车工况复杂、电池输出功率大、均衡要求高的特点对现有BMS管理系统的不足进行改进设计并在主动均衡的基础上提出均衡优化算法来提高均衡效率。最后设计合理的实验以验证系统的各项性能满足指标要求。具体工作内容如下,本文将电池管理系统设计成分布式二级管理结构,一级为本地控制单元,其中电源模块保证各芯片正常工作,采样模块获取电池信息,控制器模块处理数据并控制能量平衡,CAN通信模块上传数据。二级为中央控制单元,负责系统的控制和数据的汇集。另外,设计了安培-时间积分法和开路电压法的联合估计以提高荷电状态(SOC,State of Charge)的测量精度。电池动态下使用安培-时间积分法来实时估计SOC值,静态下使用开路电压法消除累积误差。在SOC精准估计的基础上应用粒子群算法作为均衡策略,具有效率高、均衡速度快的优点。最后,对实际测得的数据进行处理,并将其与理论值比较,计算出相应参数的精度。经实验验证,本文优化设计的BMS系统均衡12节126 Ah且SOC相差在2%左右的电池,达到一致性仅需2800秒,精度达到0.1%,相较于传统开关变压器法,速度提高约50%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U469.72;TM912
【图文】：

开关电阻

图 2-3 开关电阻法能量非耗散型意味着多余的能量并非通过消耗的形式来达到均衡，而是通过具的均衡拓扑结构，将多余的能量以直接或间接的方式转移给其他需要的电池，经过量转移，各个电池的能量达到允许误差范围内的一致性水平。这样既保证了电池能的高利用率，又保证了电池 SOC 的一致性，这必然成为市场的主流。在能量非耗型中再次根据能量的流动方向进行二次分类。将分类情况画成了如图 2-4 的形式，面将着重介绍每个类别中最为典型的方法。能量非耗散电池到到电池：开关电容法、Cuk变换器法、PWM转换器法、准谐振转换器法电池到电池组：Boost转换器法、多变压器法、多次级绕组变压器法、开关变压器法电池组到电池：全桥变换器法、多变压器法、多次级绕组变压器法、开关变压器法

开关电容,电池

图 2-5 开关电容法电容法是能量从电池转移到电池类型中最为典型的电路方案，根知，当没有储能的电容与电压较高的电池串联时，会产生瞬时电会向电容的负极板移动，直至两端电压与电池两端电压一致，可见了能量的暂存作用。电容释放能量的过程与之同理，当储能后的电池串联时，短时间内，电子会从电容的负极板向电池的负极移动与电池两端电压一致。图 2-5 中为多对一型开关电容法，即多个单容。该均衡方法的工作流程大致如下：本地控制单元 BCU 首先判量最少的目标单体电池，然后接通剩余电量最多的电池旁路相对最多的电池放电给电容，电容将电量暂存，然后断开其旁路开关少的目标电池。暂存的电量释放给剩余电量最低的目标单体电池，完成电池能量的均衡过程。与之相似的还有一对一式的开关电

电池,电池组,多绕组变压器,双向开关

华中科技大学硕士学位论文拓扑结构的控制流程大致为：控制器先选出剩余电量最低的单体电池，然后控制开关接入变压器，从而与整个电池组进行能量转移。通过不断的让电池组给剩余最低的电池充电的方式来达到电量一致性。这种拓扑结构与能量从电池转移到组类型的结构相似，其控制流程为：控制器选选出剩余电量最高的单体电池，然制旁路开关接入变压器，通过变压器升压，给整个电池组充电。通过不断寻找剩量最高的电池给电池组充电的方式来达到电量一致性。这两种结构因为可扩展而备受市场青睐，但是这种结构的均衡成本较高，周围的驱动电路较多，控制策为复杂[22]。

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