串联电池组新型均衡充电系统的研究

论文摘要

电池问题是制约电动汽车发展的关键。电动汽车中将电池串联使用时,电池组的循环寿命和性能与单体电池相比都受到很大的影响。大量研究结果表明这是由于电池组中单体电池的间的不一致性造成的。在造成电池组不一致性的因素中,除了电池自身由于制造工艺带来的差异外,使用过程中单体电池间的充放电不均衡现象是影响电池寿命的主要原因。目前针对串联电池组的不均衡问题已提出多种均衡方案,但由于这些方案在均衡效果、造价、实用性等方面仍存在很多问题,因此尚未普及使用。本文以电动汽车用铅酸电池组为均衡目标,研究了电池组不均衡产生的原因和国内外动力电池的均衡方法,并结合铅酸电池使用特点,提出一种新型电池均衡方案——单体电池单独充电均衡。该方案均衡电路采用模块化设计,与现有充电机和电池管理系统配套使用,先用充电机对整组电池补充大部分电量,再使用均衡模块单独对单体电池充电直到电池电压到达充电电压上限,充电过程结束。本文的主要研究内容有以下几点:1)通过阅读大量动力电池的相关文章,了解了电池组性能下降的原因,并对造成电池组不一致性的原因进行了分析,发现造成电池组性能下降的主要原因是电池使用过程中的过充和过放问题。研究了大量国内外电池组均衡方案,对其中典型方案在均衡效率、均衡时间、电路造价、可实现程度等方面进行了比较,发现现有方案在均衡效果和可实现方面均存在一定问题。通过前面的分析和比较,本文根据电池组使用过程中不一致性产生的主要原因提出了单独充电的均衡方案。2)对充电均衡方案中的均衡模块进行了设计和实现。均衡模块具有待机、恒流限压和恒压限流3种工作模式,可根据充电策略进行工作模式转换。均衡模块采用半桥变换器作为主电路拓扑结构,MC9S12D32为控制芯片,SG3525为PWM控制芯片。3)对均衡模块主电路进行了MATLAB仿真。设计制作了电路板并进行了焊接和调试。试验结果表明,均衡模块达到设计要求。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 电动汽车发展的制约因素
• 1.3 电池组不一致性分析
• 1.4 电池组均衡的必要性和方法
• 1.5 电池均衡目标
• 1.5.1 以SOC（state of charge）为均衡目标
• 1.5.2 以电池电压为均衡目标
• 1.6 论文完成的工作
• 2 蓄电池基本概念及充电特性
• 2.1 蓄电池介绍
• 2.2 蓄电池常用性能指标
• 2.3 铅酸电池工作原理
• 2.4 铅酸电池充电过程分析
• 2.5 蓄电池充电理论
• 2.6 蓄电池充电方法
• 2.6.1 常规充电法
• 2.6.2 快速充电法
• 2.6.3 各充电方法优缺点比较
• 2.7 本文采用的充电方法
• 3 串联电池组均衡方法的研究
• 3.1 均衡方案分类
• 3.1.1 按能耗分类
• 3.1.2 按均衡功能分类
• 3.1.3 按均衡电路拓扑形式分类
• 3.2 现有均衡方案
• 3.2.1 现有典型均衡方案介绍
• 3.2.2 现有均衡方案存在的问题
• 3.3 本文采用的均衡方案
• 4 串联电池组均衡充电模块主电路设计与实现
• 4.1 均衡模块主电路选择
• 4.1.1 半桥电路工作原理
• 4.1.2 直通的可能性及解决方法
• 4.1.3 主电路的隔离设计
• 4.2 主电路参数选型和参数计算
• 5 均衡模块控制系统与实现
• 5.1 控制系统构成及工作原理
• 5.2 均衡模块控制设计
• 5.3 控制芯片介绍
• 5.3.1 MC9S12D32CPV
• 5.3.2 SG3525介绍
• 5.4 外围电路设计
• 5.4.1 模拟采样电路设计
• 5.4.2 MOSFET驱动电路设计
• 5.4.3 贯穿短路保护电路
• 5.4.4 模拟量保护电路
• 5.5 控制系统软件设计
• 5.5.1 主程序流程图
• 5.5.2 通讯子程序流程图
• 5.5.3 控制子程序流程图
• 5.5.4 系统检测保护子程序
• 5.5.5 显示子程序
• 5.6 抗干扰设计
• 5.6.1 硬件抗干扰
• 5.6.2 软件抗干扰措施
• 6 仿真及实验结果分析
• 6.1 系统仿真及波形
• 6.2 系统试验及波形
• 7 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集