摘 要

随着不可再生能源的日益枯竭，各国纷纷投入研究开发清洁能源的行列，燃油车逐渐向纯电动汽车转型便是一大表现。电动汽车的大规模使用对储能电池的性能有很高的要求，因为若要投入生产使用，实际生产需要更高的容量，锂离子电池应串联成组以获得更高容量，但是锂离子电池的不一致性会对电池组的正常工作产生极坏的影响，并且这个不一致性会随着电池组的循环充放电扩大影响，产生不良后果。使用电池管理系统来平衡电池组中的电池单元的充电状态可以改善不一致性，达到提高电池组使用年限和效率的目的。本文针对串联锂离子电池组，设计了一种电感式主动均衡管理系统，并验证其可操作性。

本文首先对锂离子电池组均衡管理的研究背景和意义以及国内外研究现状进行介绍，包括了均衡策略的研究近况、均衡电路拓扑的研究近况以及电池管理系统（BMS）的研究近况。然后对锂离子的电池特性进行研究，包括其主要性能和主要参数，并最终决定了均衡判断标准（即以SOC值作为判断标准）。随后介绍了主动均衡电路的分类，并最终选择了电感式作为主动均衡电路来完成主动均衡电路的设计，实现能量无损传递，提高锂离子电池利用率。本文介绍了锂电池等效模型并对锂离子电池仿真模型进行分析，使用Simulink搭建均衡系统模型。设置不同的电池工作状态，在不同情况下设置电池的初始荷电状态值进行仿真操作，观察SOC的曲线变化，最终得到在电池的不同工作条件下本文设计的电感式均衡电路对电池组进行的均衡过程都有效，此电路可以减少电池组中各个电池单体间的不一致性。

关键字：锂离子电池、不一致性、均衡管理电路、Simulink

Abstract

With the depletion of non-renewable energy sources, many countries are investing in research and development of clean energy. Fuel vehicles gradually transferring into pure electric vehicles is a major performance. The large-scale use of electric vehicles has high requirements on the performance of energy storage batteries because actual production requires higher capacity for production use. Lithium-ion batteries should be connected in series to obtain higher capacity. However, the inconsistency of lithium-ion batteries will have a very bad influence on the normal operation of the battery pack, and this inconsistency will be affected by the expansion of the battery pack's circulation charge and discharge, resulting in adverse consequences. Using a battery management system to balance the state of charge of a battery cell in a battery pack can improve inconsistency and improve the life span of battery pack and its efficiency. This paper designs an inductive active balanced management system for serial lithium-ion battery packs and verifies its operability.

This article first introduces the research background and significance of the balanced management of lithium-ion battery packs and the research status at home and abroad, including the research status of the equilibrium strategy, the research status of the balanced circuit topology and the current research status of the battery management system. Then study the lithium ion battery characteristics, including its main performance and main parameters, and finally determine the equilibrium judgment criteria (ie, the SOC value as a criterion). Then introduced the classification of active equalization circuit, and finally chose the inductive type as the active equalization circuit to complete the design of the active equalization circuit, realize the non-destructive transmission of energy and improve the utilization of lithium-ion battery. This paper introduces the lithium battery equivalent model and analyze the lithium ion battery simulation model . The equilibrium system model was built using Simulink. Set different battery operating conditions, set initial battery state of charge values for simulation under different conditions, and observe SOC curve changes. Finally, the inductive equalization circuit designed in this paper under the different working conditions of the battery is effective for the balanced operation of the battery pack. This circuit can reduce the inconsistency among the individual battery cells in the battery pack.

Keywords: Lithium-ion battery, inconsistency, balanced management circuit, Simulink

目录

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摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外均衡技术研究近况 3

1.2.1均衡策略的研究近况 3

1.2.2 均衡电路拓扑的研究现状 4

1.2.3 电池管理系统的研究现状 5

第二章 锂电池性能分析 6

2.1 锂电池的基本特性 6

2.1.1 锂电池主要性能 6

2.1.2 锂离子电池主要参数 7

2.1.3 锂离子电池均衡的判断准则 8

第三章 主动均衡电路 10

3.1 电容式均衡 10

3.2 电感式均衡 11

3.3 变压器式均衡 11

第四章 主动均衡管理电路设计 1

4.1 电感式主动均衡的工作原理 1

4.1.1高能量电池对电感充电阶段 2

4.1.2 电感放电给低能量电池阶段 3

4.1.3 电感关闭阶段 5

第五章 均衡管理系统仿真 7

5.1 锂离子等效电路模型 7

5.1.1 电化学模型 8

5.1.2 智能数学模型 8

5.1.3 等效电路模型 9

5.2 锂电池仿真模型分析 11

5.3 均衡系统模型搭建 15

第六章 均衡系统仿真实现 19

6.1 静置状态均衡仿真 19

6.2 充电状态均衡仿真 20

6.3 放电状态均衡仿真 22

第七章 总结和展望 25

7.1总结 25

7.2 展望 26

参考文献…………………………………………………………………………………... 27

致谢………………………………………………………………………………………...30

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

燃油这种不可再生能源是目前汽车内燃机使用的主要能源，目前汽油和柴油作为汽车所使用的主要燃料，它们均属于不可再生能源。在世界一次能源消费结构中化石能源所占的比例基本保持在85%以上。经研究人员预估，到2040年，在世界能源需求结构中化石能源占的比例仍将超过70 %[^[1]]。化石能源储存和生产比会随着石油、天然气、煤炭消费量的大幅度增加而下降，呈现一个反比的趋势。从长远的角度来看，全球化石能源资源的储备量难以支持人类生活。不仅仅是存在着能源短缺的问题，大规模的化石能源的开发利用也会给生态环境带来不可逆转的伤害，对生态环境的污染具体体现在对大气环境的严重影响、对水资源环境的加剧破坏以及对生态系统带来的不可逆的影响等方面。大量的、、烟尘等对环境有污染的物质在化石能源的使用过程中排放积蓄，难以分解。目前，全球每年的排放总量约为，的大量排放会导致土壤、河流的酸化以及对建筑物产生腐蚀等不好的问题。对陆地、河流和海洋生态系统以及臭氧层的影响是对环境的污染主要体现所在，目前PM2.5主要来源于人类交通以及火电操作所释放的，与此同时，各种工业生产排放的颗粒物持续增加，容易诱发雾霾，长期以往会威胁人类健康。除此之外，能源的过度开发和采用还会带来水资源的大量耗损以及污染等严峻的问题。污染方面包括了煤炭使用完后的废水排放、石油和天然气开采带来的水污染等。与此同时，人类的日常生产生活受到了气候变化的严重影响，例如大范围使用燃油汽车会带来不可避免的噪声污染。工业革命至今，人类对化石能源的大量甚至于是过度采用导致了大气中浓度升高，大量温室气体的排放导致了全球气候变化等一系列问题。化石能源对环境产生的污染以及作为不可再生能源而必然会面临的能源短缺的现实时刻提醒着人类去寻找新型的少污染、可循环使用的能源来代替化石能源。

电动汽车在行驶时几乎不排放废气, 以蓄电池组的电能为动力,比燃油汽车减少了92%-98%的废气排放,是目前最被看好的“零污染”汽车[^[2]]，相较于传统燃料汽车，理论上电动汽车具有燃料汽车无法比拟的环保节能优势，是解决当前能源短缺和环境污染最有效的手段。所以大力发展电动汽车是为了缓解环境压力的首要任务。

电动汽车主要有以下优点： 电动汽车的驱动能源为电能，在行驶过程中无有毒有害气体排出，不污染环境；与燃料车相比，电动车具有更高的能源效率; 与燃料车相比，电动车消除了对发动机、变速箱、油箱、冷却和排气系统的需求，结构更简易；噪声小；当电力用于低峰值充电时，电网的峰谷差大大减小，发电设备得到充分利用。

目前，寻找合适的能源是新能源汽车发展的主要技术障碍。 因为当下的电动汽车充电后存在电池成本高，能量密度低，行程时间短等一系列问题。目前,用于驱动电动汽车的电池主要有两个类型,铅酸电池和锂电池。一般铅酸电池寿命在两年左右，充放电仅有400次以内，有记忆效应。锂电池耐用性较强，损耗能量的过程缓慢，充放可达500次甚至更多，并且不存在记忆效应，一般使用年限在4~5年。锂电池的耐用性能主要体现在其耐震动性好，耐过充电以及耐大电流性能好。而且在体积方面，铅酸电池组的体积比锂电池组体积要大得多，不利于实际生产使用。除此之外，锂电池不论是在回收过程还是生产过程，它可能产生的污染物都比铅酸电池要少得多，相对来说更环境友好。锂电池相对于铅酸电池的短板在于锂电池成本更高，但是它的质保期更长，可达三年（铅酸电池质保期为一年），换种角度看，锂电池虽然贵但更加耐用。综上所述，锂电池在电动汽车生产领域广泛应用。

根据正极材料的不同，锂电池主要可以分为四种类型，分别是锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂和三元材料。虽然在这些种类的锂电池中，磷酸铁锂电池的比能量仅仅处于中等水平，但是由于其成本低，稳定性好的优势被广泛应用。近年来，随着人类不断研发新型的电池技术，锂离子电池已被广泛运用于电动汽车。表1.1列出了国内外已批量生产的几款电动车动力电池产品的统计数据。

表 1.1国内外几款已量产电动汽车动力电池信息

由表1.1可知，目前国内外市场上应用最多的电动汽车电池是磷酸铁锂电池，与此同时，三元锂电池和稀土锂电池也逐渐进入大众视野中。

尽管锂动力电池相较于传统燃油更加环保，但是锂动力电池也存在一些弊病。电池组是由许多节电池单体串并联而成，将锂电池串并联成组的目的是为了满足驱动电动车电源电压和续航里程的要求。然而，在使用电池组时，电池单元之间的不一致会导致“木桶效应”的产生。锂离子电池不一致性意味着即使是同一批次和同一型号的电池出厂时，其最大容量、自放电率、电压和内阻等一系列重要参数可能略有差异。当动力锂电池根据实际需要串联成组投入生产使用时，这些细小差别会不断被累计扩大，进而会带来许多问题。生产过程产生的无法避免的不一致性、使用方法不当导致的不一致以及储存操作不当的不一致是锂电池组产生不一致性的三个主要原因。“木桶效应”是指在电池组充电过程中，当某一节电池达到其最大截止电压时，整个电池组提前进入恒压充电阶段。此时，其他电池在被强制进入此阶段之前可能无法满充。恒压充电阶段短，充电容量受限，在恒定电流阶段未完全充电的这部分电池仍处于电没有充满的状态；当电池组放电时，当某个电池达到其最小截止电压时，整个电池组同时停止放电，其他电池有可能还存储一定量的能量。这种现象的存在降低了电池组的充放电效率，减少了电动汽车的续驶里程[^[3]]。

因此，我们需要采用适当的方法来监测和平衡锂离子电池，达到改善锂离子电池组的不一致性的目的并提高锂离子电池组的容量利用率。锂离子电池组有源均衡充电电路的设计对锂离子电池组的实际生产和应用具有重要意义。

1.2 国内外均衡技术研究近况

当下，国内外对均衡技术的研究主要集中在研究均衡策略和研究均衡电路拓扑结构两方面。

1.2.1均衡策略的研究近况

对均衡策略的研究大致包括研究平衡目标的选取以及创建电池组一致性的评估体系，最后再根据以上的判断标准为依据进行均衡控制。目前，国内外研究人员主要选择的均衡控制标准是工作电压，开路电压和SOC（荷电状态）。国内外有一部分学者选择以电池电压作为均衡变量来判断电池单体的能量是否均衡，例如韩国研究者Jong-Won Shin [^[4]]、美国研究者Abusaleh M. Imtiaz[^[5]]和北京航空航天大学付进军[^[6]]等，实现判断的方法主要是控制均衡开关的开合进而控制均衡电路中能量的转移，最终达到均衡的目的。测量简单，对嵌入式系统要求较低等是以电压作为均衡变量的好处，但是，如果电流过大，会出现很大的误差，并且由于内部电阻的原因，当工作电压一致时，SOC不一致，此时，电压不能准确反馈电池容量，这会导致误均衡的出现。开路电压法适用于对单体电池的估计，但是不太适合于对电池组的估计，因为在电池组中会有单体电池不均衡现象，该现象会引起电池组容量低的时候电池电压仍然很高的情况[^[7]]。为了改善这种情况，大多数研究人员现在将开路电压或SOC作为平衡目标。他们认为SOC可以基本反映电池组不一致的特性，例如武汉理工大学吴友宇[^[8]]、郑州大学杨洪[^[9]]等。以荷电状态（SOC）作为判断标准进行均衡，就是要在均衡开始前获得电池组中所有单体电池的SOC值，当电池单体荷电状态差异超过预设值时就开启均衡，直到荷电状态差异降到预设值以内后关闭均衡。经过研究发现以电池的荷电状态（SOC）作为判断标准的均衡电路相对来说具有更高的效率[^[10]]。但是现阶段获取SOC（荷电状态）非常复杂，而且精度不够，所以SOC作为均衡目标大多还处于研究阶段，还未投入生产使用，或者可以通过Matlab对均衡进行仿真，验证其均衡成效。

在评估电池组一致性的基础上，平衡控制策略的主要目标是调整每个电池的实际充电电流，以消除电池单体不一致性对整体使用年限和能源利用率的影响，它还可以达到快速充电整个电池组的目的，最终达到使平衡控制系统高效，稳定，快速工作的目的。目前，国内外学者对均衡控制算法的研究主要集中于闭环PID控制算法和模糊控制算法。模糊控制算法指在均衡过程中，电池管理系统实时监测电池组各单体电池的参数，同时将收集的电池的各项指标参数传送到均衡模块与模糊控制器中然后与预先设定的参数进行比较，进而完成对整个电池组的均衡控制操作。但是此种算法的精准度无法保障，而且控制过程较为复杂。闭环PID控制算法指，系统将收集到的电池指标与预先设定的参数进行比较，然后对电流误差运算，最终达到电流偏差接近零的目的。闭环PID控制算法可以显著提升均衡控制的精度和稳定性。

1.2.2 均衡电路拓扑的研究现状

均衡电路拓扑的设计，主要指电池均衡的硬件实现方式[^[11]]。均衡电路按是否损失能量可以分为能量耗散型和能量无耗散型两种，能量耗散型也被称为被动均衡方法，能量无耗散型也被称为有源均衡方法。能量耗散型均衡是通过在电池组中各单体电池两端分别并联分流电阻进行放电，从而实现均衡[^[12]]。研究人员一致认为最为简便的均衡技术是通过分流电阻来达到放电的目的，使用分流电阻对能量高的电池单体放电，直到所有单体电池容量齐平。此方法简单直白、成本也低，但同时也带来了一些问题，无论电池是处于何种状态，充电状态或是放电状态，为了使各单体电池的容量一致，分流电阻会不断地将单体电池能量以热能的形式释放。如果将此方法投入电动汽车的电池组的均衡应用，将会大大减少电池组的续航里程。所以实际生产生活中，以能量耗散型为均衡控制的均衡电路会逐渐淡出人类视野。能耗无耗型均衡电路与耗能型均衡相比，能量损失较小，因此一直是研究的热点。按能量变换方式，可分为能量转移式均衡和能量转换式均衡[^[13]]。能量存储元件电容或电感将能量从锂电池组中的高容量单电池传递到低容量单电池称为能量传输型均衡。通过DC-DC转换器电路，整个电池组（或通过外部输入电源）可以将电补充到低容量单体电池中，并且高容量单体电池的剩余容量也可以通过隔离转换电路向剩余的低容量电池充电。最终达到均衡充电的目的。

目前研究侧重于均衡电路拓扑的设计，主要有电阻放电均衡法[^[14]~][^[15]~][^[16]]、开关电容法[^[17]~][^[18]][^[19]]、开关电感法[^[20]~][^[21]][^[22]][^[23]]、双向DC-DC变流器法[^[24]~][^[25]][^[26]]、多绕组变压器法[^[27]~][^[28]]、集散式均衡法[^[29]~][^[30]]等。同时，许多半导体公司也推出了集成电池监控器，如TI公司推出的BQ78PL1114等电池管理集成电路。

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