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基于间接变量的长链串储能电源直接均衡策略研究

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基于间接变量的长链串储能电源直接均衡策略研究

作者：任悦哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前广泛应用的大容量储能系统通常会采用长链串组合结构。然而各储能单体中存在差异，不一致性会形成容量瓶颈并且影响电池组的使用寿命。因此对于长链串储能系统来说，均衡技术的应用尤为必要。本文在建立具有磁耦合能量交互结点的全... 详细信息

目前广泛应用的大容量储能系统通常会采用长链串组合结构。然而各储能单体中存在差异，不一致性会形成容量瓶颈并且影响电池组的使用寿命。因此对于长链串储能系统来说，均衡技术的应用尤为必要。本文在建立具有磁耦合能量交互结点的全路径并行直接均衡系统的基础上，提出一种以间接变量作为均衡判据的直接均衡策略，以期解决长链串储能电源均衡的快速性与准确性难以兼具的问题。　　均衡系统的结构与功能是制定均衡策略的基础。为了最大限度的提高均衡系统的效能，建立直接均衡系统。分析了单体、单体组、单元之间的长链串链路路径、能量传递过程及运行模式。构建简化电路模型以推导占空比、均衡电流、效率的函数表达式，经仿真验证了单元内部与单元之间均衡功能的可行性及理论分析结果的正确性。　　在实现系统结构功能基础上，为快速获得相对准确的均衡判据，提出了一种将工作电压在线修正为OCV的算法，运用了最小二乘拟合和在线参数辨识方法对电池等效模型进行参数辨识，并由仿真确认辨识结果的准确性。通过实验验证，基于间接变量的均衡控制方法不仅适用于连续在线工况，还满足可准确获取相对容量差值的要求。　　为提升系统均衡性能，提出了单对单方式的电压极值型均衡策略，在单元之间与单元内部均衡都适用，但其均衡速度慢、效率低。因此，针对单元之间均衡，提出了单元对单元方式电压极值型策略。针对单元内部均衡，提出了相对目标电压单调趋近型策略。在单元之间与单元内部策略失效时，单对单电压极值型策略再与之配合使用。　　为检验均衡系统应对复杂失衡问题的能力，研究改变均衡变量对均衡效果的影响情况，比较与分析两种单元内部策略均衡效果的优劣，设计了复杂失衡状态下的各种组合实验，结果表明，基于间接OCV的均衡判据可满足快速性与准确性兼具要求，单元对单元电压极值型策略可提高跨组均衡速度，单调趋近型策略可确保单元内部失衡单体电压呈单调变化，改善电池的不一致性。　　通过上述内容的研究，本文实现了可有效保证各单体、单体组、单元之间快速均衡的目标。

关键词：长链串储能电源间接变量直接均衡

基于直接均衡技术的串联储能电源均衡系统研究

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基于直接均衡技术的串联储能电源均衡系统研究

作者：董青山哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着化石原料的日益枯竭,锂离子电池串联储能电源被广泛地运用于电动汽车、清洁能源发电存储、大功率设备应急供电等重要领域,成为目前实现能量存储的一种重要手段。串联储能电源内部各单体间存在状态差异并在其使用过程中逐渐增大,从... 详细信息

随着化石原料的日益枯竭,锂离子电池串联储能电源被广泛地运用于电动汽车、清洁能源发电存储、大功率设备应急供电等重要领域,成为目前实现能量存储的一种重要手段。串联储能电源内部各单体间存在状态差异并在其使用过程中逐渐增大,从而导致单体间荷电状态不平衡,加速了电源老化进程,危及到整个系统设备的安全运行。因此,通过均衡系统进行在线、全时的有效均衡,对于电池单体减少荷电状态不平衡,提高容量利用率,延长电源使用寿命有着重要意义。在串联储能电源均衡系统研究现状分析的基础上,本文提出了一种能够实现串联储能电源内任意两失衡单体点对点能量直接均衡的新型多单体直接均衡拓扑。归纳了新型多单体直接均衡拓扑的三种工作模式:相邻单体均衡的Buck-Boost变换、同奇同偶单体均衡的反激变换、非相邻奇偶单体均衡的反激变换;分析了该均衡拓扑不同工作模式下的工作模态;引入了变压器漏感、开关管导通内阻等元器件参数,对新型多单体直接均衡拓扑的均衡效率进行了量化分析;采用Pspice软件建立了仿真模型,仿真结果验证了新型多单体直接均衡拓扑及其相关理论分析的正确性与合理性。基于新型多单体直接均衡拓扑的原理分析与仿真验证,本文设计了可实现六节电池单体直接均衡的六单体直接均衡器,并在此基础上完成了串联储能电源均衡系统及其控制器的设计。建立了六单体直接均衡器及基于直接均衡技术的串联储能电源均衡系统架构;设计了六单体直接均衡器和均衡系统的主电路;通过光耦隔离驱动电路的设计,解决了开关管源极电位不同所造成的浮地驱动问题;完成了基于BQ76930芯片的模拟前端及系统保护电路的设计,实现了对串联储能电源单体状态信息的采集和系统保护功能的设计;针对复杂失衡情况,引入了电压滞环的均衡控制方法并制定了均衡系统的开关动作表,给出了均衡系统的控制流程图,完成了均衡系统数字控制器的设计。根据理论分析和软硬件设计,本文搭建了均衡实验平台并完成了均衡功能实验和整个均衡过程的实验。均衡实验有效的减小了电池单体之间的电压差,解决了电池单体之间的不一致性问题。

关键词：串联储能电源直接均衡均衡系统均衡控制方法

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动力电池组直接均衡系统研究

动力电池组直接均衡系统研究

作者：张津硕哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

较长链串的动力锂离子电池组在电动汽车、航空航天等工业军事领域得到了广泛应用。由于锂电池自身单体电压与容量的限制,在实际使用过程中,经常需要将几个甚至成百上千个单体串联起来构成储能电池组。在电池组长期工作过程中,个别电池... 详细信息

较长链串的动力锂离子电池组在电动汽车、航空航天等工业军事领域得到了广泛应用。由于锂电池自身单体电压与容量的限制,在实际使用过程中,经常需要将几个甚至成百上千个单体串联起来构成储能电池组。在电池组长期工作过程中,个别电池可能会因为单体参数的差异而出现过充或过放现象,从而使电池组容量受限、寿命减少甚至出现比较大的安全隐患。对电池组中的过充单体与过放单体进行电池均衡是解决这类问题的一种有效途径。针对现有均衡电路在长串电池组条件下任意单体和组之间均衡路径长、均衡效率低与实际实现困难等问题,本文从构建跨组均衡电路出发,进行均衡系统以及配套均衡策略的实际应用研究。本文依据所在课题组已有专利提出的一种动力电池组直接均衡系统,该系统不但可以实现组内任意单体或小组之间的均衡,还可以通过在系统中加入一上层能量传播中继实现任意单体或小组之间的跨组均衡。通过这种灵活的均衡方式,可以有效缩短长串电池组的能量传输路径并提升均衡灵活性,从而改善均衡速度与均衡效率。为探究均衡变量对于均衡速度与均衡效率的影响,本文通过建立均衡电路的基本模型,利用公式推导出占空比、开关频率等因素和均衡电流、均衡效率之间的关系式,最后通过实验进行验证。为验证均衡系统的基础功能,本文对均衡单元电路以及均衡系统硬件进行了设计与器件选型,编写了均衡系统基本功能程序,并借助以上内容完成了均衡基本模态实验,证实了均衡系统设计上的正确性,为后文均衡策略的提出以及电池组复杂失衡条件下的均衡策略有效性验证提供了实践基础。为解决长串电池组均衡路径长以及均衡过程中存在的均衡重叠问题,本文提出了一种相对目标单调趋近的均衡策略,并进行了复杂失衡条件下均衡策略研究及有效性验证。实验结果表明该均衡策略可以显著减少均衡重叠现象的发生,从而提高系统的均衡性能。

关键词：长串电池组直接均衡均衡策略复杂失衡

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串联储能系统多单体直接均衡技术的研究

串联储能系统多单体直接均衡技术的研究

作者：谭宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

能量存储技术是未来可持续能源发展的关键技术。由动力型锂离子电池和超级电容构成串联储能体的电能储存技术,在可再生能源、智能电网和电推进运载设备等诸多领域的应用日益广泛。因为储能单体间不可避免的差异导致参数不一致,极易出现... 详细信息

能量存储技术是未来可持续能源发展的关键技术。由动力型锂离子电池和超级电容构成串联储能体的电能储存技术,在可再生能源、智能电网和电推进运载设备等诸多领域的应用日益广泛。因为储能单体间不可避免的差异导致参数不一致,极易出现某个或某些储能单体的过充或过放现象,随着充放电次数的增多,会导致串联储能体实际容量下降、使用寿命减少。因此串联储能体多单体之间的能量均衡是储能系统实用化的重要技术之一。研究对比了目前先进的串联储能体多单体均衡技术,对于复杂工况下的大容量串联储能系统,提高其均衡速度与效率,关键在于缩短均衡路径,实现储能单体的直接均衡。发明了一种四单体直接均衡电路,能够实现四个单体间直接均衡,但是拓展性较差,为此,又提出了一种能够实现任意单体直接均衡的多单体均衡拓扑,当非相邻储能单体不均衡时,无须借助于中间单体进行能量转移,缩短了均衡路径,提高了均衡效率。通过引入耦合电感并有效控制其电流流向,构造了任意单体间双向能量传递通道,实现了能量直接均衡。着重分析了均衡拓扑组内单体均衡和组间单体均衡的两种工作方式,研究了均衡器参数对于均衡过程的影响,建立了均衡拓扑的仿真模型,进行了仿真验证。主电路的磁性元件采用了平面型磁芯及PCB多绕组构成的平面型多绕组耦合电感,对其结构、参数进行了重点分析计算,保证了其参数的一致性。均衡拓扑所使用的开关管数量较多,且开关管源极不共地,为此设计了光耦隔离高密度驱动电路,并采用电池电压对光耦芯片进行供电,提高了多单体直接均衡器的功率密度。以DSP芯片为核心设计了多单体直接均衡系统控制器的结构,实现了两种均衡工作方式的可靠控制。搭建了串联储能体多单体直接均衡系统,主电路中的储能单体采用6节3300m Ah的串联锂离子电池,在组内单体均衡和组间单体均衡两种情况下对系统进行了实验测试及分析。根据实验结果,串联储能体多单体直接均衡系统能够使得能量在任意单体间进行点对点路径的直接均衡,相较于目前的均衡拓扑缩短了均衡路径,均衡速度得到提高。

关键词：均衡拓扑直接均衡串联储能体均衡路径

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具有灵活路径的多模式串联均衡系统研究

具有灵活路径的多模式串联均衡系统研究

作者：王少晨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

锂电池有循环周期长、自放电率低以及绿色环保等优点,在工业领域具有广泛的应用。当锂电池组工作时,个别电池可能会出现过充或过放现象,长此以往会降低电池组的实际容量和能量利用率,严重时甚至会危害系统的安全。电池均衡技术由此产生... 详细信息

锂电池有循环周期长、自放电率低以及绿色环保等优点,在工业领域具有广泛的应用。当锂电池组工作时,个别电池可能会出现过充或过放现象,长此以往会降低电池组的实际容量和能量利用率,严重时甚至会危害系统的安全。电池均衡技术由此产生,通过平衡电池组中各单体的能量来提高电池组的工作性能。针对目前的均衡拓扑普遍存在的能量转换形式固定、均衡动作变换次数较多以及均衡路径单一等问题,本文从构建新型均衡拓扑出发,开展了串联储能电源均衡系统的应用基础研究。本文提出的具有灵活路径的多模式串联均衡电路可以将相邻的失衡单体构建成均衡单体组,通过Buck-Boost和反激两种工作模式实现单体与单体、单体与单体组或单体组与单体组之间的能量一步式直接传递,能够最大限度地缩短均衡能量传输路径,提升均衡系统的灵活性。为了探究均衡性能参数与各电路参数间的函数关系,建立了均衡拓扑的简化电路模型,根据电路原理推导出均衡电流、均衡功率和均衡效率等参数的表达式,并借助仿真实验验证了推导结果。然后分析了均衡电路参数和均衡模态对均衡电路工作性能的影响,根据分析结果选择了均衡电路的导通状态和参数。为了测试均衡电路的基本工作模态,设计了由均衡主电路、模拟前端电路、主控器和驱动电路四个部分组成的串联储能电源均衡系统。编写了均衡基本动作程序,在此基础上完成了均衡基本模态实验,分别探究了均衡拓扑在不同工作模式和不同工作模态下的均衡性能,为均衡策略设计及均衡系统复杂失衡实验的参数计算提供参考。为了探究均衡系统处理电池组复杂失衡情况的能力,针对由四节锂电池构成的串联电池组设计了基于电压极值型均衡策略和基于目标电压型均衡策略,并利用这两个均衡策略完成了两组均衡对比实验。结果表明基于目标电压型均衡策略可以通过成组均衡显著提高均衡速度,还可以保证各单体电压在均衡过程中始终呈单调性变化。综上所述,使用基于目标电压型均衡策略控制具有灵活路径的多模式串联均衡系统有助于解决串联电池组的失衡问题。

关键词：串联储能电源直接均衡灵活路径均衡策略复杂失衡

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串联动力锂电池组主动均衡控制研究

串联动力锂电池组主动均衡控制研究

作者：曹意林石河子大学

学位级别：硕士

由于化石能源的日益匮乏以及环境污染问题的日趋严重,电动汽车越来越受到人们的青睐。动力锂电池因其优越的性能被广泛用于电动汽车储能装置中,单体电池串联成组后会出现性能参数上的差异。随着充放电次数的增加,单体间的不一致性会被... 详细信息

由于化石能源的日益匮乏以及环境污染问题的日趋严重,电动汽车越来越受到人们的青睐。动力锂电池因其优越的性能被广泛用于电动汽车储能装置中,单体电池串联成组后会出现性能参数上的差异。随着充放电次数的增加,单体间的不一致性会被逐渐放大,严重制约了整组电池性能的发挥,降低了电池组能量利用率。因此,需要对电池组进行均衡研究,通过对失衡单体进行能量的二次分配,改善电池组的不一致性,对延长电池组的使用寿命和提高整车的安全性具有重要的意义。本文对串联电池组均衡控制技术做了以下几个方面的研究:(1)对锂电池的基本工作原理及产生电池组不一致性的原因进行分析,得出当前阶段均衡控制技术是改善电池组不一致性的重要措施;分析电池组不一致性在电池外特性参数上的表现,通过比较不同外特性参数的优缺点,选择电池荷电状态(State of Charge,SOC)为均衡变量。(2)针对目前均衡电路存在的能量转移路径长以及多对单体不能同时均衡的问题,提出了基于反激变换器多绕组输入、输出的均衡拓扑。在均衡过程中将放电单体电池和充电单体电池分置变压器原、副边两侧,有一对一、一对多、多对多、多对一四种反激工作模式,增加了均衡路径的灵活性,对于任意单体都能够通过一步反激模式直接实现均衡,缩短了电池间能量转移的距离,提高了均衡速度。(3)为了研究不同电路参数对均衡性能的影响,提高均衡速度和均衡效率,建立了均衡电路等效简化模型,分析了充、放电池电压、励磁电感、占空比和开关频率等参数与均衡速度和均衡效率的关系,为仿真实验中电路参数的设定提供理论参考依据。(4)为了避免能量的重叠转移,提高均衡的精确度,提出了基于SOC极差值分时同步的均衡控制策略,对电池组失衡状况进行分类,针对不同的失衡状况分别制定相应的均衡模式;通过Matlab/Simulink平台进行仿真实验验证,在电池组静置工况下,与基于传统反激变压器的均衡拓扑进行仿真实验对比,验证本文均衡拓扑的优越性;在电池组充、放电工况下与未加入均衡的电池组进行对比,发现在加入均衡后,实际可充入或放出的容量在不同的失衡状况下都有所提高,并且有效防止了电池组中个别单体电池过度充电或过度放电的现象发生。综上所述,本文设计的均衡电路及其控制策略能够有效改善电池组的失衡问题,对提高了整组能量的利用率具有重要意义。

关键词：动力锂电池组主动均衡电路直接均衡灵活性控制策略