摘 要

锂离子电池在比能、寿命、自放电率、安全性等重要指标下有着不可替代的优势，因此逐渐发展成为储能电池的首选，并在便携式设备、新能源汽车、充放电系统等领域有着广泛应用。由于科技的高速发展，设备的大功率趋势逐渐显现为满足这一大功率要求，需要将多节锂离子电池串联成为电池组从而为设备提供能量。电池电压、容量、内阻等在制造过程中会因各种外界因素的影响形成差异，把单体电池整合成为电池组后，在进行充放电的过程中，往往会忽略掉单体电池之间各种数据的差异，从而使得电池组间的电池不一致性进一步扩大，比如低容量电池提前达到充放电截止电压数值，单体电池寿命迅速降低，电池组整体性能衰减。因此，对锂离子电池组建立合适的均衡系统，并采取均衡控制策略进行辅助，是改善其不一致性的有效解决方法。

本文在对电池组不一致性的深入研究基础上，通过分析锂电池组的特性，和其不一致性实验的验证，设计出了双向的BUCK-BOOST均衡电路，用基于51单片机的最小电路包括电源、时钟电路和上电复位来辅助完成驱动部分是否发生；设计合适的电压巡检、电流检测和温度测量单路提供各单体电池的实时状态，从而更好的去完成电池组的均衡；拟利用压差查表法的控制策略，为单体电池设计合适的电感数值来消除单体电池间在充放电时的差异性，从而控制均衡电流趋于一性；最后拟利用在实验平台上搭建实验电路来验证主动均衡系统是否合乎标准。

通过实验验证所提出并设计的基于能量无损转移的锂电池组动态主动均衡系统，对实现车用锂电池组的动态均衡，改善并提高其使用寿命具有重要的研究意义与实用价值。

关键词：锂电池组特性;主动均衡系统;双向Buck-Boost;不一致性

Abstract

The lithium ion battery life than in energy, self discharge rate, has irreplaceable advantages is an important indicator of safety, thus becoming the first choice of storage batteries, and portable equipment, new energy vehicles, the field of charging and dischargingsystem has been widely used. Because of the rapid development of science and technology, high power the trend of equipment gradually to meet the power requirements, it is necessary to lithium ion battery series batteries to provide energy for a device. The batteyvoltage, capacity, internal resistance in the manufacturing process because of various external factors affecting the formation of difference, the various data of single cell, so thatthe battery the battery is not consistent to further expand, such as low capacity batteries inadvance to the charge discharge cut-off voltage value, single battery life decreases rapidly,attenuation of overall performance of the battery pack. Therefore, the establishment of a balanced system suitable for lithium ion batteries. And to take a balanced control strategy is to improve the auxiliary,effectively solve the inconsistency of pressure method.

In this paper, based on in-depth research on the battery is not consistent, through theanalysis of characteristics of lithium batteries, and verify the consistency of the experiment, designed the BUCK-BOOST bidirectional equalization circuit, including power supplywith minimum circuit based on 51 MCU clock circuit and reset to complete the driving part is; the design of appropriate voltage inspection, real-time current detection and temperature measurement of single way of the single cells, so as to better to complete the battery equalization; differential pressure control strategy intends to use the check table method, for inductance single battery design suitable to eliminate the differences between single cells in charge and discharge theTherefore, the equalization current tends to be one. Finally, an experimental circuit is built on the experimental platform to verify whether the active equalization system is up to standard

Through the experimental verification of the proposed and designed based on the energy transfer of the lithium battery nondestructive dynamic active balancing system, to realize the vehicle dynamic equilibrium of lithium batteries, and has improved the researchsignificance and practical value to improve its service life.

Key Words:Llithium battery characteristics; Active equalization system; Bidirectional Buck-Boost; Inconsistency

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及研究意义 1

1.2 电池组均衡系统的研究现状分析 2

1.2.1BMS研究现状 2

1.2.2电池均衡电路的研究现状 3

1.2.3电池均衡控制策略研究现状 6

1.2.4被动均衡到主动均衡的转变 7

1.3主要研究内容和基本框架 7

第2章 磷酸铁锂电池特性分析 9

2.1磷酸铁锂电池原理 9

2.2磷酸铁锂电池特性分析 9

2.2.1电压特性 9

2.2.2内阻特性 10

2.2.3容量特性 10

2.3锂电池不一致性分析 11

2.3.1生产工艺引起的不一致性 11

2.3.2 使用过程中引起的不一致性 11

2.3.3锂电池组不一致性验证实验 12

2.3.4 不一致性对电池组的影响 13

第3章 主动均衡系统硬件电路设计 14

3.1主动均衡系统总体方案设计 14

3.2动态均衡下的双向DCDC均衡电路设计 14

3.2.1动态均衡研究 14

3.2.2Buck-Boost动态均衡电路设计 16

3.3基于51单片机的最小电路设计 18

3.3.1电源电路 18

3.3.2复位电路 19

3.3.3时钟电路 19

3.3.4程序存储器选择电路 20

3.4电池关键性能参数检测模块设计 20

3.4.1电压测量模块 20

3.4.2电流测量模块 22

3.4.3温度测量模块 23

3.5开关阵列板设计 23

第4章 主动均衡系统控制策略研究与测试 25

4.1主动均衡策略研究 25

4.2 基于压差-查表法控制策略研究 26

4.2.1 压差--查表法策略 26

4.2.2占空比的确定 27

4.2.3储能电感的设计 28

4.2.4开关管频率的确定 29

4.3均衡系统测试实验与分析 30

4.3.1 均衡系统测试实验 30

4.3.2测试结果及数据分析 33

第5章 结论与展望 37

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1研究背景及研究意义

当今世界是能源大国的世界，而且世界各国的经济发展速度与能源消耗量的大小是不可分离的。以石油、煤炭和天然气为主的不可再生能源终将会耗尽。因此，对新能源即太阳能、风能、生物质能和核聚变能等可再生能源的开发与研究成为世界上经济大国的发展战略之一。

在新能源系统中，太阳能和风能发电很大程度上受到了外界环境的影响，如季节、天气等，用电负荷和发电效率不能有效地实现平衡，从而严重制约了电力系统的安全平稳运行。为了克服这些不稳定性，在整个发电系统中引入了能够使新能源发电中的波动平稳，实现系统的＂削峰填谷＂的储能设备蓄电池^[1]。经过几十年的深入研究，比较包括铅酸电池、镇氨电池锂离子电池等具有代表性的蓄电池。由于锂离子电池在质量比能量和体积比能量中的数值最高（能量密度高)，可反复使用并且对环境没有损坏，符合蓄电池的工业发展方向,因此其利用率大大提高。然而锂电池当电池处于100%SOC后，若持续给电，内部电压就会继续上升，促使内部复杂的化学反应发生，产生气体造成内部压力不断上升，一定程度后将永久的损坏电池，所以通过对电池过充的方法来平衡电池组间各电池单体间性能不可行。为了不受过充的影响，在电池未充满时即停止充电，那么不能充分的利用电池，降低单体电池间的使用效率。因此为了在电动汽车中充分利用电池容量，必然要设计合适的监测和均衡方案使得电池组各单体电池能够同时充满，同时放完。

电池管理系统BMS能够做到实时地检测和控制整个动力电池组，能够有效的影响整车的安全运行、整车控制策略的选择、充电模式的选择及运行成本[^2]。从目前已有的专利技术的分布可以获悉，BMS主要应用于电池充电方法、充放电安全保护、电池控制系统及方法、诊断以及状态估计等方面。其中主要研究的方向是对电池状态进行监控以及驱动电池充放电系统两，具体表达来讲，SOC和SOH估计，充电和均衡策略等，属于现今BMS研究的主流。