摘 要

随着汽车电动化市场的扩张，环境以及政府管理规范、城镇化趋势、燃油成本以及新兴用户市场的增加，对储能电池的性能要求越来越高。而锂离子电池相比其他电池具有更加优良的性能，因此生活中大量使用锂离子电池用作储能。在实际使用锂离子电池时经常需要将锂离子电池组成电池组使用，此时锂离子电池的不一致性问题会对电池组的正常工作产生很大的影响，并且这个不一致性会随着电池组的充放电重复进行的次数增加而增加，产生恶性循环。为了增强电池组的性能、提高电池组寿命周期和使用的安全性，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，采用电池管理系统对电池组中电池单体的能量均衡进行必要的控制至关重要。本文即针对串联锂离子电池组，设计出了一种电感式主动双向均衡管理系统，并验证了其有效性。

本文首先分析了目前锂离子电池均衡技术的研究现状，对各种均衡方式进行了对比，分析了各自的优缺点；接着对各种锂离子电池进行了性能参数对比后选择磷酸锂铁电池作为研究对象，同时对锂离子电池的基本信息进行了整理；随后分析了电池不均衡的原因和解决办法，针对以电压作为均衡判据准确度有待提高的现象，选择以电池的荷电状态（SOC）作为均衡判断标准，基于该均衡判断标准设计了一种电感式主动均衡电路并分析了均衡电路的具体工作过程；接着研究了锂离子电池的电池动态特性模型，制定了电池均衡模块的均衡策略，通过设置均衡开启阈值和单体电池均衡控制阈值两个阈值提高了均衡效率。

最后利用Matlab的Simulink仿真平台对设计的双向均衡管理电路的有效性进行了验证，仿真结果证明设计的电感式双向均衡电路能在电池组处于各种工作状态下时有效的工作，起到均衡作用。

关键字：锂离子电池，电感式能量均衡，不一致性，Simulink仿真

Abstract

With the expansion of the automotive electrification market, the environment and government management standards, urbanization trends, fuel costs and the increase in the emerging user market, the energy storage battery performance requirements are getting higher and higher. While the lithium-ion battery compared to other batteries have more excellent performance, so in real life, a large number of lithium-ion battery used as energy storage. In the actual use of lithium-ion batteries often need to use lithium-ion battery packs, then lithium-ion battery inconsistency of the battery pack will have a great impact on the normal work, and this inconsistency will increase with the number of repetitions of the battery charge and discharge increase，resulting in a vicious cycle. In order to enhance the performance, life cycle and safety of the battery pack, the individual battery cells in the battery pack need to be controlled to maintain a consistent charge state (SOC). In order to achieve this goal, it is essential to use the battery management system to make the necessary control of the energy balance of the battery cells in the battery pack. In this thesis, an inductive active bidirectional equalization management system is designed for the lithium ion battery in series, and its effectiveness is verified.

In this thesis, the current research status of lithium-ion battery equalization technology is analyzed, and the advantages and disadvantages are compared. The performance parameters of various lithium-ion batteries are compared and the lithium iron phosphate batteries are selected as the research And then analyzes the causes and solutions of the battery imbalance. In view of the fact that the accuracy of using voltage as the criterion of equilibrium need to be improved, the battery is charged with the state of charge (SOC) of the battery. At the same time, the basic information of the lithium ion battery is collated, based on the former equilibrium criterion, an inductive active equalization circuit is designed. The specific working process of the equalization circuit is analyzed. Finally, the dynamic characteristic model of the rechargeable battery of the lithium ion battery is studied, and the balance of the battery equalization module Strategy is worked out, by setting the equalization threshold and the single cell equalization control threshold two thresholds to improve the equalization efficiency.

Finally, the effectiveness of the bidirectional equalization management circuit is verified by Simulink simulation platform of Matlab. The simulation results show that the designed inductive bidirectional equalization circuit can work effectively when the battery pack is in various working conditions.

Keywords: Lithium Ion Battery, Inductive energy balance, Inconsistency, Simulink Simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 锂离子电池均衡技术研究近况 2

1.2.1 能量耗散型均衡 2

1.2.2 电容式均衡 3

1.2.3电感式均衡 4

1.2.4 多输出变压器式均衡 5

1.2.5 DC-DC变换器分布式均衡 7

第二章 磷酸铁锂电池的性能研究 8

2.1锂离子电池的基本信息 8

2.1.1 电池容量 8

2.1.2 电池荷电状态（SOC） 9

2.1.3 电池放电深度 （DOD） 9

2.2 电池的不均衡原因及解决办法 9

2.2.1 电池的不均衡原因 9

2.2.2 电池不均衡造成的影响 10

2.2.3 电池不均衡现象的解决办法 11

2.3 电池均衡的判断标准 11

2.3.1 以电池容量作为判断标准 11

2.3.2以电池电压作为判断标准 11

2.3.3以电池的荷电状态（SOC）作为判断标准 11

第三章 主动均衡电路设计及分析 12

3.1 主动均衡电路原理分析 12

3.2 主动均衡电路工作过程分析 13

3.2.1 更高能量的电池单体向电感充电 13

3.2.2 电感向更低能量的电池放电 15

3.2.3 电感截至阶段 17

第四章 仿真及结果分析 18

4.1锂电池电池动态特性模型 18

4.1.1简化的电化学模型 19

4.1.2神经网络模型 20

4.1.3 典型等效电路模型 20

4.2锂离子电池仿真模型分析 22

4.3电池均衡模块均衡策略 24

4.3电池均衡模块搭建 26

4.4电池均衡系统仿真验证 28

4.4.1静置状态均衡仿真验证 28

4.4.2充电状态均衡仿真验证 29

4.4.3放电状态均衡仿真验证 32

第五章 总结和展望 33

5.1 全文总结 33

5.1 展望 34

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

目前汽车的动力源主要是化石燃料、发动机主要是内燃机。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，故发展纯电动汽车迫在眉睫。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，在车辆的制动过程中，电动汽车的电动机自动作为发电机工作，将能量反送给蓄电池，使能量的利用率得到了大幅度的提高。电动汽车具有发动机效率较高，无尾气污染，无燃料蒸发的特点，这都使电动汽车作为“零排放车辆”而被人们所熟知。

锂离子电池有以下特点：高质量能量密度和体积能量密度、使用寿命长、较低的自放电（每年低于20%）、能够在较宽的温度变化范围内正常工作、不存在记忆效应。同时锂离子电池具有较为平坦的放电曲线，可以为用电设备稳定供电^[2]。所以锂离子电池成为一种比较著名的电池而在包括电动汽车在内的各种领域中被广泛应用。

表1.1 常见的锂离子电池性能参数对比

从表1.1可以发现，磷酸铁锂电池可循环高达上千次，且较为安全，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成长前景。

凡是都有两面性，锂离子电池有很多有价值的优点，但不可否认它也存在着一些问题。受到生产条件的影响，电池组中各单体之间存在着电池内阻、电池容量和电池电压等方面的不一致性问题，且随着充放电轮回次数的加大这个问题会越发严重。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。电池单体间的不一致问题会引起电池的过冲和过放电，甚至发生热失控^[3]。这会严重影响电池组的正常工作，使电池组性能失衡、寿命减少。过充电的电池其有着火爆炸的危险，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，提高电池的寿命周期和安全性，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，采用电池管理系统对电池组中电池单体的能量均衡进行必要的控制至关重要。

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、均衡的控制、热协调、故障报警、与外部设备的通讯、电池状况的在线监控、估算电池SOH和SOC值等^[4]。在对电池管理系统的研究进程中，出现了以下几种研究内容：估算剩余电量的方法、设计各种参数测量电路、设计电池充电的方式、管理系统的功能的扩展^[5]。