基于改进Cuk电路的锂离子电池组均衡系统研究

作     者：王晓露 

作者单位：重庆三峡学院 

学位级别：硕士

导师姓名：谭泽富

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 主动均衡 双向Cuk电路 分阶段均衡 变论域模糊PID控制算法 

摘      要：随着新能源政策大力推进,得益于电动汽车低污染、高效和潜在的智能集成来解决环境污染和能源短缺的优势,该行业在许多国家受到广泛发展和商业化。锂离子电池的低自放电率、高能量密度性能使其大量用于电动汽车的动力装置,而单节锂电池的低电压使得必须大量串联以满足汽车的实际需求。受到制造工艺、工作温度环境等方面的影响,电池串在反复充放电时会出现不平衡问题,这种长期的不对称老化会加速电池性能的退化,严重者还会造成不可逆损坏,增加了用户的维修成本。为了降低电池组因自身容量差异造成的加速老化问题的发生率,对电池组进行均衡控制有着十分重要的现实意义,本文围绕着这个切入点进行了研究: (1)均衡拓扑结构方面,在传统Cuk电路的基础上进行了结构改进,设计了一种双向Cuk的均衡拓扑结构,该结构通过开关管的导通和关断,控制电池组内部任意单体电池的电量传递,控制简单、硬件成本较低,适用于大规模电池组均衡控制。对Cuk均衡器整体结构和内部工作状态进行了详细的分析并进行了参数设计计算,并在Simulink中搭建了两节电池的仿真模型测试参数的合理性,实验证明该结构能有效的改善电池组的差异。 (2)设计了分阶段均衡策略,并基于变论域模糊PID算法实现均衡系统的整体控制。引入两个伸缩因子让系统实现均衡电流大小的实时调整,通过与模糊PID算法对比,变论域模糊PID算法具有更高的响应速度和更高效的均衡效果,分阶段策略能够对电池组内部差异进行灵活判断,选择合适的均衡方案,缩短均衡时间。本文选择18650锂离子电池作为实验对象,选择UKF算法对电池的荷电状态值(State of Charge,SOC)进行估计,仿真结果显示估计误差在4%以内,实验结果证明该算法具有较好的鲁棒性,结果可靠。 (3)对均衡系统在MATLAB\Simulink种进行了静置、充电、放电三种情况下的恒流测试,结果显示对比其他结构,该系统能够让电池组最快的达到均衡状态,之后进行了动态DST工况测试,系统的均衡效果依然最佳。为了近一步验证系统的可行性,对系统的软件、硬件部分进行了设计并搭建了硬件实验平台进行实物测试,分别对电池组进行了恒流、动态倍率充放电测试,实验结果证明本文设计的基于改进Cuk电路的均衡系统可以改善电池组容量存在差异的状态。