基于三单体直接均衡电路的串联储能电源组均衡技术研究

【摘要】： 各类蓄电池和超级电容器作为电压源型电能存储元件,广泛应用于电动车辆、不间断电源、分布式发电及其它电能存储技术相关领域。作为有限能源,串联储能电源组使用过程中的单体过充和过放现象是导致储能电源有效容量和安全性能降低、循环寿命减少的重要原因。因此,各类基于开关能量变换的有源型均衡技术成为了国内外的研究热点。本文在分析现有基于开关变换技术的均衡系统工作原理和适用范围的基础上,针对动力型电池组和超级电容组,以降低均衡损耗、提高均衡速度、简化均衡系统结构为研究目标,进行了有源型均衡电路、均衡系统结构以及失衡控制策略的研究。 采用有向图和赋权矩阵相结合的方法,对串联储能电源组均衡系统进行建模,分别给出了各类均衡结构的有向图表达及赋权矩阵。对各类均衡系统的实质特征和同构性问题进行了分析,得出均衡结构是均衡速度及效率的决定性因素,导出了理想均衡系统的图论模型。从能量传递的角度,分析了可实现的均衡电路所构成的均衡系统与理想系统之间的差异及其表征。针对多单体串联储能电源组均衡技术应用中存在的均衡能量传递路径长、效率低、速度慢的问题,基于树状图和最优生成树,对均衡系统结构进行了分层,重点探讨了系统拓扑、均衡单元结构、分层方式对均衡系统速度、效率和成本等因素的影响,利用Floyd算法合理规划均衡能量传递路径,以提高均衡系统的综合性能。在此基础上,提出了基于三单体能量直接交互均衡的树状多层均衡系统设计方案。 提出了能够实现串联三单体间能量直接交互传递的三单体直接均衡电路拓扑。着重分析了超级电容器的外特性,建立了一种能够准确反映快速充放电条件下电压特性的物理端行为超级电容模型,分析了模型各参数与工作电压和电流的关系,在特定工作阶段采用实验方法求取了模型参数,验证了模型对超级电容充放电过程的非线性和充放电之后的电压自恢复特性的准确反映,为均衡电路的仿真和参数优化提供了必要条件。 分析了三单体直接均衡电路在六种失衡状态下的Buck-Boost、反激和无输出电感的正激及其组合的多种开关变换工作模式,重点分析了正激模式下开关模态和电磁元件励磁电感磁复位方式。介绍了三相邻单体中任意两个单体间能量直接双向传递的均衡过程。讨论了电路工作模式、开关频率、电磁元件电感量和漏感、储能单体电压失衡水平等因素对直接均衡效率和均衡速率的影响,并通过电路仿真验证了电路的可行性。在此基础上,对三单体直接均衡电路参数进行了优化设计,综合考虑成本、体积和功率要求等因素,研制了三单体直接均衡器。 以三单体直接均衡器作为基本均衡单元,构建了多层树状结构的串联储能电源组均衡系统。结合多失衡单体系统均衡控制算法,采用CAN总线技术实现系统中各均衡器协调动作问题。采用能量密度较高的锂离子电池为均衡对象,进行了两个单体或单元之间的能量传递不受相邻限制,任意两个单体之间具有直接能量通道或通过上层均衡器构成的跨越通道的均衡实验验证。