锂动力电池组主动均衡控制系统设计

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。

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1 绪论

1.1课题研究的背景

1.2锂动力电池均衡技术的研究意义

1.3国内外均衡技术的研究现状

1.4本课题来源和研究的主要内容

2均衡方案设计

2.1锂电池组不一致性分析

2.2电池均衡策略的制定

2.3常见的均衡拓扑电路分析

2.4 均衡拓扑的选择

2.5本章小结

3均衡系统的硬件设计

3.1均衡系统的硬件架构

3.2均衡系统主控单元硬件设计

3.3均衡拓扑单元设计

3.4电流采样单元设计

3.5开关矩阵单元设计

3.7 均衡系统通信单元设计

3.8本章小结

4均衡系统的软件设计

4.1软件整体设计

4.2软件设计平台

4.3系统初始化设计

4.4开关矩阵软件驱动设计

4.5 CAN总线协议设计

4.6 PID闭环控制设计

4.7本章小结

5 系统实验和结果分析

5.1锂电池组充放电平台

5.2实验测试结果和分析

5.3本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录