基于模糊控制的锂电池单向环形分段电感式均衡方案研究

摘要

随着混合动力和新能源汽车市场的发展，对二次电池及其电池管理系统的要求越来越高。锂电池因其优秀的能积比，环境友好性，以及无记忆性等优势，在目前的二次电池的应用中比重节节攀升。锂电池单个电池的电压，电流和容量相对于很多应用都太低，为增加电流和更高的电压，则要把若干节并联成组然后再串若干组联成电池块以达到需求的电压和容量；但由于个体差异，每个电池容量不一致，导致可能某些电池电量耗尽而其它电池尚有电量剩余（放电）或有些电池已经充满而其它电池尚未充满（充电）。由于过放电与过充电对其致命的损坏，电池包在使用时，必须拥有良好的电源管理，才可以获得性能的充分发挥与正常的使用寿命。为了提升SOC匹配和C/E比，提升电池组的续航能力与使用寿命，各大BMS控制器厂商均针对不同的应用领域与参数要求，开发了对应的控制器与均衡策略算法。
　　为了尝试解决均衡方案性能与成本之间的矛盾，本文分析了在市场上具有影响力的全局主动式均衡和双向分段式均衡方案的结构，实现原理，以及其特性，剖析其优缺点，对锂电池单向环形分段电感主动式均衡方案物理堆叠与特性的研究，发现整个负反馈控制链路上，控制信号正向作用通路滞后特性非常大，结合锂电池放电曲线共性在现有基础上改进均衡策略：放弃全程保持均衡的思想，以放电结束时电池的均衡为目标，将整个放电过程依锂电池放电曲线的共性，划分为三大阶段，并针对三大阶段的特点及其与其它阶段的关系，使用了不同的策略。第一阶段用于辨识电池状态和当次放电前各级电池间的差异，并生成差异参考向量为后面两阶段提供参考；第二阶段上，使用第一阶段生成的差异参考向量并配合使用模糊算法实时生成预调整量，使得各级电池状态与它在差异参考向量相反，这样可以减轻第三阶段的均衡压力，在第二阶段结束前实现提前预均衡；第三阶段开始逐步减少预调整量，在其终点时预调整量将为零，最终实现电池包中所有的电池级一起接近放电终点，达到了提高整体方案均衡性能的目的。
　　最后，本文在支持十二级电池组均衡的ATMEL ATA6870－ DK11 V1.0的评估板上，实测了电池的放电结果并对比了采用“过均衡+滞回控制算法”的策略算法，实验数据表明，新的策略算法能显著提高均衡性能，各级的电压差在放电结束时大为缩小，性能改善最好的参数约为采用“过均衡+滞回控制算法”均衡策略的52％左右。证明了有关理论分析的正确性与设计方案的有效性，为新策略算法的进一步市场实用化研究提供了依据。

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第一章 绪论

1.1论文工作的目的及意义

1.2锂电池均衡技术的现况:

1.3本文的研究内容与成果

第二章 主动式均衡的原理

2.1锂电池均衡的基本概念

2.2锂电池均衡的实现方法

2.3 单向环形电感主动式均衡方案

2.4几种主流均衡方案拓扑结构的对比

第三章 均衡策略算法的研究与改进方向

3.1研究环境与系统分析

3.2 应用均衡策略算法的分析

3.3针对均衡策略算法的改进

第四章 均衡策略算法改进的实现

4.1如何确定需要的正超前调整量的幅值

4.2均衡策略的关键时刻点

4.3均衡策略的具体实现步骤

4.4模糊控制器的设计

第五章 程序的实现与实测方案

5.1程序的设计方略

5.2模糊控制算法程序的流程图

5.3实测方案

第六章 结果与分析

6.1未启用均衡电路时的实测结果

6.2过均衡+滞回控制的均衡策略算法的实测结果

6.3新均衡策略算法的实测结果

6.4对比结果分析

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 本文的不足及展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果