DC-DC变换器在电池管理系统中的应用研究

发布时间：2017-07-16 16:18

  本文关键词：DC-DC变换器在电池管理系统中的应用研究

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【摘要】：随着锂离子电池制造工艺的发展,其比能量密度高、自放电率低以及循环寿命长等优点得到了普遍认可,应用领域越来越广泛。然而,出于使用安全的需要,锂离子电池组必须配备管理系统,为锂离子电池提供充放电过流、短路、过压、欠压、高低温、反接等保护和均衡管理功能。锂离子电池对充电电流有严格的限制,原有铅酸电池系统中的充电设备无法直接用于锂离子电池充电,这造成了铅酸电池升级为锂离子电池时充电设备的浪费,增加更新换代的成本。本课题将DC-DC变换器应用到锂离子电池管理系统中实现限制充电电流的目的,以此解决充电设备不兼容问题；同时可以根据所需电流的要求并联相应数目的模块,满足对充电电流的各种需求。首先,分析DC-DC变换器的各种拓扑结构及其控制方式,并针对本设计选择适当的Buck型拓扑并采用电流反馈控制方式,其中需要根据电池管理系统的保护机制对标准的Buck型拓扑结构进行适当的调整。通过比较各种电流采集方案,最终采用电阻高端采样方案,准确高效地检测电感电流。选择合适的开关管并设计相应的热管理电路,有效降低模块的温升并提高转换器的转换效率。根据锂离子电池的特点,采用限制性均流方法,使得多个并联模块维持输出限制电流值,达到各个并联模块平均电流的目的。其次,对本限流模块的硬件电路设计做了详细介绍,按照本系统的设计结构详细分析了主控芯片、辅助电源、电流采集、功率电路、热管理电路以及同步整流电路的硬件设计,并对各个部分的详细参数设置做了明确的说明。最后,根据设计中的各个电路部分的详细参数以及工作机制,构建限流模块的MATLAB/Simulink电路模型,并对本模型进行仿真测试。另外,通过对实际模块的限制电流稳定性、模块温升以及转换效率等指标进行测试,表明限流模块能够稳定可靠高效的运行；通过测试取样电阻的温度对限流的影响,可以采取相应措施达到高精度限制电流的目的；同时,测试各个模块并联时的各自电流分配情况,表明各个并联模块能够有效输出各自限制电流值,维持总输出电流的稳定。
【关键词】：DC-DC变换器 电池管理系统 限流 温升 高效率
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM46;TM912
【目录】：

• 中文摘要8-9
• Abstract9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 背景与意义11-12
• 1.2 DC-DC变换器发展现状概述12-15
• 1.3 本文主要工作与内容安排15-17
• 第2章 DC-DC变换器原理分析与应用17-34
• 2.1 DC-DC变换器工作原理17-22
• 2.1.1 降压型(Buck)变换器17-18
• 2.1.2 升压型(Boost)变换器18-20
• 2.1.3 降升压型(Buck-Boost)变换器20-22
• 2.1.4 等效电路分析22
• 2.2 DC-DC变换器的反馈控制方式22-24
• 2.2.1 电压反馈控制方式23
• 2.2.2 电流反馈控制方式23-24
• 2.3 电流模式的斜坡补偿24-27
• 2.4 同步整流(SR)技术27-28
• 2.5 功率管损耗28-31
• 2.6 电流检测方法31-34
• 第3章 DC-DC技术在BMS中的应用分析34-50
• 3.1 充电限流35-37
• 3.1.1 线性限流电路35
• 3.1.2 DC-DC限流电路35-37
• 3.2 DC-DC变换器并联均流37-41
• 3.3 锂离子电池的充电方法41-43
• 3.4 电池管理系统(BMS)结构43-44
• 3.5 DC-DC变换器设计方案44-50
• 3.5.1 设计指标44-46
• 3.5.2 恒压源负载充电限流分析46-48
• 3.5.3 DC-DC限流模块并联分析48-50
• 第4章 限流模块的硬件设计与实现50-66
• 4.1 限流模块硬件整体框图51-52
• 4.2 主控芯片52-53
• 4.3 辅助电源电路设计53-54
• 4.4 电流采集模块54-56
• 4.5 外部控制电路56-57
• 4.6 功率电路设计57-59
• 4.6.1 电感选择57
• 4.6.2 开关管的选择57-59
• 4.7 散热管理部分59-62
• 4.8 逆止电路62-63
• 4.9 MATLAB仿真平台搭建63-66
• 第5章 实验测试与数据分析66-75
• 5.1 实验环境66-67
• 5.2 恒流精度测量实验67-68
• 5.3 限流模块的温升测试68-72
• 5.3.1 4A限流模块温升测试69-70
• 5.3.2 10A限流模块不带散热风扇温升测试70-71
• 5.3.3 10A限流模块带风扇限流模块温升测试71-72
• 5.4 取样电阻对输出电流的影响72-73
• 5.5 限流模块并联试验73-75
• 第6章 总结75-76
• 附录76-82
• 参考文献82-87
• 致谢87-89
• 学位论文评阅及答辩情况表89

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 刘晓东;姜婷婷;方炜;;DC/DC变换器并联均流技术[J];安徽工业大学学报(自然科学版);2013年01期

2 马玲玲;杨军;付聪;刘培;孙元章;;电动汽车充放电对电网影响研究综述[J];电力系统保护与控制;2013年03期

3 郝秉文;郑晟;;基于增量式PID的开关电源并联均流系统设计[J];科学技术与工程;2013年08期

4 艾学忠;金炳涛;乔元静;;自动分配负载的智能开关电源设计[J];吉林化工学院学报;2014年05期

5 赵晨光;冯全源;王丹;;一种DCM峰值电流控制模式AC/DC反激转换器环路的设计[J];微电子学;2015年03期

6 柴汉冬;尹华;;一种高效率宽电压输入混合集成开关电源设计[J];微电子学;2015年04期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 朱政;磷酸铁锂电池荷电状态估计方法的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 刘红锐;蓄电池组均衡器及均衡策略研究[D];天津大学;2014年

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本文编号：549508