锂动力电池组主动均衡控制系统设计

发布时间：2017-08-30 09:28

  本文关键词：锂动力电池组主动均衡控制系统设计

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【摘要】：在能源和环境问题日趋严重的情况下,锂动力电池组作为储能系统的大范围应用已成为现在新能源发展的一个重要方向。而以锂离子电池作为电动汽车的动力来源的方案更是倍受研究者的青睐,但在此应用中却存在着电池的不一致问题,这成为阻碍其推广的一大难题。目前,改善电池组不一致问题的一个重要方法就是,合理运用均衡技术构建锂离子电池组均衡控制系统。本文首先阐明了锂电池组不一致性产生的原因主要在于,各单体锂电池在其生产、使用、储存三个方面存在差异,指出不一致性对电池组的影响。接着分别从电池容量、电池电压、荷电状态(State Of Charge,SOC)三个方面分析了电池组不一致性的具体表现,选取荷电状态作为均衡变量。然后对比分析了常见均衡电路拓扑结构,最终选用的拓扑是基于反激变换器的主动均衡拓扑结构,并介绍了反激变压器基本参数的计算方法。在此基础上,提出和设计了基于双向反激变换器的主动均衡控制系统。系统采用高性能微处理器STM32F103作为主控单元,当电池组充电或放电时,主动均衡系统通过CAN总线获取电池管理系统计算出来的均衡信息,控制开关逻辑矩阵选择要被均衡的单体电池,利用PID控制算法计算出最优PWM的值,控制双向反激变换器拓扑单元实现对目标电池的充电、放电,均衡完成后进入休眠状态,等待均衡动作的再次唤醒。开关逻辑矩阵采用74HC595和74HC138实现I/O口的扩展,74LS165实现逻辑输出的闭环校验,保证继电器切换的准确性和无故障发生。该系统通过扩展后端的开关逻辑矩阵,就可以轻松的应用到不同数量的、不同电压等级的锂电池模组中,具有较好的发展前景。实验测试结果表明,该方案具有均衡速度快、效率高等优点,能够实现实时有效的主动均衡效果。
【关键词】：锂动力电池组 不一致问题 反激变换器 主动均衡 PID控制算法
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TP273
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题研究的背景9-10
• 1.2 锂动力电池均衡技术的研究意义10
• 1.3 国内外均衡技术的研究现状10-12
• 1.3.1 均衡策略的研究现状11-12
• 1.3.2 均衡电路拓扑的研究现状12
• 1.4 本课题来源和研究的主要内容12-15
• 2 均衡方案设计15-27
• 2.1 锂电池组不一致性分析15-17
• 2.1.1 锂离子电池组不一致性的产生原因15-16
• 2.1.2 锂离子电池组不一致性的表现形式16-17
• 2.2 电池均衡策略的制定17-20
• 2.2.1 以电池容量为均衡变量17-18
• 2.2.2 以电池电压为均衡变量18-19
• 2.2.3 以SOC为均衡变量19-20
• 2.3 常见的均衡拓扑电路分析20-25
• 2.4 均衡拓扑的选择25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 3 均衡系统的硬件设计27-41
• 3.1 均衡系统的硬件架构27-28
• 3.1.1 应用平台简介27
• 3.1.2 均衡系统整体硬件组成27-28
• 3.2 均衡系统主控单元硬件设计28-30
• 3.2.1 均衡系统主控芯片选型28-30
• 3.2.2 均衡系统主控平台简介30
• 3.3 均衡拓扑单元设计30-35
• 3.3.1 基本反激变换器的工作原理30-32
• 3.3.2 反激变压器设计32-34
• 3.3.3 主动均衡拓扑原理图设计34-35
• 3.4 电流采样单元设计35-36
• 3.5 开关矩阵单元设计36-38
• 3.7 均衡系统通信单元设计38-40
• 3.7.1 CAN总线简介38-39
• 3.7.2 CAN硬件设计39-40
• 3.8 本章小结40-41
• 4 均衡系统的软件设计41-51
• 4.1 软件整体设计41-42
• 4.2 软件设计平台42-43
• 4.3 系统初始化设计43-45
• 4.3.1 锁相环模块43
• 4.3.2 GPIO模块43-44
• 4.3.3 CAN通信模块44-45
• 4.4 开关矩阵软件驱动设计45-46
• 4.5 CAN总线协议设计46-48
• 4.6 PID闭环控制设计48-50
• 4.7 本章小结50-51
• 5 系统实验和结果分析51-55
• 5.1 锂电池组充放电平台51
• 5.2 实验测试结果和分析51-54
• 5.2.1 PID参数整定51-52
• 5.2.2 电流精度测试52-53
• 5.2.3 充放电运行数据分析53-54
• 5.3 本章小结54-55
• 6 总结与展望55-57
• 6.1 总结55
• 6.2 展望55-57
• 致谢57-59
• 参考文献59-63
• 附录63-65
• 1.图表索引63-65
• 2 硕士研究生期间发表论文65

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本文编号：758488