车载动力串联锂离子电池组的主动均衡控制设计与验证

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随着全球气候恶化的不断加剧以及石油资源的日益短缺,电动汽车(electrical vehicles,EVs)因节能、环保等优点在汽车行业中得到了快速发展。锂离子电池由于其能量密度高、循环寿命长等多方面的优势被广泛应用于EVs当中。受限于单节锂离子电池的电压,对于作为EVs能量供给者的锂离子电池包来说,它是由成百上千节单体锂离子电池串并联组成的。然而单体锂离子电池在制造过程中不可避免的会产生不一致性,且该不一致性会随着使用次数的增加进一步扩大,极大影响成组后的使用寿命并对EVs的整体性能和安全性构成威胁。因此,需要一种合理有效的均衡技术以改善电池间的不一致性,保证电池组安全有效的工作。本文以8节串联的三元锂电池为研究对象,对电动汽车车载动力串联锂离子电池组进行建模分析,并对从均衡策略及均衡电路两个方面对均衡技术进行研究,主要工作如下:首先,对几种常用的锂离子电池等效电路模型进行分析与总结,选取更为接近真实电池特性的二阶RC等效电路模型来构建单体锂离子电池模型,同时采用指数函数拟合法对所建立的单体电池模型中的参数进行辨识,并在MATLAB/Simulink中搭建相应的电池仿真模型,对所建立的电池模型精度进行验证。其次,按照均衡变量、均衡目标对均衡策略进行多维度讨论,结合所用电池的开路电压(open circuit voltage,OCV)与荷电状态(state of charge,SOC)辨识曲线的特点,提出一种基于双阈值触发机制的均衡策略。该策略将电池电压和SOC同时作为均衡变量以实现全SOC范围内的精准控制,具体为当电池的SOC在20%-80%时,采用基于SOC触发机制的均衡策略;当电池的SOC在0-20%或80%-100%这两个区间时,采用基于电压触发机制的均衡策略。同时,在进行SOC估计时,提出一种改进的粒子滤波算法以改善传统粒子滤波算法中粒子退化现象对SOC估计精度的影响,从而提高均衡策略的控制精度。然后,在传统式双层电感主动均衡电路的基础上设计了一种改进的双层电感主动均衡电路,使能量能够在不相邻两电池之间进行传递,同时采用粒子群算法对能量传递路径进行优化,提高均衡电路工作效率,并以上述二阶RC等效电路模型为基础在MATLAB/Simulink中搭建8节串联的电池组仿真模型,对所提均衡电路的高效性进行了验证。最后,基于所建立的仿真模型,开发设计相应的均衡电路板以及均衡系统软件界面,并搭建均衡实验平台,对所提的均衡策略以及均衡电路进行实验验证,进一步验证所提均衡策略和均衡电路的有效性。
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