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基于两级式双向变换器的电池模拟器研究

基于两级式双向变换器的电池模拟器研究

作者：杨欢西安理工大学

学位级别：硕士

动力锂离子电池(简称动力电池)因其性能优异、价格合理等优势,在储能系统和电动汽车等领域得到了广泛应用。对动力电池进行充放电的电力电子设备是储能系统和电动汽车中的核心设备,其性能好坏通常需要对实际动力电池进行反复超长时间的... 详细信息

动力锂离子电池(简称动力电池)因其性能优异、价格合理等优势,在储能系统和电动汽车等领域得到了广泛应用。对动力电池进行充放电的电力电子设备是储能系统和电动汽车中的核心设备,其性能好坏通常需要对实际动力电池进行反复超长时间的充放电测试来判断与分析,从而保证其安全性与可靠性。考虑到采用真实动力电池的传统测试方法在安全性、准确性、便捷性有一定的局限,也考虑测试时间和硬件成本等因素,用电池模拟器来替代真实动力电池进行测试是较为常用的方法。为此,本文基于三阶RC等效电池模型,采用T型三电平变换器+双向交错并联Buck-Boost变换器作为电池模拟器的主电路拓扑,以电池模型输出作为端口电压参考值,实现对真实动力电池的替代测试。本文的具体研究内容如下:首先,综合考虑不同电池模型的复杂度以及精确度,分析了三阶RC等效电路模型,采用最小二乘法(Least square,LS)实现电池等效电路参数的离线辨识。通过最小化误差的平方和来寻找数据的最优值,在模拟电池外部电气特性时通过离线查表快速定位到当前端电压,可以提高系统响应速度。其次,为了满足模拟电池V-I外特性的需求,研究了T型三电平变换器+双向交错并联Buck-Boost变换器的两级电路拓扑。采用T型三电平变换器作为前级能够进一步提高功率等级,扩大电压范围并实现能量双向流动,电网电流谐波污染小。采用双向交错并联Buck-Boost变换器,在能量双向流动的同时,可以减小模拟电池充放电特性下的电流纹波。深入分析两级式电路拓扑的工作原理,建立电路模型,设计控制器参数。再者,搭建以STM32F407ZG为控制核心的电池模拟器平台作为电池测试系统,对磷酸铁锂电池进行V-I外特性实验数据采集,在此基础上验证了三阶RC等效电路模型与最小二乘法在描述电池特性的有效性与准确性。最后,在Matlab/Simulink环境中搭建电池模拟器模型进行仿真验证,并对电池模拟器实验平台进行不同工况下的实验测试,测试结果表明电池模拟器能够实现对电池V-I外特性的精确模拟,验证了本文所设计电池模拟器的有效性及可行性。

关键词：锂离子电池电池模拟器三阶RC等效电路模型 T型三电平变换器交错并联Buck-Boost变换器

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基于滑模控制的电池模拟器仿真与研究

电子技术应用 2022年第5期48卷 47-50页

作者：胡霞曹文章戴袁园安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232000

以电流可逆斩波电路为基础,通过滑模控制方法构建了Buck-Boost变换器,实现了一个拓扑结构电流双向流动的电池模拟器,以此来模拟电池充放电过程。通过控电压的方式进行调节,当电容电压大于电池电压时为电池充电形成Buck电路,当电容电压... 详细信息

以电流可逆斩波电路为基础,通过滑模控制方法构建了Buck-Boost变换器,实现了一个拓扑结构电流双向流动的电池模拟器,以此来模拟电池充放电过程。通过控电压的方式进行调节,当电容电压大于电池电压时为电池充电形成Buck电路,当电容电压小于电池电压时电池放电形成Boost电路。通过将滑模控制与传统的PI控制相比较,验证了在负载波动时滑模控制的调节时间优于PI控制,有着更好的鲁棒性、动态性能。在理论分析的基础上,通过仿真软件得到了实验结果。

关键词：电流可逆斩波电路滑模控制电池模拟器 Buck-Boost变换器

电动自行车充电桩计量测试用电池模拟器的研究

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计量科学与技术 2022年第9期66卷 47-51,16页

作者：朱江张丽娟魏朋飞郑州市质量技术监督检验测试中心郑州450006 中电科信息产业有限公司郑州450000

为解决电动自行车充电桩计量测试过程中存在的充放电时间长、效率低、成本高、复现性差等问题,避免使用蓄电池带来的安全隐患,提高检测效率和计量结果的可靠性,设计了一种基于STM32和数字可调电源的电池模拟器。该模拟器由MCU控制单元... 详细信息

为解决电动自行车充电桩计量测试过程中存在的充放电时间长、效率低、成本高、复现性差等问题,避免使用蓄电池带来的安全隐患,提高检测效率和计量结果的可靠性,设计了一种基于STM32和数字可调电源的电池模拟器。该模拟器由MCU控制单元、数字可调电源、采样电路、通道通断及极性切换电路、程控负载等部分组成。本文介绍了电池模拟器的工作原理、各模块组成和软件控制流程,并给出了测试数据。测试结果表明,该电池模拟器具有连续稳定的可调电源输出以及可调负载,能较好地模拟蓄电池的三段式充电模式,可满足充电桩的计量测试需要。

关键词：电动自行车充电桩计量测试电池模拟器

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电池模拟器及其应用

电池模拟器及其应用

作者：谢俊文华中科技大学

学位级别：硕士

近年来，随着石油资源日益匮乏和环境问题日趋严峻，可再生能源发电得到了极大的发展。但是，可再生能源（如风能、太阳能等）本身固有的间歇随机和不可控的特点，会对电网的安全稳定运行带来负面影响。在电力系统中配置一定容量的储能... 详细信息

近年来，随着石油资源日益匮乏和环境问题日趋严峻，可再生能源发电得到了极大的发展。但是，可再生能源（如风能、太阳能等）本身固有的间歇随机和不可控的特点，会对电网的安全稳定运行带来负面影响。在电力系统中配置一定容量的储能系统，有利于平抑功率波动、提高电网稳定性、改善供电质量、发挥电力调峰作用等。开发出一种模拟电池原型外特性的电池模拟器有助于促进对储能技术的研究。本文首先对液流电池、锂电池和铅酸蓄电池进行建模，建立既精确又实用的等效电路模型。在总结了现有电池模拟器拓扑结构的基础上，根据对储能电池的实验和研究需要，本文研究了一种基于DSP和电力电子技术的数字式通用型电池模拟器。采用三相电压型PWM变换器(VSC)作为拓扑，该模拟器可以模拟不同种类、不同参数、不同工况的电池外特性。随后本文给出了该模拟器的具体的软、硬件设计方案，并研制出电池模拟器样机。最后仿真和实验结果表明该装置能够精确模拟多种电池的充、放电工况，设计可行，性能效果良好。在所研制的通用型电池模拟器装置上，作为电池模拟器的应用，本文还进行了电池储能系统优化控制的应用研究。围绕基于电池储能系统的风力发电系统并网安全稳定运行问题，本文总结了现有的风力发电并网控制算法和电池储能系统控制方法。针对现有方法的不足，本文提出基于变平滑时间常数和功率限幅的优化控制方法。该方法能够根据电池储能系统的荷电状态(SOC)实时调整平滑时间常数，避免电池的满充、过放、过载，有效地延长储能系统的寿命。同时给出了储能并网逆变器的软、硬件设计方案。最后搭建了样机并且应用电池模拟器进行了实验，实验结果表明变平滑时间常数优化控制方法能够更好兼顾并网功率平滑度和电池储能系统的保护。

关键词：可再生能源发电电池建模电池模拟器电池储能系统优化控制平滑时间常数

一种可用于BMS功能验证的动力锂电池模拟器设计

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江苏大学学报（自然科学版） 2020年第2期41卷 214-220,229页

作者：李梦龚金科朱浩吉祥张文博湖南大学机械与运载工程学院湖南长沙410082

基于Matlab&Simulink的Simscape模块,建立了电池二阶等效电路模型,并进行了参数辨识和模型验证,完成了硬件电路和软件设计,从而构建了一种新的动力锂电池模拟器.仿真和测试结果表明:在对电池模型进行参数辨识时,增加荷电状态在0至0.10... 详细信息

基于Matlab&Simulink的Simscape模块,建立了电池二阶等效电路模型,并进行了参数辨识和模型验证,完成了硬件电路和软件设计,从而构建了一种新的动力锂电池模拟器.仿真和测试结果表明:在对电池模型进行参数辨识时,增加荷电状态在0至0.10区间的间隔点,可进一步提高电池模型精度;在HPPC循环放电工况下,电压最大误差不超过0.07 V;在动态运行工况下,电压最大误差不超过0.12 V;在不同的荷电状态下,动力锂电池模拟器电压输出最大误差为1.9 mV,相对误差为0.53‰,验证了所设计的动力锂电池模拟器具有较高的精度,可用于电池管理系统的功能验证.

关键词：电池模拟器动力锂电池等效电路模型电池管理系统 Simscape模块

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一种高精度电池模拟器的设计与实现

电源技术 2018年第1期42卷 101-104页

作者：李练兵姚路何树宝董德林河北工业大学控制科学与工程学院天津300130

为了解决电池保护板检测装置中电池电压的给定与检测问题,设计了一种基于STM32的高精度的电池模拟器。该电池模拟器以STM32为主控制器,由电压产生模块、电池组模拟模块、电压反馈模块组成。对电池模拟器的工作原理、控制方案给予了说明... 详细信息

为了解决电池保护板检测装置中电池电压的给定与检测问题,设计了一种基于STM32的高精度的电池模拟器。该电池模拟器以STM32为主控制器,由电压产生模块、电池组模拟模块、电压反馈模块组成。对电池模拟器的工作原理、控制方案给予了说明。实际测试表明,该电池模拟器具有单节电压任意调节、可模拟多串电池的串联、扩展性强等特点,满足了电池保护板测试装置的需要,具有良好的稳定性。

关键词：电池模拟器电池保护板电压调节

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电动汽车动力锂电池模拟器设计与研究

电动汽车动力锂电池模拟器设计与研究

作者：李梦湖南大学

学位级别：硕士

使用真实的动力锂电池组对电池管理系统进行测试验证不仅测试周期长、可重复性差,而且一些极端测试工况具有安全隐患。因此,设计出可以用来替代真实动力电池组的动力锂电池模拟器显得尤为重要。本文以湖南省重点研发计划项目(2017GK2201... 详细信息

使用真实的动力锂电池组对电池管理系统进行测试验证不仅测试周期长、可重复性差,而且一些极端测试工况具有安全隐患。因此,设计出可以用来替代真实动力电池组的动力锂电池模拟器显得尤为重要。本文以湖南省重点研发计划项目(2017GK2201)为依托,基于长沙梅花汽车有限公司所研发的电动物流车项目,设计出一种可用于BMS测试验证的动力锂电池模拟器。本文完成的主要工作内容如下:(1)分析总结了国内外在该领域内的研究现状,通过对现有动力锂电池模拟器拓扑结构进行分析比较,提出了本文设计的基本拓扑结构。(2)基于MATLAB&Simulink的Simscape模块建立了动力锂电池的二阶Thevenin模型,基于FFRLS算法完成了动力锂电池模型的参数辨识,并对完成参数辨识后的二阶Thevenin模型进行了验证。(3)利用Freescale的16位微控制器MC9S12XEP100作为动力锂电池模拟器的主控芯片,并完成了主控芯片最小系统模块、电压生成器模块、故障模拟模块以及通信电路模块电路的设计。(4)完成了动力锂电池模拟器的主程序设计,并对动力锂电池模拟器硬件电路各个模块对应的子程序均进行了详细设计。(5)将动力锂电池模拟器的测试内容分为硬件电路测试、软件程序程序测试以及BMS平台测试。通过对动力锂电池模拟器进行测试,验证了设计的动力锂电池模拟器可用于BMS测试验证。

关键词：动力锂电池电池模拟器二阶Thevenin模型电池管理系统 Simscape

用于井下电机车储能电池模拟器的自适应模糊PI控制

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中国煤炭 2016年第5期42卷 82-86页

作者：周亚夫刘光起弯茂全许辰雨北京工业职业技术学院北京市石景山区100042 北京工业大学电子信息与控制工程学院北京市朝阳区100124

为了解决煤矿井下电机车电池组充放电过程缓慢而造成电池组相关试验效率低和过程复杂的问题,采用全桥整流器结构的电池模拟器,模拟电池组充放电过程中的输出电压与电流等外在特性。为了保证电池模拟器在充放电过程的不同阶段、充放电模... 详细信息

为了解决煤矿井下电机车电池组充放电过程缓慢而造成电池组相关试验效率低和过程复杂的问题,采用全桥整流器结构的电池模拟器,模拟电池组充放电过程中的输出电压与电流等外在特性。为了保证电池模拟器在充放电过程的不同阶段、充放电模式切换以及负载突变等情况下,其外在特性尤其是输出直流电压仍能够保持稳定并且更加接近直流电压源的特性,提出了采用自适应模糊PI控制策略提高电池模拟器的动态性能和稳定性。

关键词：电机车电池组电池模拟器自适应模糊控制

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动力锂离子电池模拟器的研制

动力锂离子电池模拟器的研制

作者：文平哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着传统不可再生石化能源的不断消耗以及城市环境污染越来越严重的形势日益严峻，新能源与清洁能源的开发受到了越来越多的重视与投入。交通领域也在向着无污染、节约能源的方向发展。由于动力电池组存在使用成本高、循环寿命相对较短... 详细信息

随着传统不可再生石化能源的不断消耗以及城市环境污染越来越严重的形势日益严峻，新能源与清洁能源的开发受到了越来越多的重视与投入。交通领域也在向着无污染、节约能源的方向发展。由于动力电池组存在使用成本高、循环寿命相对较短等缺陷与不足，因此需要用电池管理系统来对电池的运行情况进行监测与管理，降低电池使用成本、提高循环使用次数，并预报行驶里程、电池组温度。若使用动力电池组进行电动汽车与电池管理系统的开发与调试，则存在着测试周期长、成本高、效率低、精度低等缺点。因此，必须研制出能够替代动力电池组的高精度模拟装置。为了建立准确的电池模型，本文以电动汽车中使用最为广泛的动力锂离子电池为目标，对其技术参数、充放电工作特性、开路电压OCV与SOC的特性关系、二阶等效内阻模型进行研究。根据SOC与电池的开路电压、欧姆内阻、极化内阻之间的特性关系，将SOC作为控制开路电压和二阶等效内阻的变量，建立了对电池动态特性描述较为准确的电池等效电路模型。并用Simulink对该等效模型进行了仿真，为电池模拟器的研制提供了准确的模型。本文综合考虑电池的动态特性内在要求与所需要模拟的相关参数要求，设计了电池模拟器硬件设计方案。该方案中包括两个电压模拟通道和一个温度模拟通道，并包含一个控制器。控制器根据电池等效电路模型编程来控制输出电压与电阻，来实现电池动态特性的模拟。而电压模拟通道的等效电阻则根据用户输入的温度变化。为了实现对电池动态特性的精确模拟，本文中通过在控制器中分两部分来对模拟电池的端电压。首先设定的电池标称容量与初始容量，采用安时法来确定当前容量的变化以确定当前SOC，再根据OCV与SOC的方程式计算出开路电压。然后根据SOC计算出等效欧姆内阻、极化等效电阻、极化等效电容，并对电流进行检测，模拟内阻上的动态压降，从而确定电池模拟器的端电压。最后，对电池模拟器进行了相应的实验，验证了电池模拟器功能的正确性，并达到了所要求的精度。

关键词：电池模拟器等效电路模型动力锂离子电池 SOC 电池动态特性