电动汽车电池组均衡系统设计及控制策略研究

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当锂动力电池单体串联应用于纯电动汽车时,由于电池组内电池单体之间存在不一致性,会造成电池组使用性能下降,其可用容量和寿命远低于单体电池,电池效能得不到充分发挥,减少电动汽车的续驶里程,同时也增加了使用成本。而均衡管理模块作为电池管理系统的重要功能模块,可通过实时监测电池组状态信息,根据相应的控制策略对电池组进行均衡管理,从而改善电池组不一致性在使用过程中造成的影响,提高电池组容量利用率,增加续驶里程。本文依托于某公司与吉林大学联合开发项目“动力电池管理系统开发与均衡技术研究”,对项目中均衡技术相关内容展开研究。本文在国内外对电池组均衡技术研究充分了解的基础上,以串联锂动力电池组为研究对象,着重研究均衡控制相对简单、均衡效率高的均衡拓扑结构,及其相应的控制策略。1、从机理上对电池组产生不一致性的原因进行了分析,阐述电池组不一致性反映在不同特性参数(电压、内阻、SOC)上的表现形式,对比分析以电压和荷电状态(SOC)作为均衡变量的优缺点,最终确定以电压作为电池组在不同状态下的均衡变量。2、对比分析常见的均衡拓扑结构,从均衡速度、均衡效率及电路控制的难易程度等方面对其进行了评价,选取基于反激式变压器的能量非耗散型均衡拓扑结构,对该拓扑结构进行了参数设计,搭建均衡电路仿真模型,进行仿真调试及结构改进,确定在“削峰”和“填谷”两种模式下的电路控制参数。3、为避免充电时间过长,系统因电池组放电电流不规律造成的均衡误判,提出了充电和停车均衡两种均衡控制策略,两种状态下的均衡只在充放电末期进行,同时选取电压极差作为均衡启闭的判断依据之一,根据电路要求和电池试验确定其阈值及电压门限值。在MATLAB/SimPowerSystems环境下搭建均衡系统仿真模型,对均衡控制策略进行仿真验证。仿真结果表明,均衡控制策略能够实现快速均衡且可行有效。4、均衡系统总体架构采用“主-从”分布式,并完成对均衡系统各个模块的硬件电路设计、元器件选型及系统软件设计。搭建台架试验平台,对“填谷”和“削峰”两种模式进行实际调试,与仿真结果及系统设计指标进行对比分析,然后利用动力电池充放电设备进行台架试验,结果表明该均衡系统能够实现单节电池与整个电池组间的能量传递,达到改善电池组单体电池间不一致性的目的。
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