475 浏览面向通信领域的动力电池梯次利用电源系统建模与控制研究
摘要：发展电动汽车是提高汽车产业竞争力、保障能源安全和发展低碳经济的重要途径,已成为各国能源产业的中远期战略规划之一。然而电动汽车的快速发展导致动力电池使用数量急剧增加,当动力电池容量衰减20%-30%时,将从车上退役,退役的动力电池可在其他领域进行梯次利用。退役动力电池梯次利用前需经过测试、分类和重组。目前针对退役动力电池的梯次利用主要集中在风力、光伏发电以及储能领域,而应用在通信系统领域较少。用于通信领域动力电池梯次利用的电源系统面临以下问题:（1）同类别退役动力电池组直接并联使用,可能导致并联瞬间电流过大,进而烧坏电池组接触器;（2）不同类别电池组经四开关Buck-Boost（Four Switches Buck Boost,FSBB）变换器并联至母线,需设计使变换器高效运行的控制方法;（3）电源系统中前后级变换器级联,易因输入输出阻抗不匹配导致系统失稳。针对上述问题,本文开展的研究内容如下:论文研究了同类别动力电池组直接并联使用时瞬间电流过大问题,采用了基于串联负温度系数热敏（Negative Temperature Coefficient,NTC）电阻的抑制方法。通过混合脉冲实验得到电池电压数据,利用数据拟合方法辨识电池单体内部参数,从而建立电池单体模型,并比较模型仿真数据和实验实测数据验证电池单体模型的正确性。采用在两电池组间串联NTC电阻方法,以解决电池组并联瞬间电流过大问题。建立NTC电阻模型,结合电池组模型进行电池并联仿真,利用仿真结果分析最大并联电流,从而确定NTC电阻阻值,并通过实验验证该方法的有效性。论文研究了FSBB变换器升降压工作模式下的调制方式,提出了基于电感电流有效值最小的混合模式控制策略。分析了FSBB变换器升降压工作方式下不同调制策略的工作原理及软开关实现方法,推导了四模态下四种调制方式的电感电流有效值和输出电流。利用广义Lagrange函数法优化四模态下不同调制方式的电感电流,以获取输出电流相同时电感电流有效值最小的最优调制方式。研究了最优调制方式下电感值对最大输出电流的影响,同时确定了电感参数设计方法。根据优化结果得到一种混合模式的控制策略,实现了全负载范围内四个开关管的软开关,并使电感电流有效值达到最小。论文研究了电源系统中级联变换器因阻抗不匹配导致的稳定性问题,提出了基于并联虚拟电阻的稳定控制方法。通过状态空间平均法建立大信号模型,以分析级联系统的开环稳定性,据此确定能在全负载范围内稳定的并联电阻参数范围;分析了并联虚拟电阻对级联系统源变换器闭环输出阻抗的影响,研究了并联虚拟电阻的有源控制实现方法。利用Lyapunov间接法得到该控制策略的稳定性判据,进而选择可满足整个系统稳定的并联虚拟电阻参数。最后利用仿真和实验验证并联虚拟电阻方法的有效性。
关键词：动力电池梯次利用
文章目录
中文摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 梯次利用电池并联使用研究现状
1.2.2 电源系统中四开关Buck-Boost变换器的研究现状
1.2.3 电源系统中级联变换器稳定性控制研究现状
1.3 本文主要研究内容
2 电源系统中电池组并联瞬间电流抑制方法
2.1 引言
2.2 电池性能参数及常见电池模型
2.2.1 电池性能参数
2.2.2 常见电池模型
2.2.3 模型参数辨识与模型验证
2.3 电池组并联瞬间电流抑制方法
2.3.1 NTC电阻模型
2.3.2 电池组并联仿真
2.3.3 最大并联电流分析
2.3.4 电池并联对比实验
2.4 本章小结
3 电源系统中FSBB变换器的优化与控制
3.1 引言
3.2 FSBB变换器的工作原理及软开关实现
3.2.1 FSBB变换器的调制方式分析
3.2.2 FSBB变换器的软开关实现
3.3 四模态模式下四调制方式的电感电流分析和优化
3.3.1 四种调制方式的电感电流推导
3.3.2 四种调制方式的优化
3.3.3 电感L值选择
3.4 FSBB变换器的建模与优化控制
3.4.1 变换器小信号建模
3.4.2 混合模式控制实现
3.5 本章小结
4 电源系统中级联变换器的稳定控制方法
4.1 引言
4.2 级联系统中后级变换器的闭环阻抗特性
4.3 基于并联虚拟电阻的稳定控制方法
4.3.1 并联虚拟电阻对级联系统开环稳定性影响
4.3.2 并联虚拟电阻对级联系统闭环稳定性的影响
4.3.3 并联电阻R_V有源阻尼控制实现
4.3.4 并联电阻R_V有源阻尼控制稳定性分析
4.4 仿真与实验验证
4.4.1 有源阻尼控制仿真验证
4.4.2 有源阻尼控制实验验证
4.5 本章小结
5 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
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