1. 研究目的与意义（文献综述）

第一章 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1 研究背景和意义

当今社会，道路上的汽车主要是使用化石燃料作为动力源、内燃机作为发动机。然而，使用化石燃料会造成一些环境问题，而且未来将会有能源短缺的风险。这都揭示了发展纯电动汽车的必要性。电动汽车的发展对于中国达到对国外汽车行业弯道超车、改变能源的发展与利用的结构、减少雾霾天气出现的次数的目标有极其重要的意义^[1]。电动汽车的工作是基于储存在电池组中的电能，而这个电能的最终来源是发电厂。此外，在电动汽车中应用的再生制动系统有助于减少电能浪费。在车辆的制动过程中，再生制动系统会吸收能量，并将其转化为电能反送给电池组。电动汽车的一个重要特点是电能会被高效的用于电动机和电动汽车的其他的基本系统。电动汽车被归类为一个具有高发动机效率，零尾气污染，无燃料蒸发的系统。这都使电动汽车作为“零排放车辆”而被人们所熟知。

现今已经有许多科研人员在努力寻找开发可以为电动汽车提供较高能量存储容量的电池组。目前，因为锂离子电池相比于其他电池有独特的特性和更好的性能，它在电动汽车中被广泛使用，成为一种比较著名的电池。锂离子电池具有较高的能量和功率密度、高容量、无记忆效应、长生命周期、较低的自放电、受温度影响小的特点。同时锂离子电池具有较为平坦的放电曲线，在整个放电周期中，它都可以为用电的设备提供稳定的功率^[2]。下表是几种常见锂离子电池的性能参数对比。

表1.1 常见锂离子电池性能参数对比

从表1.1可以看出，磷酸铁锂电池循环寿命高达上千次，具有较好的安全性，而且能够大电流放电，因而在各种锂电池中，磷酸锂铁电池有较好的发展前景。故本文所选择研究的锂离子电池为磷酸锂铁电池。

除了关注锂离子电池的优点外，我们也应该注意到它本身具有的一些问题。由于生产工艺的限制，锂离子电池单体之间存在着内阻、容量和电压的不一致性，甚至是同一个生产线生产的同一批次的锂离子电池单体的不一致性也会随着循环次数的增加而增加。在为电动汽车等大功率设备供电时，需要将锂离子电池串并为电池组，这个时候电池不一致性将表现得更为明显。电池单体在电池组运行一段时间之后出现单体过放、单体过冲、过流以及温度过高等问题，这会严重影响电池组的正常工作，甚至使电池组报废^[3]。过充电的电池其有爆炸的危险，充电不足的电池最终会降低电池的寿命周期，串联电池组的不均衡充电会逐渐减少总的电池容量。为了增强电池组的性能、寿命周期和安全性，电池组中的各个电池单体需要被控制保持一致的荷电状态（SOC）。而为了实现这个目标，具有电池均衡充电控制的电池管理系统至关重要。

电池管理系统(BMS Battery Management System)的主要功能是保障电池组的安全、高效、可靠的运行、检测电池组的外部参数、均衡充电的控制、热管理、故障报警、与外部设备的通信、电池状态的实时显示、对荷电状态(SOC)和健康状态(SOH，State of Health)进行估计等^[4]。在对电池管理系统的研究进程中，逐渐形成了四个方面的研究：估算剩余电量的方法、设计测量电路、设计充电的方式、管理系统的功能的扩展^[5]。

在各种电池均衡管理技术中，被动均衡管理技术由于其控制简单在某些对能耗和散热要求不高的场合得到了较为广泛的应用。但在能源利用效率以及产热量方面，主动均衡充电管理技术均有明显的优势，因此本设计对主动充电均衡技术进行了研究。

1.2 磷酸铁锂电池的基本信息

1.2.1 电池容量

电池容量即电池的蓄电能力，通常用充满电的磷酸锂铁电池在规定放电条件下被放电至放电终止电压时所放出的总电量来衡量。电池容量的单位为安时（Ah）^[6]。

如果恒流放电，那么电池放电电流乘以放电时间即为电池容量。如式1.1。

(1.1)

其中为电池容量，为放电电流，为放电时间。

当放电电流是随时间变化的，那么需用通过积分来计算电池容量：

(1.2)

其中，为放电电流，为放电时间。

1.2.2 电池荷电状态（SOC）

电池的剩余电量用SOC来衡量，SOC被定义为剩余电量占电池总容量的百分比：

(1.3)

其中，为电池的剩余容量，为电池能释放出的总容量。

若将电池已经释放出的容量定义为Q，那么式（1.3）可用下式表示：

(1.4)

1.2.3 电池放电深度 （DOD）

与电池荷电状态相对应，电池放出的容量占电池总容量的百分比为电池放电深度（DOD）。

（1.5）

其中，Q是电池放出的容量，是电池的总容量。

1.3 电池的不均衡原因及解决办法

1.3.1 电池的不均衡原因

电池的不一致性主要表现在内阻、电压、容量和自放电率等方面的不一致。其中电池内阻是由极化内阻和欧姆内阻构成，电极的表面积、电解质的导电率、电机孔隙率、离子的迁移性以及二次反应会对极化内阻产生影响，而欧姆内阻则主要是受到电池材料本身特性的影响。内阻越小，则电池的充电和放电的能力相对越强。

对电池不一致性产生影响的影响因素是多方面的，电池的内阻大小、自放电率、放电电流大小、环境温度、电池充放电次数等都属于影响因素^[7]。

1. 温度

随着温度的升高，电池内部的化学反应会加剧，更多的化学能会转化为电能，即电池容量会增加。当温度降低时，电池容量则会减少。

2. 电池的内阻

在使用电池的过程中，欧姆内阻不会变化太多，但浓度的改变会使电池内部的化学反应发生很大的变化，进而影响电池的极化内阻。

3. 电池的自放电率

电池处于静置状态时，电池内部的杂质仍会发生化学反应，消耗电极材料，进而造成电池容量的损失。这种现象发生的速率即为自放电率。电池的种类以及温度均会对自放电率造成影响。

4. 放电电流

电池的放电电流不同会引起电池在放电过程中释放的电量的差异，进而引起电池容量的不一致。

5.充放电循环次数

随着充放电循环次数的增加，电池内部的活性物质被消耗，活跃度降低，这会使电池容量减少，引起电池容量的不一致。

1.3.2 电池不均衡造成的影响

所追求的理想充放电状态是充电时使所有电池都能达到过压临界状态，放电时使所有电池都能统一放电到欠压临界状态，以最大程度的利用电池组中的每个电池。

如果在充电过程中发生电池不均衡现象，会造成以下的影响：

（1）电池过充电

在电池组充电的过程中，受到电池不一致性的影响，电池组内会有电池单体在其他电池单体还未充满电时进入过充电状态。当锂离子电池进入过充电状态时，锂离子会因为过量嵌入而被永久固定于晶格中，引起电池寿命缩短^[8]。

（2）电池过放电

在电池放电的后期，电池组中的各个电池单体的电压分布十分复杂，较小容量的电池单体的电压跌落现象会被其他电压降低不是很明显的电池单体掩盖，然而此时这个较小容量的电池单体可能已经进入过放电状态。锂离子电池过放电会引起锂离子过量脱嵌，导致晶格崩塌，电池寿命减少。

（3）可用容量减少

为了防止过充电和过放电现象的发生，电池组在充电过程中当某个电池单体达到过压临界电压后就需要停止充电，导致其他电池单体均未充满，无法充分发挥整个电池组的储能能力。同理，电池组在放电过程中当某个电池单体达到欠压临界电压时就要停止对外供电，而此时其他电池单体中还有电能未释放出来，导致电池可用容量减少。

1.3.3 电池不均衡现象的解决办法

电池不均衡现象主要可以通过以下三个方面来解决：1.从源头进行改进，提高电池生产技术，使电池单体在出厂前的差异最小化；2.电池组的电池单体应该选择同一生产厂商在同一时间生产的同一批次的电池，以尽可能保证各个电池单体的性能指标一致；3.采用高效的电池管理系统以减少电池组工作过程中各电池单体的不一致性。

本设计即是对第三个方面进行研究，力求设计出高效的电池均衡充电电路。

1.4 电池均衡的判断标准

目前主要被用作电池均衡判断的标准主要有电池容量、电池的荷电状态（SOC）、电池电压等。表1.2是对这三种标准的优缺点的对比。

表1.2 均衡判断标准的优缺点对比

本设计的均衡目标是小容量锂离子电池组，均衡电流不大，由上表可知，采用电池电压作为均衡标准相对来说更加经济高效。

1.5 锂离子电池均衡技术研究现状

1.5.1 能量耗散型均衡

能量耗散型均衡主要利用并联在电池组中各个单体电池上的分流电阻进行放电来实现的，容量较高的单体电池借由并联在其两端的分流电阻放电，从而消耗容量较高单体电池的能量，直至所有单体电池的容量达到同一水平，从而实现锂离子电池的均衡。如图1.1所示，

主要有两种类型：第一种是直接在每个电池单体上都并联一个固定的较大阻值的分流电阻，电池充电过程中，电压较高的电池的分流电阻上流过的电流更大，消耗更多能量，从而消除各个单体电池间的不均衡。这种均衡方法实现方便，且十分可靠，但是不管电池组工作在什么状态，分流电阻均有电流流过，造成能量消耗。故一般仅在有高可靠性要求且能量充足的场合使用该方法。第二种在第一种的基础上给每个分流电阻加了一个开关来控制其是否接入，仅在电池单体到达过压临界状态时才将其接入，而不是始终使分流电阻工作，减小了消耗。

能量耗散式均衡方法的优点是结构较为简单，也比较容易控制。缺点是在均衡过程中会产生大量热量，造成能量浪费同时增加散热成本。

（a）固定电阻均衡放电 （b）开关电阻均衡放电

图1.1 分流电阻放电均衡

1.5.2 电容式均衡

（1）开关电容法均衡

如图1.2所示，一个电池组含有n节单体电池，若采用开关电容法均衡，则需要n-1个电容和2n个开关。以电池组中电池单体B1和B2端电压不一致为例，通过控制开关先将电容C1与电池单体B1并联，经过一段时间的充放电后电容C1与电池单体B1的电压达到一致。再经过一段死区时间后，控制开关使电容C1与电池单体B2并联，C1会对B2进行充放电直至电压相同。如此重复几个周期后电池单体B1和B2的端电压将达到一致。死区时间 td的大小由决定。其中，ton(d)、tr分别为开关 S 的开通延迟和上升延迟时间，toff(d)、tf分别为开关S 的关断延时和下降延时时间。

（2）飞渡电容法均衡

一个电池组含有n节单体电池，若采用飞渡电容法均衡，则只需要一个电容和n 5个开关。其基本均衡原理与开关电容法相似，只是它仅需要一个电容，需要控制器判断出电池组中容量最高和最低的电池单体，再控制相应开关的通断分别先后将这两个电池单体接到电容上，实现电池能量的流动，达到均衡。但这个方法仅在超级电容器组中得以应用，在锂离子电池组用的应用较少。

（3）双层电容法均衡

一个电池组含有n节单体电池，若采用双层电容法均衡，则需要n个电容和2n个开关。该方法是在开关电容法的基础上增加了外层的开关电容，从而使得非相邻电池单体间也可以流通能量，从而提高均衡速度。

图1.2 开关电容法均衡

1.5.3电感式均衡

（1）开关电感法均衡

如图1.3所示，一个电池组含有n节单体电池，若采用双层电容法均衡，则需要n-1个电容和2（n-1）个开关。若电池单体B1的容量高于电池单体B2，则控制器发出相应的PWM信号控制开关S1开通，将电感L1并联在电池单体B1两端，于是B1给L1充电；S1导通时间结束后关断，再经过一段死区时间后，控制器发出相应PWM信号驱动开关S2导通，电感L1向电池单体B2放电。在死区时间内，电感L1通过开关管S2反并联的二极管续流。类似的任何两相邻电池单体间的不均衡均可通过这个过程的重复进行得到均衡。

（2）双层开关电感法均衡

在开关电感法的基础上，再加上一层外层电感，即把两个相邻的电池单体当做一组，以同样的原理再加上一系列电感及开关电路。这种方法使得非相邻单体间也可以进行能量交换，提高了均衡速度，但控制电路会变复杂很多。

图1.3 开关电感法均衡

1.5.4 多输出变压器式均衡

通过变压器实现电池单体间的能量的转移，均衡速度较快，且可构成多种电路形式，但是变压器的二次绕组的一致性难以实现，同时变压器的安装相对来说比较困难且成本较高。主要的实现方法有反激式和正激式电路两种。

如图1.4所示，在反激式电路中，当控制主开关S1导通后，变压器的励磁电感以电磁能的形式存储能量，在S1关断后，大部分能量通过变压器二次绕组转移到较低电压的电池单体里面，从而实现均衡^[9]。该方法需要防止变压器发生磁饱和，因此需要限制主开关的占空比。

如图1.5所示，在正激式电路中，当需要均衡时，控制端电压最高的电池单体的相应开关管导通，能量通过变压器转移到其他电池单体中，相当于这个电压最高的电池单体向整个电池组充电，实现均衡。该电路存在的主要问题是变压器中存在的剩磁需要附加绕组来进行处理。

图1.4 反激式均衡

图1.5 正激式均衡

多输出变压器式均衡电路均衡速度较快，但都有漏感问题以及输出绕组匹配困难问题，可靠性难以得到保障。

1.5.5 DC-DC变换器分布式均衡

DC-DC变换器的功能是将某一电压值的直流电压变为另一电压值的直流电压，并且控制功率流动。而DC-DC变换器分布式均衡的均衡管理就是利用封装好的DC-DC变换器模块来实现的，即减小了体积又提高了稳定性，如图1.6所示。

图1.6 DC-DC变换器式分布式均衡

2. 研究的基本内容与方案

第二章 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

锂离子电池的成组应用是目前新能源发展的一个重要方向,但在此应用中电池的不一致性问题是阻碍其推广的一大难题,解决锂离子电池不一致性的主动均衡管理技术是电池管理系统研究的重点内容之一。本文将通过对二次锂离子电池的均衡管理进行研究，设计一种可用于多节串联锂离子电池主动均衡的电路，包括对均衡策略的选择，均衡方法的选择，以及均衡硬件电路拓扑和软件的设计与实现，最后再进行均衡实现方案的建模仿真以及实验验证，最终实现对串联锂离子电池组的均衡控制和管理，从而达到保证电池使用安全、提高电池使用效率以及延长电池使用寿命的目的。

3. 研究计划与安排

第三章 进度安排

第1~2周：按照毕业设计任务书及要求，查阅国内外研究现状等文献；

4. 参考文献（12篇以上）

第四章 参考文献

[1]. 邱斌斌.磷酸铁锂电池组均衡充电及保护研究[d].重庆：重庆大学.2013年