摘 要

为应对能源资源消耗浪费和污染急剧增加的情况，电动汽车开始出现并有代替一部分传统燃油型汽车的趋势。电动汽车的动力来源——动力电池这一研究方向和内容对电动汽车日后的发展进步，解决现有的问题提供了重要价值。

动力电池中锂离子电池（以磷酸铁锂电池为例）相比之下有较好的应用前景，但其存在的单体电池电压低等问题使得单体电池需要构成电池组才能发挥其最佳效益。伴随着电池组产生的电池不一致性的问题亟需将均衡技术引入电池管理系统中以提高其续航能力。因此，本文在介绍和概述了关于电动汽车、动力电池等内容的基础上，提出一种改进电感式均衡电路，并用以电池荷电状态SOC为均衡控制指标的模糊控制器作为整体均衡系统的均衡模块，设计了一个主动均衡系统。主要的研究内容如下所述：

从电动汽车的基本知识着手分析得出其动力电池的性能要求，并比较三种典型的动力电池以突出锂离子电池较好的性能参数和应用前景。介绍了锂离子电池的定义、内部结构和工作原理等基本内容，并对电池的SOC做出定义。

选择单体电池的模型为Thevenin等效模型，通过离线辨识模型中元件参数并通过实验证明模型的准确性，同时在此基础上选择扩展卡尔曼滤波算法来进行电池SOC估算。

对比研究了现有典型的均衡电路拓扑结构，选择电感式主动均衡电路并稍作改进以作为均衡模块的电路拓扑框架，对比分析后确定模糊控制算法和SOC最优的控制指标设计以SOC方差与极差为模糊算法的输入量的均衡模糊控制器，，并利用Matlab/Simulink软件仿真验证。

最后将主动均衡系统分成不同功能的子模块进行硬件设计和软件设计，搭建出一个能达到预期均衡效果和速度的主动均衡效果，解决电池组中各个电池存在差异性的问题，完成了理论上系统的研究。

关键词：锂离子电池；不一致性；Thevenin模型；模糊控制器；主动均衡系统

Abstract

To solve the waste of energy resources and the sharp increase in pollution, electric vehicles are beginning to emerge and have a tendency to replace some of the traditional fuel-type vehicles. The power source of electric vehicles - the research direction and content of power batteries provide important value for the future development of electric vehicles and solving existing problems.

Lithium-ion batteries in power batteries (taking lithium iron phosphate batteries as an example) have a better application prospect, but the problems of low voltage of single cells make it necessary for some batteries forming into a battery pack to get better effects. With the problem of battery inconsistency generated by the battery pack, it is necessary to introduce equalization technology into the battery management system to improve its endurance. Therefore, this paper proposes an improved inductive equalization circuit, uses the fuzzy controller of battery state of charge as the equilibrium control index as the equilibrium module of the overall equalization system, and designed an active equalization system, based on the introduction and overview of electric vehicle and power battery, etc. The main research contents are as follows:

From the basic knowledge of electric vehicles, the performance requirements of power batteries are analyzed, and three typical power batteries are compared to highlight the better performance parameters and application prospects of lithium-ion batteries. The basic contents of the definition, internal structure and working principle of the lithium ion battery are introduced, and the SOC of the battery is defined.

The model of single cell is selected as Thevenin equivalent model. The component parameters in the model are identified offline and the accuracy of the model is proved by experiments. At this time, the extended Kalman filter algorithm is selected to carry out the battery. SOC estimate.

The existing typical equalization circuit topology is compared and the inductive active equalization circuit is selected and improved slightly as the circuit topology framework of the equalization module. After comparison and analysis, the fuzzy control algorithm and SOC optimal control index design are determined by SOC variance. The range is the fuzzy controller of the input of the fuzzy algorithm, and it is verified by Matlab/Simulink software.

Finally, the active equalization system is divided into sub-modules with different functions for hardware design and software design, and an active equalization effect that can achieve the desired equalization effect and speed is established, and the problem of the difference of each battery in the battery pack is solved. And then the research of theoretical system is completed.

Key words: lithium ion battery; inconsistency; Thevenin model; fuzzy controller; active equalization system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.1.1电动汽车特点及类别 1

1.1.2电动汽车电池性能要求 2

1.1.3课题来源 2

1.2均衡技术的研究现状 3

1.2.1均衡方式概述 3

1.2.2均衡策略现状概述 4

1.3课题研究目的意义 5

1.4本文研究内容和章节安排 5

第2章 锂离子电池基本特性与电池的不一致性 7

2.1动力电池概述 7

2.2锂离子电池基本特性 8

2.2.1锂离子电池定义及构成 8

2.2.2磷酸铁锂电池工作原理 8

2.2.3磷酸铁锂电池主要性能及在电动汽车中的应用 9

2.3锂离子电池组的不一致性 9

2.3.1电池组不一致性的定义及原因 9

2.3.2不一致性的解决方法 10

第3章 锂离子电池模型与SOC估计 11

3.1电池SOC定义 11

3.2磷酸铁锂电池模型 12

3.2.1锂离子电池模型的选择 12

3.2.2 Thevenin模型简要分析 13

3.3锂离子电池模型参数辨识 14

3.3.1在线辨识 14

3.3.2离线辨识 16

3.4电池模型参数离线辨识 18

3.4.1欧姆电阻辨识 19

3.4.2极化电阻、极化电容辨识 19

3.5磷酸铁锂电池的SOC估计 21

3.5.1电池SOC的影响因素 21

3.5.2扩展卡尔曼滤波算法估算SOC 22

第4章 均衡技术与均衡系统设计 26

4.1均衡技术概述 26

4.1.1均衡拓扑结构分类与选择 26

4.1.2均衡控制指标的选择 27

4.2均衡电路拓扑结构 28

4.2.1电感式均衡电路工作原理 28

4.2.2电感式均衡电路仿真 29

4.3基于SOC的模糊控制器研究与设计 31

4.3.1模糊控制器的特征与设计步骤 31

4.3.2模糊控制器的设计步骤 32

4.4主动均衡系统设计 34

4.4.1数据采集模块 35

4.4.2数据传输通信模块 37

4.4.3驱动电路模块 38

4.4.4主动均衡模块 39

4.4.5控制电路模块 41

4.4.6主动均衡系统软件设计 42

4.5主动均衡系统仿真及结果分析 42

第5章 总结与展望 45

5.1本文总结 45

5.2期待与展望 46

致 谢 47

参考文献 48

第1章 绪论

1.1课题研究背景

随着近几年来时代的飞速发展，人们的生活条件得到极大改善，而汽车的出现和发展方便了越来越多人的出行，因此汽车行业很是火爆，全球范围内汽车拥有量呈增长趋势。但与此同时，传统的燃油汽车在推动人类社会经济增长和现代文明高速发展，也产生能源浪费与不足以及环境破坏与污染，汽车的发展趋于资源节约型和环境友好型。

2007年《新能源汽车生产准入管理规则》正式发布，新能源汽车初次与人们会面并占据一席之地，尤其是插电式混合动力汽车和纯电动汽车以其节能环保无污染等优点，引起了世界范围内的广泛关注^[1]。而且在过去这段时间，纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车及其相关技术都取得了一定的提升，但同时也仍有更多上升空间，世界汽车工业正在经历从传统燃油汽车向未来动力汽车的过渡和发展。

目前，我国新能源汽车销量已连续多年位居全球第一，新能源汽车保有量也已占据世界的半壁江山。汽车产业在“新四化”转型的过程中，新技术也在推动新能源汽车的发展进程。因此作为我国的一大战略新兴产业，电动汽车产业在应对能源和环境问题方面扮演着重要的角色^[2]。图1.1展示出我国新能源汽车年销量及增速情况。

图1.1 我国新能源汽车2012-2018年销量及增速情况

1.1.1电动汽车特点及类别

电动汽车以车载电池为动力，电机为驱动，电池供电产生电流，通过电力调节器、电动机、动力传动系统等将电能转换为机械实现驱动。

电动汽车的直接驱动装置为电机，整个过程的产物和排放都是绿色环保的，这一点对于传统的燃油汽车是极大的进步。而且电动汽车所需要的电能可从多种一次能源中获取，不但减少了发电厂的污染物排放，同时也缓解了当前全球石油资源日渐枯竭等问题的紧张。其在节能和环保上做出了极大的贡献。

电动汽车主要分为三大类：1、纯电动汽车（Battery Electric Vehicle, BEV）：其驱动为动力蓄电池；2、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）：从可消耗的燃料或可再充电能或能实现能量储存的装置中的获得复合型动力；3、燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electrical Vehicle, FCEV）：燃料电池供电^[3-5]。

1.1.2电动汽车电池性能要求

动力电池为汽车存储能量并提供动力，作为关键部分对汽车性能影响很大。汽车电池的能量和功率密度、使用寿命及充放电能力等直接影响车辆的运行状况，从而影响到整个电动汽车产业的一系列方面。

对电池的基本要求总结如下：电池一致性好，较好的充放电能力，循环寿命长，高功率和能量密度，成本适中甚至偏低一些，环保绿色（如电池生产、使用、报废回收中对环境较为）等^[6]。

其中，锂离子电池工作电压高、比能量大、无记忆效应、无污染、自放电能力较弱、循环寿命长，较好地满足汽车动力电池的性能要求。可它同样也有容量衰老、过充/放电的承受能力弱的缺点。

本文主要研究的是磷酸铁锂电池，以磷酸铁锂作为正极材料。该电池以其输出高效、高温下性能良好、安全性好、循环寿命长、低成本无污染等特点广泛地应用与大型电动汽车、轻型电动车和太阳能及风力发电的储能设备等领域。

1.1.3课题来源

目前，人们对于环境污染和能源枯竭等问题的担忧越来越深，传统燃油汽车的使用已成为产生这些问题的重要原因之一，为保证能源及人类社会的可持续发展，电动汽车逐渐进入人们的视野，并成为解决这些问题的一种方法。

电动汽车中动力电池是关键和核心，针对动力电池的电池智能管理系统的研究成为电动汽车产业发展的一个新兴和热点方向。许多个单体电池串联组成的电池组在经过多次充放电后，各个单体电池的容量会因为各种原因而产生不一致的现象。这时候为了保证电池的使用寿命、安全性和使用效率等性能，且由于提高电池在生产制造过程中的工艺和实时或定期检测单体电池的电压容量等参数情况这两类方法需要较高的技术要求，为更好实现电池组内和组间的均衡，在电池智能管理系统中引入均衡技术（主要分为被动均衡和主动均衡两大类），针对电池组所处环境利用均衡使单体电池的容量等性能尽可能趋于一致是现在进行深入研究的主要方法。

其中，利用均衡技术完成电池管理系统中均衡模块的设计，以及该模块如何与其他模块相配合来减小电池的不一致性，实现单体电池、电池组的均衡，并且能将锂电池组的能量较为高效地利用、减少能量的损失浪费、延长电池组的使用寿命等，对于未来电动汽车产业更好发展，提高整车的安全性可靠性极为重要。

1.2均衡技术的研究现状

电动汽车的蓬勃发展在一方面使汽车的操作功能越来越丰富和完备，因此对于汽车整车的安全性能的要求也越来越严格，动力电池作为关键能量储存和来源也得到更大的需求和更严谨的性能要求。锂电池组因在典型的动力电池中比能量大、体积小、热效应小、无记忆性、使用寿命长等这些特点逐渐成为人们设计应用动力电池的首要选择。

为生产使用锂离子动力电池，一般将单体锂电池串联而成使用，这就带来了电池不一致性的问题。对于这个问题，最有效的方式便是研究其均衡方式，通过有效均衡式锂电池更好地应用于电动汽车中，提高续航能力^[7]。

1.2.1均衡方式概述

均衡系统从均衡拓扑结构形式划分为独立均衡和集中均衡，从均衡过程中能量的流动形式和变换形式可分为主动均衡和被动均衡，从能量流向的方向划分为单向和双向均衡^[8]。

其中，被动均衡是通过消耗能量来实现均衡，也称能耗均衡或者有损均衡；被动均衡型采用电阻等耗能元件并联在单体电池电路中，耗能元件将电压过高的单体电池的电量转换为热量形式进行消耗。而主动均衡是指在均衡过程中，采用电力电子变换电路，比较单体电池的之间的能量、电压等数值，将电压高的单体电池的能量转移传递到电压低的单体电池中，从而实现电池组的均衡，也称非能耗均衡或者无损均衡。两者侧重点不同，能量消耗或转移的方式和路径也不同，如图1.2所示。

图1.2 不同均衡方式能量消耗或转移的路径

（1）被动均衡

被动均衡主要是采用电阻之类的元件作为电路中能量耗散的对象，检测分析出电池组中某一或某些电压过高的单体电池，将其电能转换为热能消耗掉，因此对于这种均衡方式均衡电流十分重要。若出现较大的均衡电流则需要考虑电池散热的问题，甚至于过热而影响系统中某些元件的正常工作；然而若是均衡电流较小的话，可能会出现均衡效率低、均衡时间长的问题，甚至可能达不到预期的均衡效果。

被动均衡实现方式较为简单，所以成本相较于主动均衡也比较低，在实际中也有一定的应用，如Preh Gmb H公司开发的电池管理系统（Battery Management System, BMS）正是使用的被动均衡方式^[9]。这种均衡方式不仅浪费了系统的能量，使车辆的续航能力降低，并且也破坏了电池的热平衡。

（2）主动均衡

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