锂电池化成能量回收系统的设计与实现

摘要

当今社会智能硬件、电动汽车和航空航天等行业迅猛发展，锂电池因其体积小、重量轻和容量大等优点在相关设备中得到了大量的推广和应用，锂电池特别是大容量锂电池的产量逐年增长。随着锂电池产量的增加，锂电池化成设备的需求也越来越大，然而现阶段的锂电池化成设备普遍存在着能量使用粗放和节能效率不高的缺点，不符合节能环保的理念。本论文致力于提高锂电池化成设备的节能效率，研究并设计了适用于锂电池化成设备的能量回收系统，并完成了该系统硬件电路和控制策略的实现。主要工作如下：
　　1.根据锂电池的化成流程和化成设备的工作需求，研究了能量回收系统的总体架构，制定了基于母线储能的能量回收总体方案。
　　2.根据能量回收系统储能模块的工作需求，进行了母线储能能力的计算，完成了储能蓄电池的选型。根据能量回收系统供能模块的设计要求，对AC/DC的工作原理和常用拓扑结构进行了详细的研究，根据降压隔离输出的要求选择了半桥型结构，并进行了硬件电路设计和样机的焊接与调试，实现了恒压恒流可控输出，达到了85％的工作效率。根据能量回收系统耗能模块的工作需求，进行了耗能电路的设计与搭建，实现了系统的可控耗能。根据系统控制的硬件实现需求，完成了基于STM32的母线控制板的设计与调试，并实现了模拟控制信号的隔离传输。
　　3.根据系统进行能量回收的总体控制需求，通过对能量回收系统可能工作状态的详细分析，制定了总体控制方案。根据控制方案需要获取蓄电池实时容量值的需求，对常用的蓄电池容量估计方法进行了详细的研究，实现了开路电压+安时积分法的蓄电池容量估计，并通过加入卡尔曼滤波对上述方法进行了改进，提高了估计精度。根据控制方案中对系统各硬件模块的工作电流值进行实时控制的设计要求，进行了系统各硬件模块实时工作电流值算法的研究，并通过加入PID闭环控制实现了AC/DC工作电流值的实时控制。
　　4.最后，在锂电池化成过程中进行了能量回收系统的实际运行，并对系统的节能效果进行了测试，测试证明该系统达到了40%以上的节能效率。

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第一章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文结构安排

第二章 能量回收系统理论基础和总体方案设计

2.1 能量回收系统的理论基础

2.2 能量回收系统的指标

2.3 总体方案设计

2.4 本章小结

第三章 能量回收系统硬件设计与实现

3.1 能量回收系统硬件设计总体方案

3.2 AC/DC拓扑结构的选择和仿真验证

3.3 AC/DC硬件电路设计与实现

3.4 可控耗能电路设计与实现

3.5 控制板的设计与实现

3.6 本章小结

第四章 能量回收系统控制的设计与实现

4.1 能量回收系统控制方案总体设计

4.2 蓄电池容量估计技术

4.3 能量回收系统的闭环控制技术

4.4 本章小结

第五章 系统测试与分析

5.1 能量回收系统硬件电路测试结果与分析

5.2 蓄电池容量估计结果与分析

5.3 系统实时工作电流值跟踪的结果与分析

5.4 系统节能效率的测试与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献