串联电池组直接均衡拓扑结构及路径优化策略研究.pdf

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1、博士学位论文串联电池组直接均衡拓扑结构及路径优化策略研究RESEARCHONDIRECTBALANCINGTOPOLOGYANDPATHOPTIMIZATIONSTRATEGYFORSERIESCONNECTEDBATTERIES陈洋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM461.5学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文串联电池组直接均衡拓扑结构及路径优化策略研究博士研究生：陈洋导师：邹继明教授副导师：刘晓芳副教授申请学位：工学博士学科：电气工程所在单位：电气工程及

2、自动化学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM461.5U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONDIRECTBALANCINGTOPOLOGYANDPATHOPTIMIZATIONSTRATEGYFORSERIESCONNECTEDBATTERIESCandidate：ChenYangSupervisor：Prof.ZouJimingAssociatesupervi

3、sorAssociatedProf.LiuXiaofangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringAffiliation：SchoolofElectricalandAutomationDateofDefense：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着环境问题的日益严重，开发使用清洁能源已受到越

4、来越多人的关注。目前市场上有多种可充电电池可供使用，锂离子电池由于其优越的特性、性能、积极的环境影响以及回收潜力而被认为是所有电池类型中应用前景最好的。单体电池的过充、过放会造成串联锂离子电池组可用容量降低、循环周期减少，成为制约其安全、可靠工作的瓶颈，因此，各类基于现代电力电子技术的有源型均衡方法已成为均衡领域的热点话题。本文以串联20Ah锂离子电池组为研究对象，以提高电池安全性能和电容容量利用率为研究目标，主要开展均衡拓扑结构特性研究、仿真和实验分析以及复杂失衡条件下均衡路径优化策略的制定。提出一种基于

5、图论的均衡系统结构合理性量化分析方法，首先利用有向图和赋权可达矩阵对串联电池组均衡系统进行建模，得出理想的均衡单元结构所具备的特性，即完备性和双向性。然后围绕不同形式均衡系统结构均衡效率与均衡速度展开研究，以上述推导的单元模型为基础，建立单层、链式、多层三种大型均衡系统结构并进行分析，提出了将链式与多层系统相结合的混合式均衡系统结构。分别分析每种结构中单元单体数量对均衡效率和均衡速度的影响，并对比分析不同均衡系统结构均衡效率与均衡速度间的差异，总结出较为合理的均衡系统结构。改进了一种基于飞渡电感的单体直接均

6、衡拓扑结构，分析其四种工作模式的能量传递机理，包括任意单体间均衡、单体与相邻单体组间均衡、相邻单体组与任意单体间均衡、相邻单体组与相邻单体组间均衡。针对不同的失衡情况，该均衡拓扑结构可实现快速均衡，均衡路径多样，均衡过程能量转换次数少。当串联电池组数量繁多的时候，仍采用上述单体直接均衡拓扑结构存在功率器件电压应力高的问题，同时当串联电池组中出现严重失衡时，需要多层均衡器同时工作以加快均衡速度，为此本文提出了一种新型的基于多耦合电感的单元直接均衡拓扑结构，并对其两种工作模式的能量传递机理进行分析，包括组内单元

7、失衡的正激模式和组间单元失衡的反激模式。针对不同的失衡情况，该均衡拓扑结构可实现快速均衡，能量可实现跨越式传递，无均衡重叠，均衡路径短，均衡速度快。同时建立了基于上述两种结构的双层混合式均衡器。针对双层混合式均衡器建立其均衡路径优化策略，以长串联电池组复杂失衡条件下效率最优或速度最优原则路径规划方法展开研究。首先对均衡效率和-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文均衡速度进行建模，确定相应的约束条件，并提出采用蚁群算法对所提出的优化模型进行求解。最后将该策略分别应用于13节串联电池组和97节串联电池组中，仿真验

8、证本文所提出的路径优化策略在应对长传串联电池组复杂失衡情况时，可快速规划均衡路径，根据特定的目标，提高均衡效率或均衡速度。将基于飞渡电感的改进型单体直接均衡器作为下层基本均衡单元，将基于多耦合电感的单元直接均衡器作为上层基本均衡单元，搭建双层混合式均衡器实验平台。分别对上下层均衡器在静置条件和充放电条件下展开均衡实验，实验表明本文所提出的两种直接均衡拓扑结构均能按照预定策略实现均衡，能量转换次数少，均衡速度快。同