摘 要

随着生活水平的提高，人们对环境污染问题也越来越重视。传统燃油车排放尾气是造成环境污染的一大重要因素。因此，零排放的电动车已成未来汽车发展趋势。电动汽车的最重要部件之一为储能机构。目前电动汽车的储能机构主要由多个锂离子电池单体通过串并联的电池组实现。然而，电池组中的电池单体受工作环境及本身状态影响，电压、容量、特性等方面会出现不一致，这使得电池组的可用容量和工作寿命受到影响。

针对电池组单体电池的不一致性问题，主要的解决方法有被动均衡电路和主动均衡电路。考虑到主动均衡的高效性，本文设计了一套锂离子电池主动均衡电路。本文的主要工作包括介绍锂离子电池主动均衡国内外研究现状及基于变压器均衡的主动均衡电路介绍；设计了一套基于单端正激电路与逆变器相结合的均衡电路及均衡策略；并通过仿真验证了所提出的均衡电路在静置、充电、放电状态下的均衡效果。

通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型，仿真了所设计的主动均衡电路在静置、充电、放电状态的均衡效果。仿真结果表明所设计电路在三种状态下均实现了锂离子电池的均衡充放电，达到了设计目标。

关键词：锂离子电池；主动均衡电路；变压器

Abstract

With the improvement of living standards, people pay more and more attention to environmental pollution. Exhaust gas from traditional fuel vehicles is an important factor in causing environmental pollution. Therefore, zero-emission electric vehicles have become the trend of future car development. One of the most important components of an electric vehicle is an energy storage mechanism. At present, the energy storage mechanism of an electric vehicle is mainly realized by a plurality of lithium ion battery cells through a battery pack connected in series and in parallel. However, the battery cells in the battery pack are affected by the working environment and its own state, and the voltage, capacity, characteristics, and the like may be inconsistent, which affects the available capacity and working life of the battery pack.

For the inconsistency of battery cells, the main solutions are passive equalization circuits and active equalization circuits. Considering the high efficiency of active balancing, this paper designs a set of active balancing circuits for lithium-ion batteries. The main work of this thesis includes introducing the research status of active balancing of lithium-ion battery at home and abroad and the introduction of active equalization circuit based on transformer equalization. A set of equalization circuit and equalization strategy based on single-ended forward circuit and inverter are designed. The equalization effect of the proposed equalization circuit in the state of standing, charging and discharging is verified.

By setting up the MATLAB/Simulink simulation model, the equilibrium effect of the designed active equalization circuit in the static, charging and discharging states is simulated. The simulation results show that the designed circuit realizes the balanced charge and discharge of lithium-ion battery in three states, and achieves the design goal.

Key Words： Lithium Ion Battery；Active equalization circuit；Transformer

目录

第1章 锂离子电池主动均衡技术研究意义及现状 6

1.1 锂离子电池主动均衡技术研究意义 6

1.2 锂离子电池主动均衡技术国内外研究现状 8

1.2.1 均衡策略研究现状 8

1.2.2 均衡拓扑研究现状 8

1.3 课题研究内容及章节安排 11

第2章 锂离子电池特性及变压器均衡电路 12

2.1 锂离子电池充放电特性 12

2.2 变压器均衡电路 13

2.3 变压器均衡控制策略 15

2.4 本章小结 16

第3章 均衡电路设计 17

3.1 半桥逆变整流电路 17

3.2 单端正激电路工作原理 20

3.3均衡控制策略 23

3.3.1 半桥逆变整流电路控制策略 23

3.3.2 正激变换电路控制策略 24

3.3.3 工作情况说明 25

3.4 本章小结 26

第4章 均衡电路的仿真验证 27

4.1 均衡电路参数设计 27

4.4.1 半桥逆变整流电路参数设计 27

4.4.2 正激变换电路参数设计 28

4.2 均衡电路模型搭建 28

4.3 均衡电路仿真结果 29

4.3.1 静置状态下的均衡特性 29

4.3.2 放电状态下的均衡特性 30

4.3.3 充电状态下的均衡特性 30

4.4 本章小结 31

第5章 结论与展望 32

5.1 本文主要研究结果 32

5.2 下一步研究方向 33

致谢 34

参考文献 35

附录 36

第1章 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

随着当今环境污染问题恶化，节能环保、绿色出行成为一种越来越受人们欢迎的生活方式，英、美、日、德等多个发达国家普遍都加紧了对新能源汽车技术的研究，并不断取得突破。电动汽车是全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的重大突破口。汽车电动化已成为汽车行业当代发展的主旋律。

电池是电动汽车的动力输出核心，其质量会直接影响电动汽车的整体表现。评判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。当前市面上用于电动汽车领域的动力电池主要有以下几种^[1]：铅酸电池(VRLA)、镍氢电池(Ni-MH battery)、锂离子电池(Li-ion Battery)等。以下表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^[2]

由上表可知，与铅酸电池、镍氢电池相比，锂离子电池在能量密度、能量体积密度、使用寿命等方面综合起来，表现得更为出众，凭借这些优点，锂离子电池成为纯电动汽车动力电池的最佳选择。目前单体锂离子电池的标称电压只有3.6V左右，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，以满足驱动起电动汽车的要求。

当多节电池串、并联在一起组成电池组时，电池单体之间存在各种差异（下面称为不一致性），造成不一致性主要有如下几个原因：

1. 生产材料精密纯度不稳定，导致最终产品性能不一致。生产过程中用不同批次的正负极和电解质生产的电池单体不能放在一起混合使用。生产后期所采用的分选手段并不能反映各电池在未来使用一段时间后的电池状态，所以目前的处理方法是避免混合使用。
2. 加工步骤过程引起的不一致性。电池生产过程如图1-1所示。在以下多个加工步骤中，每一个都对一致性有很高的要求。其中涂布工艺最不容易达到一致性的指标，因为该过程难以通过机械手段去保证涂层的厚度和均匀性等，这是造成单体差异的主要过程。生产过程中造成的差异需等到分选配组的过程弥补。

来料搅拌

涂布

切片

叠片

烘烤

注液

封装

搁置

化成分容

搁置

入库

测OCV、DCR

分选配组

图1-1电池生产工艺过程

1. 循环使用过程引起的不一致性。就电池散热条件来说，由于单体分布在电池组内部各个位置，电池组中心的单体与电池组最外层的单体在散去热量时有较大的差异，研究表明，单体的温度各不相等，将严重加剧整个电池组的不一致性。

由电池单体在电压、工作温度、容量等方面存在的不一致性而造成的影响，具体可表述为^[3]：

1. 电池组容量缩小。电池组由电池单体组成，其整体容量由容量最低的单体决定。为了抑制电池组充电过度和放电过度，电池组管理系统(BMS)的工作模式设置如下：放电时，当最低的单体电压达到放电下限的电压（即放电截止电压）时，BMS输出控制信号，使整个电池组停止放电；充电时，当最高单体电压达到充电上限的电压（即充电截止电压）时，BMS输出控制信号，使整个电池组停止充电。
2. 电池组寿命减少。与容量类似，电池组的寿命也由寿命最短的单体决定而且很可能最短的单体寿命是小容量的。小容量单体，每次都完整充电、完整放电，一旦长时间多次地整充整放，就很可能使得小容量单体首先结束寿命。一旦该电池的寿命结束，整个电池组相当于提前报废。
3. 单体内阻增大。当电流流过内阻不同的单体时，内阻大的单体往往发热较大。当单体温度过高会进一步升高内阻，一来一往形成正反馈，使高内阻单体加速劣化。

由此可知，当前迫切需要研究电池均衡电路以降低单体之间的不一致性，以便提高动力电池实际容量、延长电池组使用寿命和提高电池组的供电可靠性。

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体现在两个方面：均衡策略研究和均衡电路拓扑研究。对均衡策略的研究，关键在于选择合适的均衡变量，通过该均衡变量反映不一致性，并通过不同单体之间均衡变量的差异决定是否启动均衡电路；均衡拓扑的研究重点是提高均衡效率、降低电路成本、简化电路结构。

1.2.1 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。当前以两类均衡变量为主：

1. 基于单体外电压的均衡。 2008年，美国George Altemose^[4]从电池管理系统充放电截止电压得到启发，决定以单体外电压作为均衡变量，试图实现充放电过程中单体外电压一致。以单体外电压为均衡变量的好处是简单直观，电压测量精确；缺点是电压易受其内阻、极化电压、SOC等因素影响，受此波动从而导致均衡判断不稳定，影响均衡效果。因此，以电压为均衡变量适用于在线均衡，不适合动态连续判断以及大电流场合。
2. 基于单体荷电状态（State Of Charge，SOC）的均衡。2014年，合肥工业大学郑文一、胡社教、牛朝等^[3]以SOC作为均衡变量，设计了一种新型主动均衡方案。以电池荷电状态为均衡变量的好处是能够使均衡的精度提高，并确保不同的单体之间放电的深度保持一致；缺点是需要对电池组内各电池的SOC进行准确识别，均衡控制较复杂。因此以SOC为均衡变量适用于在线均衡，动态连续判断。

1.2.2 均衡拓扑研究现状

针对电池均衡是否有主动控制的过程，均衡拓扑可分为以下两种：被动均衡（Passive Balancing）和主动均衡（Active Balancing）。由于被动均衡存在电流小、耗时长、效率低的缺陷，在此不作详细介绍。本文主要介绍主动均衡，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

• • • 1. 耗散型主动均衡：

2007年，江苏大学张好明等^[5]提出了基于TL431的锂电池均衡电路研究。其中，该均衡电路的关键部分如图1-3所示，TL431是一并联型三端稳压管，均衡电路工作时，通过选择合适的R1、R2、R3三个电阻阻值，当电源电压超过给定值时，TL431导通，使电阻R4的功率发生改变，以此来降低单体电压，实现均衡。

图1-3能量耗散型主动均衡

• • • 1. 非耗散型主动均衡：

非耗散型主动均衡主要包括电感分流法、开关电容法、PWM控制转换法、变压器法等。

2010年，Jin-hui Gao等^[6]提出电感分流法，如图1-4所示，假设以SOC为均衡变量并假设最上面一节电池SOC最高，则电路正常工作时，通过均衡策略输出对应驱动信号，使该电池两侧的MOSFET开关管同时闭合，此时电感上下的开关管尚处于断开状态，使得该电池的部分能量转移到电感上，给电感充电；随后，电池两侧的开关管断开，电感上下侧的开关管导通，使得电感中的能量释放出来，给整个电池组充电。类似地，其他的能量高单体也可按照上述过程给整个电池组充电，最终实现整个电池组的均衡。

图1-4 电感分流法

2011年，Kobzev、Pascual等^[7]提出开关电容法，如图1-5所示，该电路的均衡思想是利用电容的充放电特性来转移能量，以实现相邻电池之间的两两均衡，最终实现整个电池组的均衡。具体地说，假设以SOC为均衡变量并假设最上面一节电池SOC最高，则电路工作时，控制策略输出对应的驱动信号，使得该节电池对应的两端开关闭合，电池给最上面的电容充电，然后该节电池两侧开关断开并闭合与之相邻的电池两侧的开关，释放电容的能量给相邻的电池充电，从而使相邻电池的SOC提高。类似地，其他单体也按照上述步骤转移能量，最终实现整个电池组的均衡。

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