基于模糊控制的电动汽车锂电池组均衡控制系统研究

作     者：顾伟伟 

作者单位：盐城工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：吴冬春

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：电池等效模型 SOC估算 模块化均衡 Buck-Boost变换器 反激式变压器电路 模糊控制策略 

摘      要：随着“双碳目标的提出——即“碳达峰和“碳中和,我国在新能源领域的发展步伐明显加快,尤其在动力电池技术的广泛应用方面取得了显著成效。在实际应用中,为了满足电动汽车电压和功率的需求,通常需要将多个锂电池单体通过串联和并联的方式结合在一起。然而,在生产制造、装配过程及实际应用中,串联电池组往往会面临容量、电压以及内阻等不一致性差异。这些差异随着充放电周期的不断重复而逐步扩大,对锂电池的安全与使用寿命造成了严重威胁。为了解决这一问题,电池管理系统中的均衡管理技术至关重要。通过均衡管理,可以确保单体电池之间的状态保持一致,最大程度地利用电池组的容量,提高电动汽车的续航里程。 本文以电池均衡速率和均衡效率为研究切入点,提出了一种Buck-Boost电路与反激式电路相结合的模块化均衡拓扑,并引入模糊控制算法作为均衡策略,克服了传统电感式均衡拓扑能量只能在相邻单体电池间传递的限制,提高了电池组的工作效率和稳定性。其工作内容主要包括以下几个部分: (1)电池参数辨识及荷电状态(State of Charge,SOC)估算。首先对比分析了几种电池等效模型的优缺点,根据研究对象的特性,选用Thevenin模型作为电池的等效电路模型,并采用脉冲放电实验进行电池参数辨识。使用扩展卡尔曼算法(Extended Kalman Filter,EKF)估算电池SOC并搭建仿真模型验证,结果表明所选择的估算算法误差较小,具有较高的预估精度。 (2)模块化均衡拓扑工作原理及控制策略研究。分析了此种模块化均衡拓扑的基本工作原理,包括组内和组间均衡电路工作过程。模块内采用均值—差值控制策略,能量在相邻电池单体间转移。同时模组间均衡采用模糊控制策略,将电池组中每个模块SOC的极差和电池组SOC平均值作为输入,均衡电流作为输出,通过控制反激式电路中原副边绕组MOS管的占空比,输出最合适的均衡电流。在MATLAB/Simulink中搭建均衡电路仿真模型,仿真结果表明,设计的均衡拓扑和策略可以在不同工况下迅速缩小单体电池SOC差异,减小电池的不一致性。 (3)均衡系统硬件和软件部分设计。根据模块化均衡拓扑设计硬件电路,搭建了基于STM32控制的六节电池实验样机。根据搭建的样机,对均衡电路的工作原理进行验证,实验表明所设计的模块化均衡控制系统能有效实现电池间均衡。