纯电动汽车锂离子电池组均衡策略研究及系统实现

【摘要】：作为纯电动汽车能量载体的锂离子电池组由大量单体电池串联组成，由于不一致性问题的存在，电池组的使用性能取决于同组电池中性能较差的单体，其余单体性能得不到充分发挥，影响电池组的容量利用率，不一致性还会导致电池组循环寿命远低于单体电池，从而影响纯电动汽车的续驶里程和使用成本，不利于电动汽车的推广应用。目前来说，利用均衡控制技术建立锂离子电池组均衡系统是改善电池组不一致性的有效方法。 电池组均衡管理模块是电池管理系统的重要功能模块之一，在纯电动汽车使用过程中根据电池组状态信息对电池组进行实时均衡管理可以避免不一致性的扩大，提高电池组容量利用率，并能在一定程度上减缓电池组老化速度。 目前国内外对电池组均衡技术的研究主要集中在均衡策略研究和均衡电路拓扑结构研究两个方面。选择合适的均衡变量是制定合理均衡控制策略的前提，电压和荷电状态（State Of Charge, SOC）是目前常用的均衡变量，后者存在的估算精度低的问题制约了其应用。均衡电路拓扑结构从总体上可分为耗散型和非耗散型，非耗散型均衡电路是目前研究的热点，目前已提出的方案包括电容型、变换器型、隔离式变压器型等多种构型，但完全适合纯电动汽车动力电池组特点的完美构型还没有出现。 本文针对锂离子电池组不一致性问题展开研究并在此基础上搭建了一套均衡系统，主要开展的工作如下： 1.首先对锂离子电池组不一致性产生的原因和解决方法进行了分析，指出均衡系统对在使用过程中降低电池组不一致性的重要意义。分别从开路电压、工作电压、SOC三个方面分析了电池组不一致性的具体表现，指出开路电压和工作电压能够在某一阶段反映电池组的不一致性，考虑到SOC估算精度较低，选取开路电压和工作电压作为系统均衡变量； 2.对常见均衡电路拓扑结构的特点进行了对比分析，选取基于Buck-Boost电路的能量非耗散型拓扑结构作为所开发均衡系统的基本均衡电路结构。综合考虑了描述系统波动情况的常用统计学概念，选取电压极差作为系统不一致性状态识别的指标，并针对电池组可能的工作阶段提出了相等均衡、均值均衡、顶部均衡和底部均衡四种控制策略，仿真结果证明了策略的有效性； 3.选用主从式方案作为均衡系统的总体架构，之后分别从硬件和软件两个方面对均衡系统进行了详细设计，并制定了基于MOSBUS的标定协议； 4.通过台架试验验证了系统能够较好的改善电池组不一致性，提高电池组容量利用率。 【关键词】：锂离子电池组 不一致性 均衡 Buck-Boost
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 课题来源及研究意义11-12
• 1.2 纯电动汽车锂离子电池应用及均衡技术研究现状12-19
• 1.2.1 车用动力电池发展现状12-13
• 1.2.2 纯电动汽车锂离子电池应用现状13-15
• 1.2.3 均衡技术研究现状15-19
• 1.3 本课题主要研究内容19-21
• 第2章 锂离子电池组不一致性分析21-39
• 2.1 锂离子电池组不一致性的产生原因21-27
• 2.1.1 生产过程导致的不一致性21-23
• 2.1.2 使用过程导致的不一致性23-25
• 2.1.3 储存过程导致的不一致性25-26
• 2.1.4 锂离子电池组不一致性问题的解决方法26-27
• 2.2 锂离子电池组不一致性的表现形式27-34
• 2.2.1 开路电压的不一致性28-30
• 2.2.2 工作电压的不一致性30-33
• 2.2.3 SOC 的不一致性33-34
• 2.3 均衡变量确定34-36
• 2.4 本章小结36-39
• 第3章 纯电动汽车锂离子电池组均衡系统设计39-63
• 3.1 均衡电路拓扑结构选型39-44
• 3.1.1 常见均衡电路拓扑结构分析39-41
• 3.1.2 本文所选均衡电路拓扑结构41-44
• 3.2 均衡策略制定44-56
• 3.2.1 不一致性状态评价44-47
• 3.2.2 控制信号参数确定47-52
• 3.2.3 均衡控制策略52-56
• 3.3 均衡策略仿真验证56-62
• 3.3.1 搁置阶段均衡策略仿真58-60
• 3.3.2 充电阶段均衡策略仿真60-61
• 3.3.3 放电阶段均衡策略仿真61-62
• 3.4 本章小结62-63
• 第4章 纯电动汽车锂离子电池组均衡系统软硬件实现63-83
• 4.1 总体设计63-65
• 4.1.1 系统总体方案63-64
• 4.1.2 功能定义和设计指标64-65
• 4.2 硬件设计65-73
• 4.2.1 主控芯片选型65-66
• 4.2.2 供电电路66
• 4.2.3 电压采集电路66-68
• 4.2.4 电流采集电路68-69
• 4.2.5 均衡电路69-70
• 4.2.6 MOSFET 驱动电路70-72
• 4.2.7 通信电路72-73
• 4.3 软件设计73-81
• 4.3.1 下位机软件流程图73-77
• 4.3.2 上位机调试软件开发77-78
• 4.3.3 基于 MODBUS 的标定协议制定78-81
• 4.4 本章小结81-83
• 第5章 纯电动汽车锂离子电池组均衡系统台架试验83-91
• 5.1 均衡系统调试与标定83-85
• 5.1.1 系统调试83-85
• 5.1.2 系统标定85
• 5.2 台架试验85-90
• 5.2.1 搁置阶段均衡试验85-86
• 5.2.2 充电阶段均衡试验86-88
• 5.2.3 放电阶段均衡试验88-90
• 5.3 本章小结90-91
• 第6章 全文总结与展望91-93
• 6.1 论文总结91
• 6.2 工作展望91-93
• 参考文献93-97
• 作者简介及科研成果97-98
• 致谢98

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