摘 要

在全球能源短缺与环境污染问题的背景下，新能源电动汽车日渐成为汽车发展的主流方向。在电动汽车的组成部分中，储能的电池组至关重要。锂离子电池以体积小、高功率密度、非记忆性、寿命长等优点成为电池组的首选材料。然而由于制造工艺和使用过程中的差异，电池组的单体间不一致性越来越大，严重影响了电池组的可用容量和整体寿命。并且随着第一批电动汽车使用年限的到来，单体间的不一致性也成了限制电动汽车电池梯次利用的一个难题。本文以改善串联电池组单体间不一致性为研究目的，提出一种双向DC-DC结构的分组均衡型电路，并进行参数设计和建模仿真，验证该电路的均衡能力。

首先，通过查阅资料了解国内外主动均衡电路的研究现状和优缺点，并且介绍了锂电池的几种等效电路模型。在此基础上，介绍了常见的电压均衡和SOC均衡的均衡控制方法。

接着，提出了分组均衡型电路拓扑结构和它的工作原理；并按照其均衡工作原理，进行相应的参数设计，确定储能电感、占空比、开关频率等参数；在确定了以SOC作为均衡控制目标的基础上根据分组均衡的思想制定出组内、组间同时均衡的控制策略。

最后，在Matlab软件的simulink窗口，搭建分组均衡型电路的模型和均衡控制电路模型，分别在电池组静置、充电、放电状态下进行均衡仿真，验证了分组均衡型电路的均衡能力。再将该电路与复合结构的DC-DC变换器、改进的复合结构的DC-DC变换器这两种主动均衡电路进行仿真比较，并考虑到不同SOC单体在电池组中的位置对均衡工作的影响，做了仿真探究，得出了分组均衡型电路在绝大多数情况下比另外两种电路均衡时间更短、均衡速度更快的结论。

分组均衡型电路结构简单、便于模块化，当电池组单体数量进一步扩大时也能很好的继续延伸均衡电路结构。

关键词：分组均衡型电路、双向DC-DC结构、均衡策略、Matlab/simulink仿真

Abstract

Against the background of global energy shortages and environmental pollution issues, new energy electric vehicles are becoming the mainstream of automotive development. Among the components of electric vehicles, energy-storage battery packs are essential. Lithium ion batteries have become the first choice for battery packs due to their small size, high power density, non-memory, and long life. However, due to the differences in manufacturing process and use process, the inconsistency between the cells of the battery pack is increasing, which seriously affects the usable capacity and overall life of the battery pack. And with the arrival of the first batch of electric vehicles, the inconsistency among the monomers has also become a problem to limit the use of electric vehicle battery ladders. In order to improve the inconsistency among the cells in series battery, this paper proposes a bidirectional DC-DC structured balanced circuit, and carries out parameter design and modeling simulation to test the balance ability of the circuit.

First of all, by referring to the information, we can understand the current research status, advantages and disadvantages of active equalization circuits at home and abroad, and are familiar with several common equivalent circuit models of lithium batteries. On this basis, the common voltage balance and SOC balance control methods are introduced.

Then, we propose the topology of the group-balanced circuit and its working principle . According to its balanced working principle, the corresponding parameter design is carried out to determine the parameters such as energy storage inductance, duty cycle, switching frequency, etc. Based on the control variables, the control strategy of simultaneous equilibrium within and between groups is formulated according to the idea of group equilibrium.

Finally, in the Simulink window of Matlab software, a group balanced circuit model and a control circuit model are built, and the balancing simulation is carried out under the state of the battery pack standing, charging and discharging, respectively, to verify the balancing ability of the group balancing circuit. Then the circuit is compared with the two active equalization circuits of the DC-DC converter of the composite structure and the DC-DC converter of the improved composite structure, and the position of the different SOC cells in the battery pack is considered for balancing work. The simulation study is conducted, and it is concluded that the packet equalization circuit is more than the other in most cases. The conclusion that the equalization time of the two circuits is shorter and the equalization speed is faster.

The grouped balanced circuit structure is simple and easy to modularize. When the number of battery cells is further expanded, it can continue to extend the balanced circuit structure.

Key words: Packet balanced circuit, bidirectional DC-DC structure, equalization strategy, Matlab / simulink simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景与意义 1

1.2国内外均衡电路拓扑的研究现状 2

1.3课题研究的基本内容与目标 10

1.3.1研究的基本内容 10

1.3.2研究目标 11

第2章 锂电池等效电路模型与均衡控制方法 12

2.1引言 12

2.2锂电池等效电路模型 12

2.2.1 Rint模型 12

2.2.2 RC模型 12

2.2.3 PNGV模型 13

2.2.4 Thevenin模型 14

2.3均衡控制方法 15

2.4本章小结 15

第3章 分组均衡型电路与分组均衡控制策略 16

3.1引言 16

3.2 分组均衡型电路工作原理 16

3.3分组均衡型电路参数设计 19

3.3.1占空比推导 19

3.3.2电感值计算 21

3.4分组均衡控制策略 22

3.5本章小结 23

第4章 基于Matlab的均衡电路模型搭建与仿真 24

4.1引言 24

4.2电池充放电建模与仿真 24

4.3分组均衡型电路模型搭建与仿真 27

4.3.1 电池组静置状态仿真 29

4.3.2电池组充电状态仿真 30

4.3.3电池组放电状态仿真 30

4.3.4分组均衡型电路仿真小结 31

4.4均衡电路之间的性能比较 31

4.4.1分组均衡型电路与复合结构的DC-DC变换器比较 31

4.4.2分组均衡型电路与改进的复合结构的DC-DC变换器比较 36

4.4.3单体不同的初始荷电状态下均衡电路之间的性能比较 40

4.5本章小结 45

第5章 总结与展望 46

5.1总结 46

5.2展望 46

参考文献 48

致 谢 50

第1章 绪论

1.1课题研究的背景与意义

随着社会的发展，煤炭、石油、天然气等化石能源极大程度的被消耗。并且，世界经济进一步发展，势必需要消耗更多的能源。但是，这些传统的化石能源并不是取之不尽，用之不竭的。因此，在这种化石能源短缺的形势下，必须寻找新的出路。我国在第四次能源发展战略研究中提出，到2030年，国家能源消费总量控制在60亿吨当量煤，煤炭占比控制在50%以下，非化石能源占比不少于20%的战略目标^[1]。可以看出，国家逐渐重视非化石能源的开发利用。诸如，太阳能、地热能、风能、潮汐能、生物质能、核聚变能可再生能源将会有很大的发展利用空间与前景。此外，随着化石燃料的使用，环境污染成了世界各国关注的一大难题。众所周知，传统的汽车是燃烧汽油、柴油来获得驱动力的；与此同时，传统汽车排气筒将释放出大量温室气体、二氧化硫、固体悬浮物等威胁人类生命健康的有害物质，并且加速了全球气候变暖。在这种形势下，大力发展电动汽车刻不容缓。

纯电动汽车与传统的内燃机汽车相比，具有零排放、能源效率高、结构简单、噪声低、节约能源等优点。在近些年，在全球提倡绿色环保低碳经济的背景下，电动汽车在世界范围内得到了快速的发展。电动汽车电池技术、电机驱动技术、BMS技术成为了研究的热点。电动汽车电池常见种类有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等。铅酸蓄电池容量较小而且使用寿命较短，在使用过程中会带来不必要的麻烦；镍氢电池虽然使用寿命较长，但是其工作容易受到温度的影响，温度过高或者过低都会导致电池不能正常工作，从而影响电动汽车正常运行；锂离子电池的体积相对较小，结构较为稳固，寿命长，能量密度和功率密度大，并且没有记忆效应^[2]。因此，锂离子电池作为电动汽车动力部分具有明显的优势，在将来会得到越来越广泛的应用。