锂电池组均衡系统电路拓扑及控制算法的研究

发布时间：2017-08-23 20:07

  本文关键词：锂电池组均衡系统电路拓扑及控制算法的研究

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【摘要】：化石能源的过度消耗对全球环境造成了严重影响,同时人类也将面临前所未有的能源危机,在此双重压力下,各国政府大力推进新型电动汽车等低能耗、轻污染行业发展,加大风能、太阳能等新能源的开发投入,实施这些举措时均离不开储能设备。锂离子电池的高能量密度、无记忆效应、单节循环周期长等特点,使其得到了广泛应用,是十分具发展前景的动力电池。锂电池单体电压低,经常被串联成电池组使用,然而电池组中电池间的性能差异必然存在,在充放电过程中,造成某些电池过充过放,该现象严重影响电池的使用寿命,降低电池组性能。电池组能量均衡系统通过调度内部能量流动,使电池组所有电池能量保持于同一水平,有效地防止电池的过充放现象。论文总结了国内外现有的均衡方案,对比分析了各均衡方案的优缺点,按照快速、高效、易扩展的要求选用了总线式均衡结构。该结构在均衡时内部能量流动路径较短,能够大大提高了均衡的速度以及效率。论文的主要工作如下:(1)在双向Cuk变换器中加入电容元件实现了变换器输入输出的隔离,并根据均衡网络结构加入电感元件,得到了一种利用电容隔离的双向隔离式Cuk均衡器。通过工作阶段分析简化了均衡器,并建立其数学模型,通过采用了带有同步条件的同步控制策略提高了均衡器的均衡效率。(2)论文分析了磷酸铁锂电池的数学模型,采用一致性控制策略根据电池SOC进行电池组内部能量的调度,并构造了Lyapunov函数证明了控制策略的收敛性;采用V/I控制器双输入单输出模糊算法,对均衡器均衡电流进行调节,同时保证系统总线电压的稳定。(3)针对所提出的均衡器以及控制算法,设计制作了均衡系统实验样机,并对均衡器同步条件、均衡器效率、均衡系统控制策略进行验证与测试,实验结果表明了同步条件的正确性,显示了均衡器较宽的均衡电流范围内均能保证90%的均衡效率,表征了控制策略的有效性。综上所述,论文采用了总线式均衡网络,并提出了完整的均衡系统方案,搭建了一系列仿真模型,并设计了实验样机,结果均表明所提出均衡方案的有效性,满足均衡系统快速、高效、易扩展的要求;本方案更加适用于大功率应用需求。
【关键词】：电池组 均衡 模糊控制 Cuk 同步
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 课题背景及意义8-10
• 1.2 研究现状10-16
• 1.2.1 有损均衡10-11
• 1.2.2 无损均衡11-16
• 1.3 论文主要内容及结构安排16-18
• 2 均衡变换器的研究18-28
• 2.1 双向隔离式Cuk均衡器电路拓扑18-19
• 2.2 均衡器模型分析19-24
• 2.3 均衡器损耗分析24-26
• 2.4 均衡器可行性验证26-27
• 2.4.1 仿真验证26-27
• 2.4.2 实验验证27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 均衡系统控制算法28-40
• 3.1 锂离子电池能量模型28
• 3.2 均衡控制算法结构28-29
• 3.3 均衡系统一致性控制算法29-33
• 3.4 均衡系统V/I控制算法33-36
• 3.5 均衡系统控制算法仿真36-38
• 3.6 本章小结38-40
• 4 实验样机的设计与实现40-56
• 4.1 均衡管理系统样机整体方案40-41
• 4.2 主控模块41-45
• 4.2.1 电源电路41-42
• 4.2.2 MCU控制电路42-43
• 4.2.3 CAN总线通讯电路43-45
• 4.3 均衡模块45-54
• 4.3.1 电源电路45-47
• 4.3.2 MCU控制电路47
• 4.3.3 均衡器47-48
• 4.3.4 驱动电路48-50
• 4.3.5 CAN通讯电路50-51
• 4.3.6 均衡电流检测电路51-52
• 4.3.7 总线电压以及电池电压检测电路52-54
• 4.4 均衡系统实验样机54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 均衡系统性能测试及结果分析56-68
• 5.1 均衡器同步条件测试56-58
• 5.2 均衡器效率测试58-61
• 5.3 均衡系统测试61-66
• 5.4 本章小结66-68
• 6 结论与展望68-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-76
• 附录76
• 作者在攻读硕士期间在校研究成果76

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本文编号：727031