1.1 能源状况概述

化石能源在世界一次能源消费结构中所占比例长期保持在85%以上，2014年达到 86.3 %。预计到2040年，化石能源在世界能源需求结构中的比例仍将超过70 %。随着石油、天然气、煤炭消费量的大幅增加，化石能源储采比将会下降，长远看全球化石能源资源储量难以为继。大规模化石能源的开发利用还带来了生态环境挑战，主要体现在对大气环境的严重影响、加剧破坏水资源环境、增大对生态系统的影响等方面。化石能源利用排放了大量的 SO2、NOx、烟尘等污染物。目前，全球每年 SO2排放总量约9×t，导致大量的土壤和河流酸化，建筑和古迹被侵蚀 ,能源利用排放的 NOx对陆地、河流和海洋生态系统以及臭氧层有较大的影响，目前城市交通、火电排放的 NOx成为PM2.5的主要来源。同时，火电、交通及其他工业排放的颗粒物持续增加，容易诱发大面积雾霾天气，威胁人类的健康。能源开发利用也带来了水资源大量消耗和污染的问题。能源开发利用容易造成水资源污染问题，包括煤炭利用的废水排放、油气开采的海洋和地下水污染等。同时，全球气候变化已经严重影响人们的生产生活。工业革命以来，人类对化石能源的大量利用导致大气中 CO2浓度升高大量温室气体排放引发了全球气候变化系列问题，针对世界能源发展面临的诸多严峻挑战，变革传统能源开发利用的方式、推动能源新技术应用、构建新型能源体系成为世界能源发展的方向。

1.2 燃油汽车逐步向电动汽车转型

燃油汽车在使用过程中,产生大量破坏生态环境的有害物质, 根据有关分析,汽车废气中各种气体成分约为l000多种,其中对人体危害最大的有如下各种: 一氧化碳(CO) 、碳氢化合物(HC) 、氮氧化物() 、光化学烟雾(氧化剂)、二氧化硫()、臭氧()、 铅等。尾气除了上述的直接污染之外，还会产生许多间接污染，比如的大量排放会导致温室效应。最后，燃油汽车的大量使用还会带来许多噪声污染。

电动汽车以蓄电池的电能为动力,在行使时几乎没有废气排出,比燃油汽车减少92%-98%,是最被看好的“零污染”汽车,因而电动汽车的使用为解决环境污染提供了一条新的途径。

电动汽车与传统汽车相比,在理论上具有不可比拟的环保和节能优势,是解决人类能源和环境压力的最有效手段,也是国际汽车工业发展的潮流和热点。所以大力发展电动汽车是一种必然的趋势。

1.3 锂动力电池发展现状

动力电池是电动汽车的能量载体，其性能直接影响着电动汽车的续驶里程及成本。

目前，电动汽车整车以及电机控制技术已相对成熟，而电池技术由于受电池比能量、使用寿命、充电时间以及成本的限制成为了行业的研究热点。车用动力电池的类型主要有铅酸电池、镍氢电池、锂动力电池以及燃料电池等，它们性能各有差异。锂动力电池的比能量和比功率较高，并且自放电率低，循环寿命长，在电动汽车上应用比较广泛。锂动力电池根据正极材料的不同主要可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料四种类型，其中磷酸铁锂电池的比能量虽然处于中等水平，但是由于其价格低，安全性好的优势而得以广泛应用。近年来，随着电池技术的不断发展，锂动力电池已被广泛应用到电动汽车上，表1.1统计了国内外几款已量产的电动汽车动力电池信息。

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，目前国内外市场上电动汽车应用最多的电池是磷酸铁锂电池，三元锂电池和稀土锂电池也在积极推广使用中。

1.4 动力电池面临的挑战

为了满足驱动电机供电电压和整车续驶里程的要求，电池组需要通过上百节电池单体串联或并联而成。电池单体之间的不一致性会使电池组在使用过程中存在“木桶效应”，锂离子电池的不一致性是指，即便是同一批次、同一型号电池在出厂时，一些重要参数如最大容量、自放电率、电压、内阻等存在细微差异的现象。当动力锂电池根据实际需要串联成组时，这些差异会体现的更加明显并且不断扩大。锂电池组产生不一致性的原因主要有三个方面：生产过程的不一致、使用过程的不一致以及储存过程的不一致。“木桶效应”即在电池组充电过程中，当某一节电池达到其最高截止电压时，整个电池组进入恒压充电阶段，此时其他电池可能并没有充满就被迫转入此阶段，而恒压充电阶段时间较短，充入的容量有限，这部分在恒流阶段没有充满电的电池最终还是处于未满电状态；在电池组放电时，当某一节电池达到其最低截止电压时，整个电池组停止放电，此时其他电池可能还储存一定的电能。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。

所以，我们需要用合适的方法对其进行分选来改善电池组的不一致性，提

高电池组的容量利用率。锂离子电池组主动均衡充电电路的设计就具有十分重大的意义。

1.5 均衡电路

根据对所传递能量的处理方式不同，均衡电路可以分为两种：被动均衡和主动均衡。其中，被动均衡又称能量耗散式均衡，主动均衡又称能量非耗散式均衡。被动均衡方法是通过能量耗散型元器件将充电过快的不均衡电池的多余能量以热损耗的形式排掉，直至该电池电荷量与电池组中其他电池或者与参考电荷达成一致。这类均衡电路拓扑的优点是成本较低、控制策略简单，在目前BMS中应

用较多。国内学者如陈广、李索宇等，在具体设计均衡结构时，均把被动均衡拓

扑结构作为整个均衡电路的其中一部分。另外，Preh Gmb H公司研发出了的带有被动均衡控制模块的BMS，已经被宝马公司Active E混合动力汽车采用。

主动均衡是通过能量转移的方式，对不均衡电池的能量进行重新分配，使能量较高的电池，把多余的能量补充给能量较低的电池，最终实现电池组的能量均衡。按照转移能量的中间储能元件和拓扑结构的不同，主动均衡的基本结构类型有三种，分别是电容式、电感式和 DC/DC 变换器式。电容式均衡是一种间接的能量转移，这种方法以电容作为储能元件，在电路中通常辅以开关器件加以控制，使能量较低的电池吸收能量较高的多余的能量，达到电池组一致性的效果。Cao J等人曾用此电容式均衡方法。该方法虽然有着较好的均衡效率，且实现难度小，但缺点是只能实现相邻电池间的能量转换，需要耗费较长的均衡时间，而且电容在上电的一瞬间容易产生冲击电流。Phung TH 等人选择了电感式均衡方法，实现了大电流均衡，但同样只能在相邻电池之间完成能量的流动，在电池数量较多时，要完成相隔较远的两节电池之间能量转移，需要耗费较多的时间，这是由于均衡能量在不断流动过程中导致损耗增加。王旭光等学者研究了一种多磁芯变压器的均衡拓扑结构，这种方法使每节电池都对应一个磁芯。此方案均衡时间短、效率高，但成本较高。此外，变压器漏磁伴随着能量效率损失，而且当变压器出现磁芯饱和现象时电路存在安全隐患。

总体来说，被动均衡虽然结构简单，容易控制实现，但不适用于电池组的放电阶段，且存在能量浪费、均衡效率低的缺点。主动均衡虽然结构较复杂，控制实现难度大，但能适用于电池组充放电工作以及搁置这三个阶段，且在提高电池组使用寿命和容量利用率方面具有更好的效果，是研究者未来主要的研究方向。

1.6 锂离子电池均衡技术研究

对于小容量、低电压的应用场合，电阻分流法因为其实现简单、成本低廉成为最主流的方案。但是在大容量、高电压的场合，这种方法的能耗太大，显然是不可取的。如果可以将能量过高的电池单体的能量直接回馈给能量不足的电池，可以有效的减少电池组的损耗。基于这一思想用继电器网络配合辅助充电电路或者传递能量的电容实现的均衡电路在超级电容大巴车中已经有所应用，可是继电器网络和连线十分复杂，其控制精度和动态性能也很难得到保证。

锂离子电池主动均衡管理技术是指使锂离子电池组能量在各个单体电池之间相互传递或者转移也就是削峰填谷的一个过程，有各种各样的拓扑结构。电容式、电感式、都有实现能量的击鼓传花式的传递也有实现能量精确选通转移式的传递；变压器式、DC-DC变换器式可以实现能量由电池组到单个电池以及单个电池到整个电池组的转移，从而也可以达到精确控制削峰填谷的作用，各种均衡方法根据拓扑结构的改变变化出各式各样的电路样式，总而言之这些所有的方式都是达到同一个目的，即均衡电池组。目前国内外的研究主要集中在两个方面：开关电容法和DC-DC变换器法。

（1） 开关电容法

开关电容法属于电容式均衡，电容式均衡是将电容作为能量存储的载体，使电池电压高的单体能量流向电容，再通过电容与电池电压低的单体连接，能量实现从电压高的单体向电压低的单体传送，是主动均衡的一种方式，由于电容交替地连接不同的电池，所以也将电容式均衡方法称作飞度电容法，由于均衡电流受电容电压与电池组中单体电池电压之差的限制，随着均衡过程的进行，均衡速度会越来越慢。

开关电容法即利用开关和电容的组合实现能量在相邻电池之间的传递（见图1.1），直到所有电池达到一致的电压。这种方法损耗很小，但是存在以下一些问题：

1．由于没有传感器，当有异常情况时可靠性不能保证；

2．只能实现电压均衡，无法做到SOC均衡；

3．均衡的效率较低，不适合大电流充电时的快速均衡；

4．相邻电池电压差很小时，均衡时间将非常长。

图1.1 开关电容法框图

综上分析，电容式均衡方法是将电压较高的单体电池的能量转移到电压较低的单体电池，均衡速度和压差关系很大，当压差较小时，电压要达到一致需要很长的时间，而且单体电池节数过多的话，均衡速度也会很慢。

（2）DC-DC变换器法

所谓的直流变换器是由功率半导体器件（开关管和二极管）和储能元件（电感和电容）组成的。通过对其中开关管的通断控制，将一种数值的直流电压转换成所需要的另一种数值的直流电压，并控制输入直流电源与负载之间的功率流动，也叫做DC-DC变换器。

利用电力电子的方法进行均衡，按结构可分为集中式和分布式两种。从理论上讲没有损耗，是现在锂电池均衡研究的主流方案。

1）集中式带变压器的均衡方案

这种拓扑通过一个多输出的变压器，将能量传递到电压最低的电池中。初级和正极采用正激和反激比较多。这种结构的主要优点是均衡效率很高，速度很快。但是其缺点也很明显：次级绕组很难匹配，变压器的漏感所造成的电压差也很难补偿，不易于模块化，开关管耐压高等，故实际应用困难。

2）分布式均衡方案

分布式的结构是在每个电池单体两端并联一个均衡电路，属于放电式均衡，即能量过高的电池向整个电池组或其余电池放电。其特点是易于模块化，不足之处在于器件较多。

综上所述，DC-DC变换器式方法采用现有的DC-DC模块实现均衡管理，具有小型化和模块化的优势，但是受限于目前的DC-DC封装技术。

本文主要通过使用bq76PL455A来完成设计实现锂离子电池组主动均衡电路。基于其Ti的bq76pl455AQ1集成式16节电池和保护器件，可搭建一套完整的被动电池均衡解决方案。bq76pl455AQ1可和检测包括过压、欠压、过热和通信故障等多种故障，多允许十六个bq76pl455AQ1器件通过单个uart接口与主机通信，利用TI公司1402EVM实现的电感式主动均衡管理系统完成均压电路的设计。

电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，因此理论上损耗为零。电感常用作储能元件，也常与电容一起用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称它为扼流圈。其特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰波。

采用电感的均衡电路原理图如图1.2所示。随着左右两个开关的交替幵启和关断，能量实现了由电池到电感再到电池的转移，由于电感是无损器件，所以电路的转换效率较高。

图1.2 电感均衡示意图

采用本方案实现多节电池的串联均衡方法简单，缺点是由于电感上电流的流向问题，因此只能在相邻的两节之间转移能量。本设计采用的是电感式双向无损均衡，设计结构简单，扩展容易，高频化的幵关工作，使均衡系统更加小型化，有极大优势。

2. 研究的基本内容与方案

第一章主要介绍了国内外的能源和燃料消耗状况、动力电池均衡研究的意义，指出新能源是当今社会发展的重点，以锂离子电池作为动力源的电动汽车的发展更是备受青睐，均衡技术的研究对提高电池组利用率、使用寿命具有重要意义。但是在锂离子电池组中我们需要克服电池单体之间的不一致性。本文主要通过使用bq76PL455A-Q1器件来监视和均衡6至16节电池（bq76PL455A器件是一款集成式16节电池监视和保护器件，转为高可靠性汽车应用而设计。凭借集成的高速、差分、电容隔离式通信接口与，最多允许16个bq76PL455A器件通过单个高速通用异步收发器（UART）接口与主机通信。），期望设计出锂离子电池组主动均衡充电电路。

本文通过对串联锂离子电池组主动均衡技术的研究，设计一种可用于多节串联锂离子电池主动均衡的电路，包括对均衡电路的选择，均衡方法的选择，以及均衡硬件电路拓扑和软件的设计与实现，最后再进行均衡实现方案的建模仿真以及实验验证，最终实现对串联锂离子电池组的均衡控制和管理，从而达到保证电池使用安全、提高电池使用效率、以及延长电池使用寿命的目的。根据均衡过程中是否存在能耗，锂离子电池组均衡方式可以分为能耗均衡和非能耗均衡，本设计使用的是分能耗均衡方式，非能耗均衡即将多余能量从高电量电池无损耗地转移到低电量电池，从而实现电池间电量平衡的均衡方式。根据均衡作用与充电模式的相关程度，锂离子电池组均衡方式还可以分为被动均衡与主动均衡，这里我们选择的是主动均衡方式，此方式和非能耗均衡实现方式一致。早期的均衡系统主要采用能耗均衡，因其结构简单可靠而被广泛应用于低电流等级的场合，但是这种均衡方式效率低，能耗较高，不适用于电动汽车等大电流高功率的应用。非能耗均衡的理论研究出现在上个世纪九十年代，美国、日本和中国台湾等地区的研究人员提出了很多拓扑结构和控制方案，具有较为先进的研究成果。非能耗均衡能够降低均衡电路功耗，减少均衡电路散热带来的安全问题，非常适用于大功率应用，因此逐渐成为串联锂离子电池组均衡方式中主流的研究方向。目前最常见的非能耗均衡实现方式主要有电感均衡和电容均衡两种，由第一章内容可知，本设计选用的是TI公司1402EVM的电感式主动均衡管理系统，电感式主动均衡可较为轻易地实现多节电池的串联均衡，设计结构简单，扩展容易，高频化的开关工作，使均衡系统更加小型化，有极大优势。1402EVM是采用最新汽车电池管理监视器和保护器bq76PL455A-Q1的16节EV / HEV高电流主动平衡解决方案。它通过将bq76PL455A-Q1与双向DC-DC电池平衡器的高集成度和高精度相结合，为大容量电池组提供高性能电池管理解决方案。 这允许16个单元输入中的任何一个按需要被充电或放电高达5A，并且模块可以被堆叠高达1300V。

本论文拟采用的技术方案为使用TI公司的bq76PL455A-Q1作为主控芯片，利用TI公司1402EVM实现的电感式主动均衡管理系统,来解决3-12节串联锂离子电池组中各单体电池的不一致性问题。完成均压电路的设计。以上为均衡电路的选择，均衡方法的选择，以及均衡硬件电路拓扑的选择，为均衡管理系统的设计打好基础。

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1.1 能源状况概述

化石能源在世界一次能源消费结构中所占比例长期保持在85%以上，2014年达到 86.3 %。预计到2040年，化石能源在世界能源需求结构中的比例仍将超过70 %。随着石油、天然气、煤炭消费量的大幅增加，化石能源储采比将会下降，长远看全球化石能源资源储量难以为继。大规模化石能源的开发利用还带来了生态环境挑战，主要体现在对大气环境的严重影响、加剧破坏水资源环境、增大对生态系统的影响等方面。化石能源利用排放了大量的 SO2、NOx、烟尘等污染物。目前，全球每年 SO2排放总量约9×t，导致大量的土壤和河流酸化，建筑和古迹被侵蚀 ,能源利用排放的 NOx对陆地、河流和海洋生态系统以及臭氧层有较大的影响，目前城市交通、火电排放的 NOx成为PM2.5的主要来源。同时，火电、交通及其他工业排放的颗粒物持续增加，容易诱发大面积雾霾天气，威胁人类的健康。能源开发利用也带来了水资源大量消耗和污染的问题。能源开发利用容易造成水资源污染问题，包括煤炭利用的废水排放、油气开采的海洋和地下水污染等。同时，全球气候变化已经严重影响人们的生产生活。工业革命以来，人类对化石能源的大量利用导致大气中 CO2浓度升高大量温室气体排放引发了全球气候变化系列问题，针对世界能源发展面临的诸多严峻挑战，变革传统能源开发利用的方式、推动能源新技术应用、构建新型能源体系成为世界能源发展的方向。

1.2 燃油汽车逐步向电动汽车转型

燃油汽车在使用过程中,产生大量破坏生态环境的有害物质, 根据有关分析,汽车废气中各种气体成分约为l000多种,其中对人体危害最大的有如下各种: 一氧化碳(CO) 、碳氢化合物(HC) 、氮氧化物() 、光化学烟雾(氧化剂)、二氧化硫()、臭氧()、 铅等。尾气除了上述的直接污染之外，还会产生许多间接污染，比如的大量排放会导致温室效应。最后，燃油汽车的大量使用还会带来许多噪声污染。

电动汽车以蓄电池的电能为动力,在行使时几乎没有废气排出,比燃油汽车减少92%-98%,是最被看好的“零污染”汽车,因而电动汽车的使用为解决环境污染提供了一条新的途径。

电动汽车与传统汽车相比,在理论上具有不可比拟的环保和节能优势,是解决人类能源和环境压力的最有效手段,也是国际汽车工业发展的潮流和热点。所以大力发展电动汽车是一种必然的趋势。

1.3 锂动力电池发展现状

动力电池是电动汽车的能量载体，其性能直接影响着电动汽车的续驶里程及成本。

目前，电动汽车整车以及电机控制技术已相对成熟，而电池技术由于受电池比能量、使用寿命、充电时间以及成本的限制成为了行业的研究热点。车用动力电池的类型主要有铅酸电池、镍氢电池、锂动力电池以及燃料电池等，它们性能各有差异。锂动力电池的比能量和比功率较高，并且自放电率低，循环寿命长，在电动汽车上应用比较广泛。锂动力电池根据正极材料的不同主要可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料四种类型，其中磷酸铁锂电池的比能量虽然处于中等水平，但是由于其价格低，安全性好的优势而得以广泛应用。近年来，随着电池技术的不断发展，锂动力电池已被广泛应用到电动汽车上，表1.1统计了国内外几款已量产的电动汽车动力电池信息。

表 1.1国内外几款已量产电动汽车动力电池信息