电动汽车动力电池组均衡管理策略研究及系统设计

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电动汽车具有无污染、噪音低、能源效率高等优点,成为世界各国开发和推广的对象。但续航里程短,充电速度慢等问题制约着电动汽车的发展,其中动力电池组还存在不一致性问题,严重影响电池组的可用容量和循环使用寿命。目前,虽然大部分的均衡管理方式取得了较好的均衡效果,但还没有一种针对电池组不同阶段的均衡管理方法。为此本文针对电动汽车动力电池组的不一致性问题,展开了对均衡管理方案的研究,重点分析了电池组在各阶段出现不一致性问题的特征,研究了各阶段的均衡管理方式,设计了均衡硬件电路和均衡管理策略;搭建了一个完整的均衡管理系统,有针对性地改善了电池组在各阶段均衡时间的长短和电压的波动幅度,提高了对电池组的均衡效果,本文的主要工作如下:首先针对电池组出现不一致性问题的原因,从电池的生产、存储和使用阶段进行了分析,通过探讨电池内部状态量的变化规律,重点研究了电池组在各阶段不一致性的特征以及不一致性在各阶段存在的差异,对比了现有改善电池组不一致性的方法,并提出了本文的研究方案;根据电池实验数据中各参数与SOC的变化关系,对比分析了开路电压、工作电压和SOC在表征电池组不一致性上的优缺点,并选取了开路电压和工作电压作为均衡变量。其次在研究了电池组均衡方案的基础上设计了相应的均衡电路结构和均衡管理策略,并分析了均衡电路的工作方法;通过探究实验数据中电压变化幅度随电流的变化规律,为均衡管理策略设定了均衡阈值,并结合所选元器件的参数和均衡电路的工作方法,计算了均衡电路的控制量;通过搭建电池模型、均衡电路模型和均衡管理系统模型,仿真验证了均衡电路和均衡管理策略的可行性。再对均衡管理系统的整体结构进行设计,提出了一种双层管理系统架构,探讨了系统功能的设计指标,通过设计的功能指标,对控制芯片进行了选型,重点设计了电源、电压采集、电流采集、均衡等模块单元的硬件部分以及系统和上位机的软件部分。最后围绕着系统的均衡试验,结合所搭建的试验台架,制定了电池组在搁置阶段和充放电阶段的均衡试验方法,对比分析了均衡管理系统在关闭和开启条件下的试验数据,结果表明:相比系统关闭条件下,电池组经过一个小时的均衡管理后,各阶段电压极差的下降幅度都超过了 40%,实现了提高电池组一致性的目的;分别对比电压和SOC在不同均衡电流下的变化关系,证明了系统能够兼顾各阶段电压波动幅度和均衡速度。
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