动力电池组均衡充电协调控制策略研究

发布时间：2017-08-09 05:00

  本文关键词：动力电池组均衡充电协调控制策略研究

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【摘要】：在我国能源对外依存度超过50%和发展低碳经济的大背景下,发展新能源汽车已是大势所趋。动力电池是新能源汽车的核心部件,也是新能源汽车技术和成本上的最大瓶颈。现阶段,锂离子电池以能量体积比高,自放电率小、无记忆效应、安全性能高等优点,逐渐成为电动汽车动力电源的首选。新能源汽车上所使用的电池组是由多节单体电池串联而成,以满足电压、功率以及续驶里程的要求。但是,电池组和单体电池在使用上有很大区别。在电池组中,各单体电池在生产制造中必然存在差异,在经过多次充放电后,这种差异将被累积扩大,导致整个电池组的性能大打折扣。比如一百节电池中的其中一节充电到80%就充不进去了,那么同组其他电池也只能充电到80%,从而导致整个动力电池的容量只能达到原先的80%。若继续充电必然导致过充,缩短电池组寿命。另外,由于电池组容量较大,采用传统的充电方式效率低,充电时间长,严重阻碍了电动汽车的推广。因此,对电动汽车动力电池组的充电方法和均衡充电问题进行研究,将具有重要的意义和应用价值。本文拟采用快速充电技术和二次均衡技术相结合,在充电过程中使用均衡电路来减小不平衡性对电池组的影响,在充电完成时电池组的所有电池都能充满电,达到均衡状态。研究内容主要包括以下几个方面:(1)查阅电动车充电标准,对现阶段以电池管理系统为主导的充电模式进行分析,了解协调充电的原理。然后以磷酸铁锂电池为研究对象,进行充电实验,分析电池充电特性,指出极化和不均衡现象产生的原因及对充电的影响,总结电池充电需求,提出本文的充电指标。(2)为了更精确地反应电池在充电过程中表现出的电压特性,选择二阶RC等效电路模型作为本文电池模型,提出一种简单有效的方法来测取开路电压与SOC的对应关系,通过混合脉冲实验获得模型元件参数,建立了电池的动态模型并进行了仿真验证。(3)对比分析了各种充电模式的优缺点,基于最佳充电曲线理论,选择五阶段恒流充电方法对电池充电。利用)5(625L正交表设计了充电正交实验,对每阶段充电电流值进行寻优,优化得到的电流值(1C、0.65C、0.6C、0.25C、0.2C)可在一小时左右将电池SOC充到97%以上。(4)对现有的能耗型和非能耗型均衡拓扑进行研究,并对电容、电感、变压器型均衡方式进行建模仿真。为满足快速均衡的要求,本文提出了一种并联均衡拓扑。根据所选电池组的结构特点,采用电感均衡和并联均衡两种方式分别对电池模块内以及不同模块的电池进行均衡。以电池电压作为均衡控制变量,引入平均值和极差的概念来判断是否开启均衡系统,设计了均衡模糊控制器,制定了均衡充电协调控制策略并仿真验证。(5)基于Matlab/Simulink环境编写控制策略,以硬件控制器TTC200作为BMS,搭建了均衡充电实验平台,实验验证了方案的可行性和有效性。
【关键词】：磷酸铁锂电池组 电池模型 充电方法 均衡方案 控制策略
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 电动汽车的发展11-12
• 1.2 车用动力电池性能分析12-14
• 1.3 锂离子电池均衡充电国内外研究现状14-19
• 1.3.1 充电策略研究现状15-16
• 1.3.2 均衡充电研究现状16-19
• 1.4 研究对象与内容19-23
• 1.4.1 研究目的19-20
• 1.4.2 研究对象20-21
• 1.4.3 研究内容21-23
• 第2章 车用动力电池充电特性研究及需求分析23-33
• 2.1 整车充电过程架构组成介绍23-26
• 2.2 充电特性研究26-31
• 2.2.1 磷酸铁锂电池的工作原理26-27
• 2.2.2 充电过程分析27-28
• 2.2.3 电池极化现象28-30
• 2.2.4 充电不均衡分析30-31
• 2.3 充电需求31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 均衡充电方案33-59
• 3.1 电池充电模型33-39
• 3.1.1 等效电路模型33-35
• 3.1.2 模型参数辨识35-38
• 3.1.3 模型验证38-39
• 3.2 充电方法研究39-44
• 3.2.1 常规充电方法39-42
• 3.2.2 最佳充电曲线理论42-43
• 3.2.3 快速充电方法43-44
• 3.3 均衡拓扑结构选择44-57
• 3.3.1 能耗型均衡45-47
• 3.3.2 非能耗均衡47-57
• 3.4 本章小结57-59
• 第4章 均衡充电控制策略研究59-81
• 4.1 充电策略优化59-65
• 4.1.1 多阶段恒流充电优化概述60
• 4.1.2 正交实验法60-65
• 4.2 均衡系统控制策略65-67
• 4.2.1 电池组均衡判据的选取65
• 4.2.2 均衡阀值确定65-67
• 4.3 均衡模糊控制器设计67-72
• 4.3.1 模糊控制系统基本原理67-68
• 4.3.2 输入输出量的确定68
• 4.3.3 输入量的模糊化68-69
• 4.3.4 制定模糊控制规则69-70
• 4.3.5 输出量的去模糊化70-71
• 4.3.6 控制信号参数确定71-72
• 4.4 均衡充电协调控制策略仿真验证72-80
• 4.4.1 同模块电池间均衡充电协调控制策略72-76
• 4.4.2 不同模块间均衡充电协调控制策略76-80
• 4.5 本章小结80-81
• 第5章 均衡充电实验验证81-93
• 5.1 充电实验平台搭建81-86
• 5.1.1 实验台架81-83
• 5.1.2 控制策略编写83-86
• 5.2 充电实验86-91
• 5.2.1 未加均衡充电实验86-88
• 5.2.2 均衡充电实验88-91
• 5.3 本章小结91-93
• 第6章 总结与展望93-95
• 6.1 全文总结93-94
• 6.2 工作展望94-95
• 参考文献95-103
• 附录 1103-105
• 附录 2105-107
• 致谢107

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本文编号：643553