电动汽车动力电池组主动均衡系统研究

摘要

目前，作为电动汽车动力来源的动力电池系统一直是制约电动汽车的主要技术瓶颈之一，随着对整车的电压、功率性能的不断提高，不得不串联大量的单体电池进行组合使用，由于不断的循环工作次数的增加，导致各单体电池出现容量、电压以及内阻不一致，若出现此类现象会使得电池组的容量利用率降低。本文以三元锂电池为研究对象，设计了动力电池组均衡管理系统，包括以下工作内容：　　(1)分析对比了几种常用电池模型，选用了能够精确地模拟电池外特性的二阶Thevenin等效模型，在此基础上对三元锂电池进行了内阻、端电压、开路电压外特性实验分析，并对建立的等效模型进行了离线参数辨析，通过充放电工况验证了搭建的Matlab/Simulink模型的准确性。　　(2)利用均衡电路中的电流是有方向的，采用有向图的方式对常用的锂电池组均衡方案进行了分析，结合Buck-Boost变换器和反激DC/DC提出了一种多层非能耗均衡拓扑结构，并详细的分析了均衡电路内的工作模态。对比不同均衡变量的优缺点，选用以电池SOC作为均衡变量，采用均值-差值的均衡策略，通过利用设计的模糊控制器动态的调节均衡电流的大小，达到能量效率的优化。通过搭建的Matlab/Simulink模型，与传统的Buck-Boost均衡结构进行仿真对比，最终结果表明，本文提出的均衡方案能有效的提高了均衡速度以及能量的利用效率。　　(3)对提出的电池组均衡方案进行了硬件和软件设计，采用MC9S12XDP512作为主控芯片，电压和温度采集芯片为AD7280A，电流采集芯片为ACS712，利用分布式结构，对均衡系统各功能模块进行了硬件设计。采用CodeWarrior开发环境，并对各模块进行了软件程序设计，通过基于开发的LabVIEW上位机实现电池组的实时监控。　　(4)设计了均衡系统PCB板,搭建测试实验平台，以6节单体电池作为实验电池组对象，在0.2C的充放电工况下进行均衡实验，总结分析实验结果，最终验证了该均衡方案的有效性以及较高的均衡效率。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 锂电池组均衡管理概述

1.2.1 锂电池组不一致分析

1.2.2 均衡的意义

1.3 锂电池组均衡技术关键性问题分析

1.4 本文研究的主要内容

第2章 三元锂离子电池建模

2.1 锂电池结构与原理

2.2 锂电池模型

2.2.1 神经网络模型

2.2.2 电化学模型

2.2.3 几种经典等效电路模型

2.2.4 本文所采用的电池模型

2.3 电池等效模型中参数响应特性

2.3.1 电池内阻

2.3.2端电压

2.3.3 开路电压与SOC

2.4模型参数辨识

2.5 等效模型的仿真验证

2.6 本章小结

第3章 三元锂离子动力电池组均衡管理

3.1 锂离子电池组均衡管理分类

3.1.1 能耗型均衡方案

3.1.2 非能耗型均衡方案

3.2基于有向图的均衡结构分析

3.2.1 有向图分析基础

3.2.2 Buck-Boost变换器均衡结构有向图描述

3.2.3 双向分布式DC/DC均衡结构有向图描述

3.3 一种基于Buck-Boost斩波电路的多层双向主动均衡结构

3.3.1 均衡电路的设计概述

3.3.2 均衡电路的有向图分析

3.3.3 组内Buck-Boost电路模态分析

3.3.4 组间DC/DC电路模态分析

3.3.5均衡电路参数设计

3.4 基于模糊控制的效率优化策略

3.4.1 均衡变量的选取

3.4.2 均衡策略的选择

3.4.3 模糊控制均衡策略分析

3.5 均衡系统的仿真

3.6 本章小结

第4章 三元锂电池均衡系统软硬件设计

4.1均衡系统设计方案

4.2 硬件设计

4.2.1 主控模块及外围

4.2.2 采集模块

4.2.3 隔离模块

4.2.4 通信模块

4.2.5 均衡模块

4.3 软件设计

4.3.1 系统整体主程序设计

4.3.2 电压及温度采集模块子程序设计

4.3.3 电流采集子程序设计

4.3.4 均衡模块子程序设计

4.3.5 故障判断子程序

4.3.6 上位机模块设计

4.4 本章小结

第5章 三元锂电池组均衡系统实验分析

5.1 系统测试平台搭建

5.2 实验测试结果及分析

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢