总线式结构电场耦合型电池组能量均衡系统及控制方法研究

The energy equalization technology for battery packs is mainly used to eliminate the difference of states of charge in the series-connected lithium ion battery cells, avoiding over-charge or over-discharge, and prolong the service life of battery packs. In order to solve the problem of existing techniques, such as slow speed, low efficiency, large size, less easily modularization and so on, the energy equalization system is studied in this project including a novel equalizer circuit topology and it’s energy flow dynamic model and energy efficiency model, which may provide a way for the controls of the energy flow of the equalizer and the whole system. This project intends to study a novel type of electric field coupling isolation equalizer circuit with soft switching technology, to improve the efficiency, reduce the size of the system, and establish a flexible and efficient energy transfer path. The dynamic model of the equalizer under the constraints is established with transforming the soft switching conditions into control constraints. The loss mechanism of energy transferring process is revealed by the analysis of the current and voltage curve of the power switches with the transient process. The energy loss data is obtained with different resonant parameters, switching frequency and output power conditions under the different resonant modes, and the energy efficiency model of the equalizer is established. This project can not only promote the development of control theory, but also provide a new solution to improve the equalization speed and the energy efficiency, and prolong the service life of battery packs.

电池组能量均衡技术主要用于消除串联锂离子电池组中各节电池荷电状态差异，避免过充或过放，延长电池组使用寿命。本项目针对现有均衡技术速度慢、效率低、体积大、不易扩展等问题，以能量均衡系统为对象，研究新型均衡器电路结构及其动态模型和能效模型，为均衡器的能量流控制和电池组系统的能量均衡控制提供新的解决途径。拟运用软开关技术，研究一种新型的电场耦合型隔离均衡器电路，提高能量传输效率，减小系统体积，建立灵活、高效的能量转移路径。通过将软开关条件转化为控制约束，建立约束条件下均衡器的动态模型。通过分析功率开关动作时的电流和电压曲线，结合电路的瞬态过程，揭示均衡器能量传输过程的损耗机理；获取不同谐振工作方式下，不同谐振参数、工作频率和输出功率条件下的能量损耗数据，建立均衡器的能效模型。本项目不但可推动控制理论的发展，而且可为电池组延长使用寿命、提高均衡速度和能量管理效率提供新的方法。

锂离子电池作为一种广泛应用的动力电池，具有能量密度高、循环周期长、无记忆效应、自放电率低等特点。但由于锂离子电池具有单节电压低的特点，通常需将多节电池串联，构成电池组使用。由于制造工艺的原因，单节电池的特性总存在差异，在充（放）电过程中容易出现部分电池过充（过放）的现象，严重影响电池的使用寿命，从而导致整个电池组使用寿命缩短几倍甚至十几倍。为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的电池保持在同样的电池荷电状态。因此，对于锂离子电池组构成的储能系统，需要使用能量均衡技术，平衡电池组中各单节电池荷电状态，充分发挥单节电池的性能，提高电池组使用容量，延长其使用寿命。本项目针对现有均衡技术速度慢、效率低、体积大、不易扩展等问题，以总线式结构能量均衡系统为对象，研究了带谐振电路的电场耦合式隔离均衡器，在软开关条件下分析了均衡器电路结构及其动态模型，获得了均衡器能效模型，为提高均衡器能量传输效率，减小系统体积，建立灵活、高效的能量转移路径提供了新的解决途径。根据对均衡器动态模型的分析，获得了均衡器软开关条件，可作为均衡器控制的控制约束。通过对均衡器功率开关不同时刻电流和电压曲线的分析，揭示均衡器能量传输过程的损耗机理；获得了不同谐振工作方式下，不同谐振参数、工作频率和输出功率条件下的能量损耗数据，对比分析了均衡器在有无谐振网络情况下的能效曲线。针对总线式电池组能量均衡系统结构，项目组研究了均衡系统的优化控制方法，提出了电池组关于能量和时间效率优化的动态均衡控制方案，从均衡效率和均衡速度两个方面，提高了电池均衡系统的综合性能。针对直流变换器输出电压调节，项目组提出了一种基于有限状态机的二阶滑模控制算法，对直流变换器输出电压进行调节，取得了近似最优的控制效果，该方法可以进一步拓展用于均衡器的控制。通过本项目的研究，不但获得了高效的能量均衡器，而且为电池均衡系统的均衡速度和效率的进一步提升奠定了基础。