中压大功率电池测试设备的研制

发布时间：2017-06-15 10:10

  本文关键词：中压大功率电池测试设备的研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池因其能量密度高、重量轻、无污染、环保、充放电电压稳定及便于控制越来越被广泛使用。随着锂离子电池在大容量储能电站、城市轨道列车以及混合动力动车组等大功率场合的应用,电池电压等级不断提高,目前已达1500V等级。为了保证锂离子电池的可靠工作,需要定期对电池进行充放电保养、测试与维护,然而目前市场上的电池测试设备输出电压多为1000V以内,不能满足中高压场合的锂电池测试应用需求。本文以此为背景开展了研究工作,研制了一台额定功率300kW、额定输出电压1500V的电池测试设备样机。该中压大功率锂电池测试设备采用三电平拓扑结构,前级为NPC三电平PWM整流器,后级为三电平非共地的双向DC-DC变换器。研究和开发工作围绕硬件参数设计、控制策略和控制系统实现及实验调试展开。在硬件设计方面,分析了前后级主电路的工作原理,通过仿真和计算设计了主电路参数,对设备主电路主要器件进行了选型设计。在系统控制策略方面,研究分析了网侧SVPWM调制方法,网侧NPC电路的电网电压定向控制策略和电压电流双闭环控制策略以及电池侧双向DC-DC变换器的双闭环和单电流环控制策略,在MATLAB中搭建了双级联拓扑结构的仿真模型,验证了电池测试设备的恒压、恒流充放电测试功能,证明了相关控制策略的可行性。针对三电平电路中点电位不平衡问题,分析了双级联拓扑造成中点电位不平衡的原因,采用了对前后级电路分别进行中点电位控制的方法,并通过仿真和实验验证了对前后级电路分别控制的可行性。为了实现对电池测试设备的控制,设计的电池测试设备控制系统包括上位机、触摸屏、下位机三部分,重点开发了触摸屏和下位机控制程序,对各部分的功能进行了分析说明。最后对设计的300kW电池测试设备样机进行了实验调试,包括充放电实验和功率实验等,通过对实验波形和测试数据结果的分析,验证了控制策略和调制算法的可行性,证明了所设计的电池测试设备已基本达到了设计要求。
【关键词】：中压电池测试设备 三电平NPC 三电平DC-DC 中点平衡 触摸屏 下位机
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-23
• 1.1 课题研究背景和意义11-13
• 1.2 电池测试设备的研究现状13-17
• 1.2.1 国内外研究现状13-15
• 1.2.2 主电路拓扑结构研究现状15-17
• 1.3 锂电池充放电测试方法17-19
• 1.4 本文主要研究内容19-23
• 2 中压电池测试设备主电路工作原理及参数设计23-39
• 2.1 网侧整流器主电路工作原理及主要参数设计23-31
• 2.1.1 NPC三电平变流器的拓扑结构与工作原理分析23-25
• 2.1.2 NPC三电平变流器的数学模型25-28
• 2.1.3 NPC三电平变流器的参数设计28-31
• 2.2 电池侧DC-DC变换器主电路工作原理及主要参数设计31-39
• 2.2.1 三电平双向DC-DC变换器的拓扑分析32-33
• 2.2.2 三电平双向DC-DC变换器的工作原理33-36
• 2.2.3 三电平双向DC-DC变换器主电路参数设计36-39
• 3 中压电池测试设备控制策略研究39-63
• 3.1 前级网侧三电平变流器的控制策略39-47
• 3.1.1 三电平空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)策略39-43
• 3.1.2 基于电网电压定向的PI矢量控制策略43-45
• 3.1.3 网侧NPC三电平变流器控制系统仿真分析45-47
• 3.2 电池侧三电平双向直流变换器的控制策略47-48
• 3.3 系统仿真分析48-55
• 3.4 双级联拓扑中点电位平衡问题的研究55-63
• 3.4.1 中点电位不平衡的原因56-57
• 3.4.2 中点电位平衡控制策略57-63
• 4 中压电池测试设备控制系统设计63-83
• 4.1 上位机设计64-67
• 4.2 触摸屏现场通讯软件设计67-72
• 4.3 下位机设计72-83
• 4.3.1 下位机控制电路设计73-75
• 4.3.2 下位机软件设计75-83
• 5 中压电池测试设备系统实验83-95
• 5.1 系统实验平台简介83-84
• 5.2 中压电池测试设备系统实验84-95
• 5.2.1 IGBT驱动实验84-85
• 5.2.2 系统启停机实验85-87
• 5.2.3 电网电压定向控制87-88
• 5.2.4 轻载充放电实验88-91
• 5.2.5 中点平衡控制算法验证91-95
• 6 总结和展望95-99
• 6.1 结论95-97
• 6.2 展望97-99
• 参考文献99-103
• 作者简历及攻读硕士/博士学位期间取得的研究成果103-107
• 学位论文数据集107

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本文编号：452154