中国工程论文网
代写工程论文
当前位置:工程论文网 > 电力工程论文 > 基于扩展分层策略的锂电池均衡系统研究与电力工程开发

基于扩展分层策略的锂电池均衡系统研究与电力工程开发

时间:2018-08-16 20:01来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力不足严重阻碍着国民经济的发展。世界各国的经验表明,电力生产的发展速度应高于其他部门的发展速度,才能促进国民经济的协调发展,所以电力工业
本文是一篇电力工程论文,电力不足严重阻碍着国民经济的发展。世界各国的经验表明,电力生产的发展速度应高于其他部门的发展速度,才能促进国民经济的协调发展,所以电力工业又被称为国民经济的“先行官”。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景和意义
随着社会的高速发展以及科技的日趋发达,汽车已是人类不可或缺的出行工具,给人们外出带来了舒适与便捷之感。然而,在燃油汽车给人们带来出行便利的背后,由于其燃油的效率以及产生的尾气直接排放至空气中,一方面加剧能源消耗,另一方面污染环境。各国政府及各大汽车制造公司开始意识到节能减排以及开发应用新能源将成为汽车行业的发展方向,由此电动汽车因使用电能且零排放的特点开始得到快速发展。目前,电动汽车的分类主要有纯电动汽车(BEV)、混合动力电动汽车(HEV)及燃料电池汽车(FCEV)。仅由电力直接驱动的车型即为纯电动汽车,其能量来源全部由动力电池组提供。纯电动汽车的优点在于:无废气排放、电动机噪声较内燃机小、结构相对简单,而其不足之处在于:能够持续行驶的里程较短、充电时间较长、电池成本较高。采用传统燃料并配有电动机和发电机,其中电动机用来辅助发动机的车型即为混合动力汽车。根据动力系统的结构特征,能将混合动力汽车分成串联式、并联式及混联式混合动力汽车。串联式结构的优点是可用于起步频繁及低速运行工况,缺点是机械效率较低。并联式结构的优点在于能量损失小、成本低,而缺点是不能充分发挥发动机的效率、需要搭载变速器、混合度较低。混联式结构的优势是控制简单便利,劣势是结构较为繁杂。利用车载燃料电池系统提供的电能产生动力的车型即为燃料电池汽车。由于燃料电池不需要燃烧燃料而是以电化学反应的方式径直将化学能转变成电能,在转化阶段中零排放或近似零排放,可以真正做到无污染。车用燃料电池还具有高比能量、低工作温度、启动快、无泄漏等特性,因此燃料电池汽车是一款真正意义上的高效、清洁汽车[1]。动力电池组作为电动汽车的关键组成部分,在很大程度上影响着整车的经济成本、安全可靠和动力性能,是电动汽车的核心技术,同时也是限制电动汽车进一步发展的主要因素。可为电动汽车提供能量的动力电池有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂电池。相比其他类型的电池,锂离子电池具有较大优势,第一,铅酸电池具有强酸性,其内部重金属污染环境,而用于锂电池的电解液是无毒无害的,非常环保;第二,锂电池工作电压比镍氢电池等其他电池工作电压均要高,还具有较高的功率密度和能量密度;第三,锂电池本身体积小重量轻,而且荷电保持能力强、能够在较宽的温度范围内工作、不会产生记忆效应、使用寿命长。
.........
 
1.2 均衡技术研究现状
动力电池组的均衡作为电池串并联组合应用的关键问题,它不单是影响到整个电池组的循环寿命,更主要的是它能够使电池组合理有效地使用,确保电池组的安全可靠,由此引起了各方的广泛关注,并且均衡技术在电池组研究领域中一直处于非常活跃的状态。现阶段动力电池组的均衡技术主要包含两个方面:一方面是均衡电路拓扑的设计,另一方面是均衡控制策略的研究,两者相辅相成[10,11]。均衡电路拓扑是关键,主要研究的是均衡技术的硬件达成方法,好的均衡电路拓扑要可以做到利用较少的元器件、消耗较少的能量、耗费较短的时间完成电池组内各单体电池的均衡。均衡控制策略是不可缺少的辅助,主要是根据电池组的一致性评价标准与电池组所处工作状态得到各单体电池的均衡控制策略,好的均衡控制策略要可以做到使用均衡电路中较少的元器件完成电池组均衡。
........
 
第二章 均衡电路拓扑的研究与设计
 
根据第一章的论述,可以看出电池组均衡技术的发展正逐渐趋向于主动高效的均衡方向。针对传统均衡电路均衡路径及均衡时间过长等问题,本文从双向 Buck-Boost 均衡电路拓扑及电池组分层策略出发,提出并设计了一种易于扩展的 2N 电池组均衡电路拓扑,对均衡电路的结构原理和工作过程两个方面做了深入分析,为之后的硬件电路及嵌入式软件控制系统的设计提供理论依据。
 
2.1 易于扩展的 2N 电池组均衡电路拓扑
对于整个电路而言,在所有子模块的共同作用之下,当某个电池的能量过高时,其能量将会转移给其他所有单体电池;当某个电池的能量过低时,其他所有单体电池将会给它转移能量。通过放电及充电的同时进行,可以快速地实现能量相差最大的两个电池之间的均衡,从而迅速减小能量过高或过低的电池对其他单体电池的影响。针对该电路拓扑,本文提出的均衡控制策略由一致性的评价标准及均衡路径的动态调整组成。由前所述,精确的电压均衡可以替代 SOC 均衡,加上其易于实现、应用广泛的特点,本文采用单体电压值作为一致性的评价标准。而均衡路径的动态调整将依据动力电池组的工作状态而产生相应改变。在电动汽车的使用过程中,动力电池组会经历四种不同的工作状态:充电状态、经历充电后的搁置状态、放电状态、经历放电后的搁置状态。当动力电池组处于充电状态时,由于人们对于充电时间的需求是越短越好,所以为了在极短的充电时间内实现电池组均衡,这时候所采取的均衡路径选择方案是选出能量最高和能量最低的两个单体电池,利用其它单体电池作为媒介,将能量从最高的电池传递至最低的电池,快速达到均衡目的。采用这种路径选择方案的优点是能够同时对能量最高和能量最低的单体电池进行处理,从而缩短均衡时间。但是,均衡路径在最坏的情况下会扩大至整个电池组,从而引起能量消耗增加,导致该控制策略只用于充电状态。因为在充电状态下,有外部电源对动力电池组进行能量补充,所以均衡过程中的能量消耗基本可以忽略不计。
........
 
2.2 均衡电路的工作原理
本节以 8 节单体电池串联为例来分析均衡电路的工作原理。均衡控制策略以各单体电压值作为一致性的评价标准,容许误差范围为 20mV。由于均衡路径的动态调整,下面将根据两种不同的均衡路径选择方案分别进行介绍。8 节串联电池在充电状态下的均衡电路图如图 2-2 所示,充电电流为     。在电池组充电状态下,通过实时检测各单体电池两端的电压值,当检测到有单体电池的电压过高或过低时,开始控制相应 MOS 管实现均衡。假设在充电状态下,检测到电池  1  的电压高于其他单体电池、其所在小组的电压也高于其他小组,电池  3  的电压低于其他单体电池、其所在小组的电压也低于其他小组,此时均衡系统发出控制指令,扩展子模块  1、  2、  3开始工作,设开关周期为 T,占空比为 D,每个控制周期内的运行时间为 t,工作过程可分为如下两个阶段。
..........
 
第三章 均衡系统硬件电路设计....24
3.1 主控制板设计........ 24
3.2 数据采集模块设计........... 25
3.2.1 电压采集电路的设计....... 25
3.2.2 电流采集电路的设计....... 28
3.2.3 温度采集电路的设计....... 31
3.3 均衡电路的设计.... 32
3.4 辅助电源的设计.... 35
3.5 本章小结..... 37
第四章 嵌入式系统软件设计........38
4.1 软件开发环境........ 38
4.2  C/OS-II 嵌入式实时操作系统.............. 38
4.3 主控板软件的总体设计.............. 42
4.4 系统任务的设计.... 43
4.5 本章小结..... 47
第五章 仿真与实验.............48
5.1 电压测量实验........ 48
5.2 均衡电路仿真模型........... 49
5.3 充电均衡..... 49
5.4 放电均衡..... 56
5.5 本章小结..... 61
 
第五章 仿真与实验
 
前文提出了一种易于扩展的 2N 电池组均衡电路拓扑,并结合课题需要,设计了相应的硬件电路及软件系统,完成了电池均衡系统的开发。本章将利用仿真软件以及实验平台,对均衡电路及其控制策略进行仿真与实验验证。
 
5.1 电压测量实验
本文实验采用的是 16 个 3.6Ah 的 18650 三洋三元锂电池,16 路单体电池电压通过电压采集电路接入主控板,并由 STM32 处理后,使用液晶显示屏显示,方便系统调试。由于均衡控制策略以各单体电压值作为一致性的评价标准,容许误差范围为 20mV,所以电压采集电路的精度需要达到 10mV。如表 5-1 所示为锂离子电池的实际端电压和电池均衡系统的测量值对比。对于均衡电路仿真模型的搭建,本文选择 PSIM 软件作为系统仿真工具,PSIM 软件用户界面友好,仿真速度快,能够有效为电力电子电路的解析提供强有力的仿真环境。一个容量为 3600mAh 的电池储存的电量为 12960C,这就相当于 3085F 的电容在4.2V 时储存的电量。但在仿真电路中,为了缩短均衡仿真时间,减少变化缓慢的数据量,选择用 1F 的电容代替电池,并忽略电池的内阻等参数,将电容等同于理想的电池,只进行原理性验证。如果忽略在相同电压下电容存储的电量与电池可用容量之间的微小偏差,即认为电容在任一电压下存储的容量等同于相同电压的电池可用容量,则仿真模型中的运行时间相当于实际时间的13085。并且,仿真电路中的 MOS 管、电感均为理想器件,由于 20kHz 时数据量过多导致仿真内存不足,故 MOS 管的开关频率设置为 10kHz,同时为了简化控制算法,占空比设置为固定的 0.2。同时,PCB 布局、连接导线等可能产生的寄生电感和电容以及 AD 转换误差也全部忽略。根据第二章的易于扩展的 2N 电池组均衡电路拓扑图,搭建的 16 节串联电池组的均衡电路仿真模型如图5-1 所示。因为放电状态和搁置状态的均衡控制策略相同,所以这两个状态共用一个均衡控制子程序,下面将以充电状态和放电状态为例对均衡电路进行仿真和实验验证。
..........
 
总结
 
本文主要研究了均衡技术在动力电池组中的应用。在动力电池上,选取了电压平台与能量密度高的三元锂电池作为研究对象。根据 Buck-Boost 双向均衡电路拓扑及电池组分层策略,提出了易于扩展的 2N 电池组均衡电路拓扑,并详细分析了均衡电路的结构原理和工作过程。最后,通过定量计算设计了均衡系统的硬件电路和软件系统,并进行了仿真和实验验证。研究成果主要包括如下几个方面:
(1)根据动力电池组的构成情况,结合常用的电池组均衡电路的结构特点,提出了一种易于扩展的 2N 电池组均衡电路。分析了易于扩展的 2N 电池组均衡电路的工作原理及工作过程,得到了充放电电流与电感值 L、占空比 D、开关周期 T 的定量关系,并求出了占空比 D 的限制不等式以确保在每个周期内电感电流都能回零,为之后硬件电路的设计提供了理论基础。
(2)根据锂电池的参数特点和均衡拓扑,完成了基于 C/OS-II 嵌入式系统的电池均衡系统软件设计,按照电池组所处的状态分别编写了“充电均衡子程序”与“放电及搁置均衡子程序”两种不同的控制算法对电池进行均衡管理,做到了静态均衡与动态调整的有机结合。
(3)搭建仿真系统和实验样机,通过仿真和实验验证了均衡电路及均衡控制策略的有效性。
..........
参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------
发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
栏目列表
点击提交代写需求
点击提交代写需求
点击提交代写需求
推荐内容