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作者：

刘辉

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摘要：

为了延长锂离子电池组整体的使用寿命,减小过充过放电问题,在锂离子电池组使用的过程中需要对电池组进行均衡管理.基于双向Cuk变换器的总线式均衡电路,能够实现一对多,多对一和多对多的能量传输,均衡速率高,能量损耗少,且易于模块化,是近年来提出的新型均衡电路结构.总线式均衡电路具有多参数耦合,非线性等特点,使得均衡系统的建模控制难度较大.论文介绍了电池均衡技术研究的意义以及国内外的研究现状,对比分析了现有的均衡电路结构和均衡控制算法,提出一种基于模型预测控制(MPC)的双闭环控制策略对总线式均衡系统进行控制,外环控制器采用MPC,求解各个单节电池的均衡电流设定值,内环控制器使用PI控制器,实现均衡电流和总线电压的快速有效控制.主要工作如下:(1)研究了总线式均衡电路的工作原理,结合锂离子电池的充放电特性以及变换器的输入输出特性,建立了总线式均衡电路中能量转移的状态空间模型,给出了模型中变量的约束条件.(2)基于建立的状态空间模型,得到总线式均衡系统的预测状态.根据预测状态建立描述均衡过程损耗的目标函数,将求解最优均衡电流设定值的预测问题转化为非线性规划问题,并将均衡速度考虑进目标函数,通过近似分析进一步将均衡电流设定值的求解转化为线性规划问题.(3)研究了总线式均衡电路中总线电压以及均衡电流控制的原理.分别针对总线电压控制以及均衡电流控制,建立了均衡器的小信号模型.依据小信号模型分别设计了总线电压以及均衡电流PI控制器,实现了总线电压以及电流的快速无静差控制.分析了总线电压控制与均衡电流控制的相互影响.(4)设计了基于Matlab GUI的均衡系统样机.样机采用上下位机的结构形式,上位机实现MPC运算,下位机实现均衡电流和总线电压的实时控制.使用均衡系统样机分别进行了总线电压控制实验,均衡电流控制实验,能量转移控制实验,系统优化控制实验.实验结果验证了论文所设计的双闭环控制策略能够对基于双向Cuk变换器的总线式均衡电路进行快速有效的均衡控制.

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