1.锂离子电池主动均衡技术研究意义及现状

1.1锂离子电池主动均衡技术研究意义

随着人民日益增长的对绿色出行的需要以及当今能源和污染问题复杂化，世界各发达国家都加紧了对新能源汽车技术的研究，并且不断取得巨大突破。电动汽车是新一轮汽车变革的重要基础，也是解决当今环境污染和能源问题行之有效的方案。汽车电动化已成为当今时代不可逆转的潮流。

动力电池是电动汽车至关重要的一部分，其性能好坏直接影响到电动汽车整体表现。评判车载动力电池性能的好坏主要从以下几个角度考虑：能量密度、能量体积密度、比功率、循环次数、单体电压、工作温度等。当前应用于电动汽车领域的电池主要包括：铅酸电池(VRLA)、镍氢电池(Ni-MHbattery)、锂离子电池(Li-ion Battery)等。表1-1为上述三款动力电池主要参数的对比：

表1-1三种电池的主要参数对比（[1] 中国机电信息网.2009 年中国汽车（电动车）动力电池行业分析报告[R].2009.）

由上表可知，锂离子电池以其高能量密度、高能量体积密度、长使用寿命等优点成为纯电动汽车动力电池的最优选择。目前单节锂离子电池标称电压只有3.7V，而驱动电动汽车往往需要高达上百伏甚至几百伏的电池电压，这就决定了在使用过程中必须将数十节乃至上百节的电池串、并联起来组成电池组，以满足车辆对电压、容量、功率的需求。

当多节电池串、并联在一起组成电池组时，电池单体之间存在不一致性，造成不一致性有如下原因：。

1) 材料精密纯度不稳定，导致最终产品性能不一致。用不同批次的正负极和电解质生产的电池单体不能混用。分选手段不能反映未来一段时间后的电池状态，所以目前的处理方法是避免混用。

2) 电池生产过程的不一致性。电池生产过程复杂，如图1-1所示。在整个过程中，每个步骤的一致性非常重要。涂层工艺是最难达到一致性的，涂层的厚度和均匀性以及材料的活性不易通过机械手段控制，是造成单体差异的主要过程。生产过程中的差异只有在分离过程中才能得到弥补。

图1-1电池生产工艺过程

3) 循环使用过程造成的不一致性。单体在整个电池组中的位置是不同的，模块中心的单体与模块最外层的单体在散热条件上有很大的差异，铜排与模块集热器的相对位置不会造成热环境的不一致。铜排是良好的热导体，比电池有更高的散热能力。电池相对于集电极铜排的位置不同，会导致电池之间的散热条件不同。结果表明，温度的不一致性将对电池的不一致性产生重大影响，使电池芯不一致性加剧。

由电池单体不一致性存在而造成的影响，具体可表述为：

1) 整体容量缩小。电池组由电池单体组成，其容量符合“桶形原理”。最低容量的单体决定了整个电池组的容量。为了防止电池组过充电和过放电，电池组管理系统的逻辑设置如下：放电时，当最低的单体电压达到放电截止电压时，整个电池组组停止放电；充电时，当最高单体电压达到充电截止电压时，整个电池组停止充电。

2) 整体寿命减少。电池组的寿命也由最短的电池决定。很可能最短的电池寿命是小容量的。小容量电池，每次都满充满放，很可能首先结束寿命。一旦该电池的寿命结束，整个电池组跟着寿终正寝。

3) 电池内阻增大。内阻不同的电池流过相同电流时，内阻大的电池发热较大。电池温度过高，加快劣化速度，进一步升高内阻。使高内阻电池加速劣化。

由此可知，当前迫切需要研究电池均衡电路以削弱电池单体的不一致性，提高动力电池性能、延长电池组寿命和提高电池系统稳定性。

1.2锂离子电池主动均衡技术国内外研究现状

均衡技术的研究主要集中在两个方面：均衡策略研究和均衡电路拓扑研究。均衡策略的研究主要集中在寻找合适的均衡变量，并在一定的统计方法的基础上建立不一致性评价指标，根据均衡电路找到合适的均衡路径，建立最优均衡阈值。均衡电路拓扑的重点是实现均衡的最优电路结构，在保证均衡效率的同时，简化电路结构并且降低成本。

1.2.1电池均衡策略研究现状

均衡策略研究首先要找到合适的均衡变量。当前以三类均衡变量为主：

1) 基于电池电压的均衡；

2) 基于电池荷电状态（State Of Charge，SOC）的均衡；

3) 基于电池容量的均衡。

2008年，美国George Altemose（[2] GeorgeAltemos. A Battery Electronics Unit(BEU) for Balancing Lithium-Ion Batteries [C].Power Systems Conference,Washington, SAE International, November 11-13, 2008.）基于电池管理系统以工作电压作为充放电截止条件的考虑，以工作电压作为均衡变量，谋求充放电过程中工作电压保持一致。

2014年，合肥工业大学的郑文一、胡社教、牛朝等（[3] 动力电池组主动均衡方案研究[J]．电子测量与仪器学报．2014（07）:710-716）基于SOC作为均衡判断依据，设计了一种结合飞度电容法和变压器法的新型主动均衡方案。

2017年，王立业、王丽芳、刘伟龙（[4] 基于容量差的电动汽车主动均衡控制策略研究［Ｊ］．电工电能新技术，2017（11）:44-50）提出了基于容量差的电动汽车主动均衡控制策略，通过电池容量与电压的关系，求取电池的容量差进而得出开启均衡的持续时间。

以上三类均衡变量各有优劣，对比如表1-2所示：

表1-2均衡判断标准优缺点对比

1.2.2电池均衡拓扑研究现状

根据对均衡过程是否有主动控制参与，均衡电路拓扑结构可以分为被动均衡（Passive Balancing）和主动均衡（Active Balancing）。主动均衡根据能量是否耗散又可分为能量耗散型和能量非耗散型。如图1-2所示：

图1-2电池均衡电路分类

由于被动均衡存在均衡电流小、消耗时间长、效率低等缺点，此处不作过多介绍。以下着重介绍主动均衡中能量耗散型以及能量非耗散型均衡电路拓扑结构。

2007年，江苏大学张好明、孙玉坤、庄淑瑾提出了基于TL431的锂电池均衡电路研究。TL431是一并联型三端稳压管，孙玉坤团队设计的均衡电路如图1-3所示。通过调节R1、R2、R3的阻值，当电源电压超过某一设定值时，TL431导通，通过改变功率电阻R4耗能来降低电池电压，使其达到均衡点。

图1-3能量耗散型主动均衡

与耗散型主动均衡相比，非耗散型主动均衡的电路拓扑主要有以下三种：电容法、变换器法和变压器法。其中变压器型包括双向多变压器法以及双向多副边变压器法。

2011年，Kobzev、Pascual等（[5] [C].Power Electronics and ECCE Asia (ICPE amp; ECCE), 2011 IEEE8th International Conference on2011 IEEE）提出开关电容式均衡电路拓扑结构，利用电容充放电实现能量转移。开关电容法如图1-4所示：

图1-4开关电容法

2011年，Phung#58853;TH等（[6]Optimizedstructure for next-to-next balancing of series-connected lithium-ion cells[Z].20111374-1381）提出PWM控制转换法，通过调整PWM信号周期控制开关达到调控能量转移速度的目的。PWM控制转换法如图1-5所示：

图1-5PWM控制转换法

2009年， Bonfiglio, C. 等（[7]A costoptimized battery management system with active cell balancing for lithium ionbattery stacks[Z].2009304-309）提出双向多副边变压器型，将副边每个单独的变压器整合到一起构成多副边变压器，与使用多个变压器相比，缩小了体积，但成本造价仍旧很高。双向多副边变压器法如图1-6所示：

图1-6双向多副边变压器法

综合上述1.2.1和1.2.2，本次研究拟采用SOC为均衡变量，并采用双向多副边变压器法，实现锂离子电池主动均衡，从而提高锂离子电池组续航能力、使用寿命。

2. 研究的基本内容与方案

2.技术方案及措施

2.1锂离子电池建模

2.1.1锂离子电池模型分类

电池模型主要有电化学机理模型和电气模型两大类。电化学机理模型根据电化学反应过程来描述电池，模型复杂度较高，而且模型参数受电极材料、形状等因素影响，准确度不高，主要用于优化电池设计结构，计算温度参数。电气模型又叫等效电路模型，至今为止一共经历了四代的发展。具体如表2-1所示：

表2-1不同电气模型对比（[8]肖岩等，基于Simulink的动力锂离子电池建模研究）

考虑到实际应用中，电池模型需在复杂性和准确性之间取得平衡。因此，本文决定使用一阶RC模型。并且以电池外电压作为均衡的主要控制变量。

2.1.2锂离子电池状态空间建模

如图2-1所示，在一阶RC电路模型中，令Rs两端电压为Vs，Rd两端电压为Vd，理想电压源电压为Voo，模型端口开路电压为Vo（即电池输出电压），并设电流为IO。由基尔霍夫电压、电流定律可得：

Vo=Voo-IORs-Vd （2-1）

IO=CddVddt VdRd （2-2）

图2-1一阶RC电路模型

选取状态变量x1、x2表示Rd两端电压为Vd和理想电压源电压为Voo，以u为输入变量表示电池电流IO，以y为输出变量表示电池输出电压Vo，建立连续系统状态空间表达式：

x=-1RdCd000xt 1Cd0u(t) （2-3）

y=-1-1xt -Rsu(t) （2-4）

考虑到实际需要，将连续系统按采样周期T进行离散，如式（2-5）、（2-6）所示。

xk 1T=GTxkT HTu(kT) （2-5）

ykT=CTxkT DTu(kT) （ SEQ Figure * ARABIC 2-6）

其中GT=eAT=e-TRdCd001，HT=kTk 1TeA[k 1T-τ]Bdτ=Rd(1-e-TRdCd)0。将上述各变量代入后，得：

Vdk 1T=e-TRdCdVdkT Rd(1-e-TRdCd)IO(kT) （ SEQ Figure * ARABIC 2-7）

V00k 1T=VookT （ SEQ Figure * ARABIC 2-8）

2.2锂离子电池均衡电路建模

设计思路：三节锂离子电池串联并且附加相应均衡电路组成一个均衡模块，若干个均衡模块通过级联组成整个锂离子电池。电路均衡时，各模块先进行内部均衡，待实现模块内部均衡后，求出各模块平均电压，通过控制算法按照最高平均电压与最低平均电压的模块进行配对，从而实现整个电池组的快速均衡。

2.2.1均衡模块设计

此前，有学者提出以下均衡模块拓扑图([9]基于多副边变压器的动力电池均衡电路研究 山东大学 纪祥)，如图2-2所示，每个电池均衡模块包括一个由3节电池单体组成的电池组、一个多副边的变压器、一个逆变和整流电路以及由若干个开关组成的选通模块。图中模块１中B1、B2、B3为电池单体，Ｔ是有两个副边的多副边变压器，方框内的部分为逆变电路和整流电路。

图2-2均衡模块拓扑一

这种拓扑设计优点是连线简单，能够实现两个小模块的能量均衡。但通过观察其结构可知，当模块内部均衡电路开启时，假设是上述C1、C2、C3所在模块，均衡开始时，每一节电池，即包含原本电池电压就最低的电池，都需要输出能量到达逆变电路，然后才能通过整流电路将能量送达电压较低的电池处，这无疑降低了均衡的效率。而且无法实现不相邻模块之间的均衡。

受此启发，本次研究在均衡模块设计时针对上述缺陷作了针对性改善，通过修改电路拓扑并增添所需的开关阵列，使得在模块内部，仅仅是电压高的电池输出能量到逆变电路，再经过整流就把能量送到电压低的电池两端，从而提升了均衡效率。此外，本设计还能实现不相邻模块之间的均衡。为此付出的代价是连线更加复杂。本次试验所设计的均衡模块如图2-3所示。

图2-3 均衡模块的组成

简单起见，暂时略去模块中的控制电路以及电池外电压测量电路的具体连接。均衡模块开始工作时，先检测各节电池的外电压，由电压高的那节电池输出能量到逆变电路，得到交流电，然后通过变压器原边到达变压器副边，到达整流电路，得到直流电，直流电到达开关阵列，合上低电压电池的两侧开关后，给电池充电，以实现模块内部均衡。当模块内部达到均衡时，通过检测电路得出各模块平均电压，通过控制算法实现最高平均电压的模块给平均电压最低的模块充电，其余模块类推。给其他模块充电时，因为受体模块已实现内部均衡，故只需合上S7与S12开关，实现三节电池一起充电。

2.2.2主均衡电路设计

在均衡模块的基础上，添加模块与模块之间的具体连接。当整流完成时，输出的直流电一方面可以给所在模块的低电压电池充电。另一方面，可通过控制开关闭合将能量传输到其他模块。需要实现大电压供电时，可通过闭合开关S13实现模块间的电压串联，从而满足所需的电压大小。均衡主电路设计如图2-3所示。

图2-3 均衡主电路设计

2.3均衡控制策略研究

2.3.1不一致性状态评价

前文讨论了不一致性产生的原因以及带来的后果，主要从定性角度分析。实际应用中，要对电池不一致性的程度作出量化判断，以决定是否启动或者结束均衡，因而参考国内学者的研究成果（[10]变压器分立的动力电池组动均衡技术研究浙江大学 朱幸）此处引入量化指标：模块i内部三节电池外电压平均值（记为vi，i=1,2,3…）、模块i内部电压极差（记为r）、模块之间平均电压极差（记为R)。

vi=1jj=13vj,i=1,2,3… （ SEQ Figure * ARABIC 2-9）

r=maxvi-minvj,i=1,2,3 j=1,2,3 （ SEQ Figure * ARABIC 2-10）

R=maxvi-minvj,i=1,2,3…j=1,2,3… （ SEQ Figure * ARABIC 2-11）

模块i内部三节电池外电压平均值vi反映了模块内部电池的总体水平，是实现高平均电压模块与低电压模块相匹配的基础。模块i内部电压极差ri反映模块内部电池最大离散程度，电池组充电时，当有一节电池达到充电截止电压时，整个电池组即停止充电；电池组放电时，当有一节电池达到放点截止电压时，整个电池组停止放电。故模块内部电压和模块之间平均电压极差成为衡量模块内部和模块之间的均衡电路是否开启或者停止的重要指标。

以20Ah磷酸铁锂电池为例，其开路电压的变化范围是3.211~3.345V（[11]纯电动汽车锂离子电池组均衡策略研究及系统实现 吉林大学 郝晓伟），开路电压变化范围是0.134V，按平均计算，SOC每变化0.1时，开路电压平均值变化13.4mV。在电池恒流放电的情况下，单体电池SOC在[0.1,0.9]范围内，每变化0.1，电池电压变化10mV左右，如表2-2所示。

表2-2 20Ah磷酸铁锂电池不同倍率放电工作电压变化表

充电情况和放电情况相类似，故可以将均衡开启或者关闭的电压极差阈值设定为10mV。即当电压极差大于10mV时，开启均衡电路；当极差小于10mV时，关闭均衡电路。当出现极端情况，即模块内部电压极差大于10mV，模块之间的平均电压极差也大于10mV时，设定控制算法，先实现模块内部均衡，再处理模块间的均衡。

2.3.2均衡控制策略

实际使用时，通过电池外电压检测电路实现对各模块各节电池电压数据的实时采集，当模块内部任意两节电池电压相差超过10mV时，模块内部均衡电路开启，将高电压电池能量分配一部分到电压低的电池，直到任意两节电池电压相差小于10mV，以此实现模块内部均衡。当模块内部实现均衡之后，求出各模块内部电压平均值，比较模块之间的差值，如果任意两个模块之间电压差值小于10mV，则不启动模块之间的均衡。若不满足，则按照最高平均电压与最低平均电压模块匹配的原则，实现模块之间的快速均衡。若出现极端情况，即模块内部和模块之间均存在电压极差大于10mV的情况时，通过控制算法，优先实现模块内部均衡，再处理模块之间的均衡。以上均衡控制策略的指令流程图如图2-4所示。

图2-4 均衡控制策略指令流程图

第1周 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范；

第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩；

第3周 撰写毕业设计论文目录，需获得指导老师认可；

第4周 深化、细化技术方案内容；

第5-7周 根据理论，采用Matlab搭建模块进行仿真理论；

第8-10周 结合仿真结果进行分析，提出改进思路和办法；

第11-14周 根据论文目录撰写正文，内容层次清楚，格式规范；

第15周 修改、完善论文；

第16周 打印论文，准备答辩。

1.锂离子电池主动均衡技术研究意义及现状

1.1锂离子电池主动均衡技术研究意义

随着人民日益增长的对绿色出行的需要以及当今能源和污染问题复杂化，世界各发达国家都加紧了对新能源汽车技术的研究，并且不断取得巨大突破。电动汽车是新一轮汽车变革的重要基础，也是解决当今环境污染和能源问题行之有效的方案。汽车电动化已成为当今时代不可逆转的潮流。

动力电池是电动汽车至关重要的一部分，其性能好坏直接影响到电动汽车整体表现。评判车载动力电池性能的好坏主要从以下几个角度考虑：能量密度、能量体积密度、比功率、循环次数、单体电压、工作温度等。当前应用于电动汽车领域的电池主要包括：铅酸电池(VRLA)、镍氢电池(Ni-MHbattery)、锂离子电池(Li-ion Battery)等。表1-1为上述三款动力电池主要参数的对比：

表1-1三种电池的主要参数对比（[1] 中国机电信息网.2009 年中国汽车（电动车）动力电池行业分析报告[R].2009.）