基于宽禁带器件的锂电池充电与管理系统

发布时间：2017-10-10 15:43

  本文关键词：基于宽禁带器件的锂电池充电与管理系统

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【摘要】：以电池作为动力来源的新能源汽车是未来汽车发展的重要方向。目前,绝大多数汽车动力电池采用锂离子电池,并可使用车载充电机对电池进行充放电操作。但是,汽车内部空间狭窄、工况恶劣,并且锂离子电池存在着工作电压变化大,安全性较差,过充过放严重影响电池寿命等问题。这就要求车载充电机具有高效率、高功率密度、高可靠性等特点,同时还要能够适应锂电池电压宽范围变化的特性。此外,为了更好的获知电池工作状态,为车载设备提供更准确的工作依据,有必要对汽车电池管理系统进行深入的研究。本文提出一种高功率密度、高可靠性并具有双向运行能力的电动汽车车载充电机拓扑。该拓扑具有以下几个特点:1)工作频率高;2)输出电压可以在较宽范围内变化,同时可保持较高的工作效率;3)使用薄膜电容作为母线电容;4)既能给电池充电,也可向电网回馈能量;5)使用全数字控制方案。得益于能量可双向量传递、零电压开通和高效率等优势,无桥PFC和LLC直流变压器的级联结构被选作为双向充电机的拓扑结构。为了提升变换器的功率密度,大幅提升开关频率。同时,碳化硅和氮化镓等宽禁带器件的应用使变换器效率保持在较高的水平。此外,本文还提出了一种将输入功率和输出功率解耦的充电策略,从而减小了直流母线上的功率脉动,并使用薄膜电容替代电解电容进一步提升了变换器的性能。同时,针对电动汽车高压电池组,本文还研究了分布式的电池管理系统,可以动态监测、分析电池的各项特性参数,并能与外界进行数据通信。其它车载设备可以根据所获得的电池状态信息以调整自身的工作状态。本文搭建了双向车载充电系统来验证所提的功率解耦的控制策略,所搭建平台总功率1KW,包含车载充电机、电池管理系统和动力电池组。实验结果表明应用所提的功率解耦策略,车载充电机直流母线上的功率脉动显著减小,可在锂电池的全范围工作电压内实现高效率双向运行。所研制的电池管理系统能够按照设计要求对电池进行检测和保护。
【关键词】：车载充电机 电池管理系统 宽禁带器件 无桥PFC LLC变换器
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 研究背景14-18
• 1.1.1 动力电池技术14-16
• 1.1.2 V2G技术16
• 1.1.3 宽禁带(Wide Bandgap)器件及其应用16-18
• 1.1.4 BMS技术18
• 1.2 本文研究内容及意义18-21
• 1.2.1 研究内容18-20
• 1.2.2 研究意义20-21
• 第二章 车载充电机电路设计和分析21-30
• 2.1 双向车载充电机结构21-27
• 2.1.1 AC-DC变换器电路拓扑21-25
• 2.1.2 DC-DC变换器电路拓扑25-27
• 2.2 数字控制器的设计27-29
• 2.2.1 数字控制器资源配置28
• 2.2.2 数字控制程序流程28-29
• 2.3 本章小结29-30
• 第三章 变换器参数设计和器件选取30-43
• 3.1 设计要求30
• 3.2 AC-DC变换器器件设计30-33
• 3.2.1 电感设计31
• 3.2.2 开关管选取31-32
• 3.2.3 反并二极管选取32
• 3.2.4 直流母线电容的设计32-33
• 3.3 DC-DC变换器器件设计33-36
• 3.3.1 开关管选取33-34
• 3.3.2 谐振元件的设计34-36
• 3.4 宽禁带器件应用方案36-39
• 3.4.1 碳化硅器件及其应用方案36-37
• 3.4.2 氮化镓器件及其应用方案37-39
• 3.5 损耗分析39-42
• 3.5.1 带整流桥的PFC损耗计算39-40
• 3.5.2 无桥PFC损耗计算40-41
• 3.5.3 LLC变换器损耗计算41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第四章 基于功率解耦的充电策略43-48
• 4.1 概述43
• 4.2 被动解耦方案43-45
• 4.3 主动解耦方案45-47
• 4.3.1 基于正弦波充电的控制方法45-46
• 4.3.2 薄膜电容的使用46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第五章 电池管理系统48-54
• 5.1 概述48-49
• 5.2 电池管理系统的架构49-51
• 5.2.1 集中式电池管理系统49
• 5.2.2 分布式电池管理系统49-51
• 5.3 电池管理系统主要功能设计51-53
• 5.3.1 电池管理系统主要设计指标51-52
• 5.3.2 电池管理系统软件设计52-53
• 5.4 本章小结53-54
• 第六章 仿真和实验结果54-67
• 6.1 仿真验证和讨论54-59
• 6.1.1 充电方向54-57
• 6.1.2 放电方向57-59
• 6.2 实验验证和讨论59-66
• 6.2.1 充电机实验结果和分析59-63
• 6.2.2 电池管理系统实验结果和分析63-66
• 6.3 本章小结66-67
• 第七章 总结与展望67-69
• 7.1 本文的主要工作67
• 7.2 工作展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文74

【参考文献】

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本文编号：1007216