大容量锂电池充放电控制系统的研究--《东北大学》2012年硕士论文
大容量锂电池充放电控制系统的研究
【摘要】：锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始使用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力,锂电池现在被广泛应用于电动车行业,特别是磷酸铁锂材料电池的出现,更推动了锂电池产业的发展和应用。
锂电池充放电控制系统是基于锂电池供电的电力系统的重要组成部分,作为整个系统中最先动作和为整个系统提供初始能量与控制电源的子系统,它的性能的优良对整个系统的影响是十分关键的。
为了提高系统的性能,本文对理电池的充放电和维护、功率电路的选择、控制板的设计以及控制策略的采用等诸多方面进行深入探讨和研究。尤其是对功率电路选择,为了大大提高系统的可靠性,降低功率半导体器件的电流应力和热应力,抑制输出电流纹波和降低输出滤波器的容量,本文制定了适合本系统的三相并联Buck/Boost双向功率变换器。通过使用平均状态空间法,对PWM型的DC/DC变换电路进行了数学建模及分析,提出了基于电流和电压的双闭环PID控制方案,并采用先进的交错技术,最后通过数学分析,仿真和实验等多种方法验证了交错并联技术的优点。实现了对大容量锂电池的充放电管理,最终的结果也显示了所设计系统的性能能满足整个系统的要求。
另外,针对具有强非线性、滞后和参数存在漂移的DC/DC变换器,本文还在双闭环PI算法的基础上对锂电池充放电控制系统的算法进行了优化,提出了基于电压控制的模糊-PI控制算法,该算法可以使得控制系统的控制精度得到大幅度提高,动态性能以及变换器系统对非线性扰动的自适应能力都能得到增强,最后通过计算机仿真验证了此控制策略的可行性。
【关键词】：
【学位授予单位】：东北大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TM912【目录】：
摘要5-6Abstract6-12第1章 绪论12-18 1.1 前言12 1.2 论文研究背景12 1.3 论文研究的背景及意义12-13 1.4 国内外研究现状及发展状况13-15 1.5 锂电池充放电控制系统的主要功能15-16 1.6 论文的主要工作16 1.7 本章小结16-18第2章 锂电池模型机理与充放电理论分析18-32 2.1 前言18 2.2 锂电池的类别及其化学特性18-21
2.2.1 锂离子电池(Lithium-Ion)18-21
2.2.2 锂聚合物电池(Lithium-Polymer)21 2.3 锂离子/锂聚合物电池的外特性21-26
2.3.1 电池电压22-24
2.3.2 充放电电流24-25
2.3.3 电池寿命25-26
2.3.4 过充、过放及过温现象26 2.4 锂电池传统充电方法的分析26-27 2.5 锂电池的快速充电方法的研究27-31
2.5.1 分级定流充电法28
2.5.2 脉冲式充电法28-30
2.5.3 变电流间歇充电法30
2.5.4 变电压间歇充电法30-31 2.6 本章小结31-32第3章 锂电池充放电控制系统主电路的研究及数学模型的建立32-52 3.1 前言32 3.2 DC/DC功率电路的拓扑结构的选择32-36
3.2.1 Buck/Boost双向功率变换器32-33
3.2.2 Cuk双向功率变换器33-34
3.2.3 三相Buck/Boost双向功率变换器34-36 3.3 锂电池充放电控制系统主电路工作流程分析(充电模式和放电模式)36-44
3.3.1 流程分析36-37
3.3.2 充电过程分析(Buck模式)37-41
3.3.3 放电过程分析(Boost模式)41-44 3.4 充放电控制系统主电路的建模44-51
3.4.1 状态空间平均法44
3.4.2 锂电池控制系统的DC/DC模型系统的工作原理44-47
3.4.3 锂电电充放电控制系统DC/DC变换器模型的建立47-51 3.5 本章小结51-52第4章 锂电池充放电控制系统的控制实现52-70 4.1 前言52 4.2 控制策略的选择52 4.3 PID控制算法52-54 4.4 锂电池充放电控制系统PID控制策略的实现54-63
4.4.1 Buck/Boost双向变换器电压环、电流环的设计54-62
4.4.2 Buck/Boost三重化双向DC/DC变换器控制方案62-63 4.5 锂电池充放电控制系统充放电仿真波形及分析63-69
4.5.1 锂电池充放电控制系统仿真结构框图63-65
4.5.2 锂电池充放电控制系统充电模式仿真波形图65-67
4.5.3 锂电池充放电控制系统放电模式仿真波形图67-69 4.6 小结69-70第5章 锂电池充放电控制系统的硬件实现70-86 5.1 前言70 5.2 TMS320LF2407A DSP简介70-71 5.3 最小系统模块设计71-76
5.3.1 电源设计71-72
5.3.2 复位电路设计72-73
5.3.3 锁相环设计73-74
5.3.4 存储器的设计74-76 5.4 A/D转换模块的设计76-79 5.5 PWM输出设计79-80 5.6 CAN总线通讯接口80-83
5.6.1 CAN总线基础简介80-81
5.6.2 TMS320LF2407A DSP的CAN控制器的硬件结构及设计81-83 5.7 SCI通讯模块的设计83-85 5.8 小结85-86第6章 锂电池充放电控制系统的优化86-94 6.1 前言86 6.2 模糊-PI控制算法86-87 6.3 锂电池充放电控制系统模糊-PI控制策略的实现87-91
6.3.1 确定模糊变量88
6.3.2 确定隶属度函数分布88-89
6.3.3 模糊规则库的设计89-90
6.3.4 模糊化和解模糊90-91
6.3.5 模糊控制器的实现91 6.4 模糊-PI控制的仿真实现91-93 6.5 本章小结93-94第7章 结束语94-96参考文献96-100致谢100-102攻读硕士期间发表的论文102
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当前位置：&>>&&>>&&>>&一种大电流放电锂离子电池的保护新方案
　　应用于无线电动工具、电动自行车、后备电源等领域的大电流放电锂离子快速增长的市场催生了对大电流（在30V直流电压下，保持电流在30A以上）电路保护器件的需求。
　　一种新型的MHP保护器件应运而生，该器件由一个双金属保护器及一个PPTC（聚合物正温度系数）器件并联而成。这种器件既能提供可复位的过电流保护保护功能，又可利用PPTC器件的低特性来抑制双金属保护器在大电流条件下动作时产生电弧。
　　1 传统解决方案与MHP器件
　　大电流电锂离子电池组应用需要稳定、可靠的电路保护；但是，目前可用的传统电路保护装置普遍较大、较复杂或价格较高。有些电路保护设计结合使用IC和或类似复杂方案；有些考虑在30A+工作电流的直流电应用中采用双金属保护器，但必须用很大的才能承受这么高的电流，结果导致保护装置体积过大。此外，由于触点之间产生电弧可能损坏触点，所以还必须限制动作次数。
　　相比之下，泰科开发的新型MHP综合器件可代替或减少某些复杂IC/FET电池保护设计中所用的放电FET及散热器件。将MHP器件用于高倍率放电锂离子电池组应用可减少空间占用，节约成本，提高保护性能。
　　2 工作原理
　　在正常状态下，由于双金属片的电阻低，电流通过双金属片流过。在异常情况下，比如电动工具转子闭锁时，电路中将产生很高的电流，导致双金属触点打开，其接触电阻为大电流放电锂离子电池应用提供可复位电路保护的新方案增加。此时电流将通过低电阻的PPTC流过。流过PPTC的电流，不仅抑制了触点之间电弧的产生，同时又加热双金属片，使其保持在打开状态和锁定位置。这种集成设计满足了大电流直流应用中具有电弧抑制功能的可复位过流保护器件的要求。
　　如图1所示，MHP器件的动作步骤包括：
　　a 在正常工作过程中，由于接触电阻非常低，所以大部分电流将通过双金属。
　　b 触点开始打开，接触电阻迅速上升。当接触电阻高于PPTC器件电阻时，大部分电流将分流至PPTC器件，流经触点的电流会很少或完全没有，从而防止触点之间产生电弧。当电流分流至PPTC器件时，其电阻迅速上升，并达到远远高于接触电阻的水平，使PPTC温度上升。
　　触点打开后，PPTC器件开始对双金属进行加热，让其保持打开状态，直到过电流条件消失或电源关闭为止。PPTC器件的电阻要远远低于陶瓷PTC器件电阻，也就是说即使触点只打开一小部分，接触电阻只是略有上升，电流也会被分流至PPTC器件，从而有效防止触点产生电弧。一般情况下，陶瓷PTC器件与聚合物PTC器件的电阻相差约10的两次方（x10^2）。所以，电阻较高的陶瓷PTC装置在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物PTC器件有效。
　　图2是显示双金属保护器与PPTC器件并联的电路图
　　3 结合使用双金属和PPTC的优势
　　图3和图4显示了只使用一个双金属保护器时的电流和电压情况。图3显示了双金属保护器在24VDC/20A额定条件下的典型打开情况，它在1.28毫秒后打开。图4显示了双金属保护器在两倍额定电压条件下的表现。一个标准的双金属保护器在故障条件产生电弧，从触点开始打开到出现短路的时间是334毫秒。
　　图5显示了并联使用PPTC器件和双金属保护器的结果――电流被切断。从双金属保护器开始动作起到PPTC器件被完全激活的时间是6.48毫秒。从保护器开始动作起到电流被切断的时间是4.80毫秒（见图5的右图）。
　　结合图5中的两幅图像，我们可以看到电流从双金属保护器向PPTC器件的平稳过渡，没有出现保护器触点熔合，我们还可看到PPTC器件如何帮助防止触点产生电弧。
　　4 MHP器件优势
　　接下来的部分描述了MHP器件相对于常用电路保护器件而言所具有的优势。
　　4.1 触点小，电阻低
　　典型的双金属保护器上通常只有一个触点，所以其耐压能力并不强。对于设计，较高的电流所需的触点尺寸也会很大。为解决该问题，MHP器件采用“双闭合/双断开”触点设计，从而大大缩小了装置尺寸（见图6）。
&&&&& 该技术相对于常用双金属保护器而言具有以下几点优势：
　　a 由于电流路径极短，所以器件的电阻非常低；
　　b 只有接触点才会产生热量，从而可以通过热控制器件实施准确的热激活；
　　c 它使MHP器件相对于额定参数相当的其他断路装置而言可以更加紧凑。
　　图6:用于综合MHP器件的双闭合/双断开触点设计为方便比较，图7显示了标准的双金属触点。
　　从图7可以看出，触点仅位于一个位置上，所以它的耐压能力不如MHP器件。
　　4.2 提高耐冲击/耐振动能力
　　图8显示了MHP器件的具体设计优势，这种设计使MHP器件能提供更长的使用寿命，能承受较大的振动和冲击，可用于高电流应用的苛刻工作环境。
　　典型的电动工具在使用时通常会承受较大的振动和冲击。
　　为达到此类要求，MHP器件的触点之间需要足够的接触压力。标准的保护装置通常通过强力弹簧让移动接触臂与固定触点保持接触。但是，在较大的冲击或振动条件下，弹簧（即使是强力弹簧）产生的压力通常达不到保持触点接触所需的压力。
　　倒钩（确保振动和冲击条件下的稳定接触）为解决这一问题，MHP器件将设计重点放在双金属盘上，因为没有热触点的双金属盘有足够的强度保持稳定。此外，我们还给移动接触臂增加了一个倒钩，以增加双金属盘提供的接触压力。移动接触臂通过装置另一侧的插销固定。在接触点上增加一个倒钩可减少移动臂的转动，在两个触点上产生更大的向下压力。MHP器件经过了1000次冲击和1500次掉落测试，未出现故障；此外还通过了三次3000克冲击测试。
　　4.3 跳闸周期测试
　　图9显示了MHP器件的电阻/温度曲线。器件的打开和闭合温度可通过选择具有不同打开和闭合温度的双金属进行定制。
　　图10显示了MHP30器件如何通过500多个跳闸周期测试。
图10:DC36V/（额定）条件下的周期寿命
　　图11显示了器件电阻的耐振动/冲击能力，器件在1500克的振动/冲击条件下进行了1000个周期的振动/冲击测试。沿触点打开方向对器件应用冲击或振动力后，器件设计始终能保持接触，证明该设计能承受较大的冲击/振动。
　　图12显示了一个条件为“1500克冲击/1000个周期”的测试，器件的电流负荷为1安。该测试的冲击或振动方向与图11一样，即沿触点打开方向。从图12中我们可以看出，器件在1500克冲击/振动条件下没有出现电源被切断的情况。图13显示了一个条件为“3000克冲击/3个周期”的测试，装置电流负荷为1安；冲击/振动方向与图12一样。从图13可以看出，在该测试条件下也没有出现电流被切断的情况。
　　掉落测试结果：
　　1,500gx1,000个周期/无负荷无电阻变化
　　1,500gx1,000个周期/1A负荷无电流切断
　　3,000gx3个周期/1A负荷无电流切断
　　4.4 减少占用空间，节约成本
　　与常用电路保护装置相比，将MHP器件用于无线电动工具电池组可减少占用空间，节约成本（见图14a和14b）。MHP器件可用一个价格较低的N通道FET代替两个价格较高的P通道FET（仅用于充电控制）。另一个节约成本的潜在方法是将IC移动到应用的系统（工具）侧，用MHP器件在电池组中提供过度放电保护/短路保护，以达到以后可能出台的电动工具应用法规要求。
　　5 MHP器件规格
　　表1列出了MHP30器件的规格。MHP30器件的最大额定值为36VDC/100A，在100A（@25°C）条件下的跳闸时间为5秒。该装置的工作电流为30A，初始电阻不到2mohm，低于常见双金属保护器的初始电阻（通常为3-4mohm）。
表1: MHP30 参考值
　　MHP30在50A条件下的跳闸时间为25秒+/-5秒。该跳闸时间长短刚好，它既可防止电池组因过度放电而出现过热条件，又不会因频繁跳闸给电动工具操作员带来不便。
　　在100A条件下的跳闸时间是在异常条件下（比如电动工具转子卡住）为电池组提供保护的最关键参数。在这种情况下，跳闸时间不应长于5秒，恢复时间（向工具重新供电所需的时间）不应长于30秒――该时间也是既能方便用户，又能防止电池过热的最佳选择。
　　图15显示了MHP器件的形状和大小。该MHP器件的额定工作电流为30A，同等大小的常用双金属保护器的额定电流只有15A。此外，器件的一侧为扁角，适合安装在电池组的标准18毫米直径锂电池单元之间。
　　6 结论
　　外形紧凑，安装方便的MHP30器件利用PPTC器件的低电阻抑制高电流电弧放电，能在超过30VDC的额定条件下提供30A+工作电流。MHP器件能在苛刻条件下提供可复位电路保护，为电池组设计者和生产商提供了一种优化空间，节约成本，达到未来电池安全要求的有效方法。
　　MHP器件技术可通过配置用于各种应用，目前正在开发适用于更高电压（最高可达400VDC）和工作电流（60A）的装置。下一步设计考虑包括用于无线电动工具、电动自行车、电动速可达、轻型电动汽车、备用电源应用及非电池应用（比如电机保护）的锂电池组电池保护。
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电池容量的影响因素及计量方案
移动电话问世后，可充电电池及其相关的电量指示已成为我们信息社会的一个组成部分。对我们而言，它们就像在过去100年里发挥着重要作用的汽车燃料指示器一样重要，唯一不同的是：司机不能容忍的是不准确的燃料指示，而手机用户则希望得到高精度、高分辨率的电量指示器。本文引用地址：在解决了诸多技术问题后，直到1997年锂离子电池才开始大批量生产。因为可以提供最高的能量密度(体积密度和重量密度)，它们被广泛用于从移动电话到电动汽车的各种系统。锂电池具有一些影响电量的关键特性，电池组必须包含各种安全机制，以防止电池过充电、深度放电或反向连接。由于锂元素非常活跃，有潜在的爆炸危险，因此锂电池不可暴露于高温环境。锂离子电池的阳极由碳化物组成，阴极由金属氧化物组成，并且采用对晶格破坏最小的方式添加锂，这个过程被称为植入。金属锂会与水发生强烈的反应，因此锂电池采用非液态的有机锂盐作为电解质。对锂电池充电时，锂原子在阴极离子化，并通过电解质传递至阳极。电池最重要的参数(除了电压之外)是容量，单位为毫安时(mAh)，其定义是电池可提供的最大电量。制造商定义的容量为电池在特定放电条件下的值，但是电池出厂后，容量会发生变化。与电池温度有关(图1)，最上方的曲线显示了锂电池在不同温度下恒流恒压充电的过程。从该曲线可以看出，与-20℃下的充电数据相比，电池在较高温度下大约可以多充入20%的电量。图1下方的两条曲线表示，电池放电时受温度的影响更大，这些曲线显示了一个完全充满的电池在两种不同放电电流下放电到截止点2.5V时的剩余电量，从这两条曲线可以看出电池剩余容量与放电电流、温度有关。在给定温度和放电速率下，所能获得的锂是最上方曲线与下方对应曲线的差值。因此，在低温或大电流放电时，锂电池所能提供的容量将大幅减少。在低温或大电流放电时，电池剩余电量较大，能够在相同温度下以较小的电流放电。由于电解质中混有杂质，电池内部存在不期望的化学反应，造成电量损失。常见的电池类型在室温下的典型自放电率见表1。化学反应的速度受温度影响，因此自放电与温度有关。对于不同类型的电池，自放电可以用一个并联电阻消耗漏电流进行建模。电池容量随着充放电次数的增加而减少，这种变化被量化为工作寿命，即一个电池在其容量降至初始容量80%之前的充、放电次数。典型锂电池的工作寿命为
300次~500次充/放电次数。锂电池寿命还受时间的影响，无论使用与否，其容量在出厂后即开始逐渐下降。25℃时，这种效应可以导致一个完全充满的电池每年损失20%的电量;40℃时损失35%。对于没有完全充满电的电池，这种老化过程较为缓慢：25℃时，残余有40%电量的电池每年损失大约4%的电量。电池的数据手册规定了特定条件下的放电特征曲线，其中一个影响电池电压的因素是负载电流。但是，负载电流无法通过一个简单的源电阻建模，因为该电阻取决于其它参数，例如电池老化程度和电量水平。与原电池相比，可充电锂电池表现出非常平坦的放电曲线。系统开发人员比较青睐这一特性，因为电池所提供的电压大致不变。然而，随着电池的放电，电池电压几乎与剩余电量没有关联。简单不等于&捷径&为了确定电池的可用电量，首先要求使用简单的检测方法，检测电路仅消耗微量功耗，允许用户从电池电压推算出电量水平(理想化)。然而，由于电压与电量之间不存在明确的关系，因此检测电池电压所能提供的结果并不可靠。另外，电池电压还依赖于温度以及动态释放效应(降低负载电流时会使端电压轻微回升)。因此，单纯的电压检测方案很难保证电量监测精度高于25%。电量的相对水平，通常称为充电状态(SOC)，是指剩余电量与电池容量的比。该参数的确定需要监测流入、流出的电荷量
一种所谓的&库仑计&法。实际的库仑计是通过对流入、流出电池的电流进行累计计算实现的。用高分辨率ADC测量该电流时，通常需要使用一个小电阻与电池阳极串联。由于无法确定电池SOC与上文提到的一些参数之间的函数关系，电池容量还要依靠经验确定。目前还没有详尽的分析模型(具有足够精度)用于计算特定工作条件下(例如温度、充电次数、电流等)的容量。理论模型仅适用于确定条件，为了得到相对充电水平，这些模型用于特定条件并进行整体校准。为了达到足够高的电量计量精度，必须不断地对模型参数进行校准
&& 采用所谓的电量&学习&方式，配合库仑计，这种方法可以使电量计量精度达到几个百分点以内。
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