锂离子电池组主动均衡电路设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究背景和意义

当前，能源危机和环境保护作为亟待解决的两大主题，受到世界各国政府的关注。在化石燃料的日益枯竭和温室气体对全球环境破坏和污染的大环境下，新能源技术作为解决方案，其发展一直是全世界关注和发展的重要技术。目前而言，现有技术比较成熟的且已经被大规模和多方面开发和利用的现有资源称为常规能源，而新能源则是指尚未被大规模开发利用、正在积极研究和开发的资源，包括了风能、太阳能、生物质能和潮歡能等。新能源技术的发展在世界整个能源供应系统中起着有效补充作用，同时也是环境保护的重要技术手段，是人类社会可持续发展需要的最终的能源选择。

在新能源系统中，太阳能和风能发电受外界环境的影响，如季节、天气等，用电负荷和发电出力不能有效地实现匹配，使电力系统的安全平稳运行受到严重影响。由于存在这些不稳定性，蓄电池作为发电系统的储能设备，可实现系统的＂削峰填谷＂，有效的平稳新能源发电中的波动，被广泛的应用于发电系统中。同时，实现环境保护目标需要解决日益増多的燃油汽车尾气排放等问题，发展清洁能源汽车既可保证汽车数量的持续增长，也可降低石油燃料的消耗和保护环境，因此各国政府和各大汽车厂商普遍把发展电动汽车看成实现生态环境保护政策和汽车工业在当前发展要求下可持续发展的重要组成部分。

蓄电池作为储能和动力装置是新能源技术的核也内容。经过几十年的发展和研究，比较有代表性的蓄电池包括铅酸电池、镇氨电池、镶婦电池和裡离子电池等。相较于其他电池，裡离子电池的质量比能量和体积比能量最高。正因为狸离子电池的能量密度高，可反复充放并且无污染，具各当前蓄电池工业发展的主流要求，因此有较快的增长。

锂电池组由单体锂电池串联而成，由于锂电池生产加工工艺的制约，单体锂电池之间存在着电压、电阻、容量等差异，造成电池组使用时的不一致性的存在，电池组虽然在出厂时具有较好的一致性，但是由于环境的改变和电池的老化，其一致性会逐渐变坏，不同电池的容量可能会产生很大的差异。可能存在这样的状况：某节、某些电池电量放空，某节、某些电池仍有电量，或者某节、某些电池电量充满，某节、某些电池却未充满，这样不但影响电池的续航时间，大大缩短电池的寿命，更严重地可能会造成电池的过充电或者过放电等不可恢复的损坏。

解决锂电池组不一致的问题，除在生产工艺中控制外，另外有效的方法就是研究电池组的均衡方式，通过有效的均衡方式，改善电池组的不一致性现象，提高锂电池组的使用寿命。电池的均衡是将各节电池间不一致的电池容量通过耗散或转换的方法增大其一致性，达到延长续航时间，增加电池寿命的目的。所以，电池的均衡是电池管理的必然要求。

当前的主要均衡方式有主动均衡型和被动均衡型。被动均衡是通过消耗能量来实现均衡，通常以单体电池电压为均衡变量，通过均衡电阻对电压较高的单体电池进行放电，可以实现各单体电池浮充过程的动态一致，也称能耗均衡或者有损均衡；主动均衡通过电容、电感、变换器从高电压的单体电池中转移能量到低电压的单体电池中，从而实现电池组的均衡，也称非能耗均衡或者无损均衡。被动均衡结构简单、可靠性高、经济实用。

1.2国内外研究现状

被动均衡型，采用电阻等耗能元件并联在单体电池电路中，对电压过高的单体电池的电量以热量形式进行消耗，也可以对多节单体电池同时进行均衡。因为将电能转变成热量耗散，所以均衡电流是一个非常关键的因素，若均衡电流大，产生的热量则大，就需要解决散热问题；若均衡电流小，则在大容量电池组中进行均衡的效率很低，需要完成电池组均衡所需的时间较长。每个锂电池单体上并联一个耗能电阻和通断开关。通断开关的控制由单片机系统软件进行控制，耗能电阻的选型应该建立在考虑热量消耗和均衡效率等基础上。该方式应用灵活，操作简单，成本低，目前被广泛应用于锂电池组中，但因为消耗能量产生的热量但因为耗能电阻的选型问题，一般选择于均衡充电过程中，适用于小容量电池。Jae-Won K 等在其专利中提出根据 OCV-SOC 曲线变化，利用电阻进行被动均衡的方法，图 1 为这种方式的均衡原理图，DR1、2、3 为消耗电阻，OCV-SOC 曲线斜率小的阶段，暂停均衡，曲线斜率大的阶段，进行均衡。

图 1 通断分流电阻均衡电路图

国外对均衡技术的研究较早。Daniel Costinett 等人针对电驱动汽车包括纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的主动均衡做了一定研究，题出了一中模块化的旁路转换器，来实现电池的均衡，开发以一套基于 SOC 的主动均衡系统。

国内对均衡技术的研究晚于国外，近几年也有了这方面的研究，但是在最前沿并没有什么突破性的研究，总体上研究进度与水平稍落后于国外。电子科技大学的王京梅、李莉等人设计了均衡电路的拓扑结构，分析了现有的均衡策略，并设计了均衡方案，开发了均衡系统。

在 SOC 估计方面，国外的研究比较成熟，已经出现许多 SOC 的估计方法，Ryan Ahmed 等人针对电池的降阶模型参数估计和 SOC 估计做出了研究，卡尔曼滤波、滑模变结构控制等许多方法也被广泛的研究。相对于SOC 的估计，在电池容量方面的研究并不多，L. Chen 等人对基于灰色系统的电池容量估计做出了讨论，Feng Leng, Cher Ming Tan, Rachid Yazami, MinhDuc Le 等人从电化学的角度对电池容量估计的算法进行了研究。

均衡策略是电池均衡控制的核心问题之一，它直接决定硬件如何对电池实施均衡。一个好的均衡策略，应该是有效的、精度高的、尽可能快速且易于实现的。早在动力电池开始大规模使用初期均衡技术就已受到关注。随着节能环保概念的深入人心和不可再生能源的出现的殆尽危机，动力电池的循环寿命、使用成本和安全性能等与人类工业化进程息息相关的问题备受关注，更多的工程师开始意识到，均衡问题是串联电池组的核心限制因素。这项技术的好坏对于电池的各项性能指标的优劣有着至关重要的作用。目前以下几种均衡策略使用较为广泛：电压最大值均衡法、平均值及差值比较法和模糊控制法。

对于池组的 SOC 估计方法，国内外的研究都计较广泛。方法其中有经典的按时积分法以及电池的等效电路模型。近些年发展起来的方法有卡尔慢滤波法、神经网络法、线性模型法及一些其他衍生的算法。SOC作为系统参数。它是一个非常敏感的状态。它的估计准确度会受到许多因素的影响。比如充放电电流的大小。对于充放点电流大小不一致的情况。系统的 SOC 值可能不同。大电流放点达到节止点压后可认为 SOC 为零。减小电流依然可以放电，这时则 SOC 不为零。温度对于电池来说也有非常大的影响。自放点现象：尽管锂离子电池有较低的自放点率。依然无法避免。这会导致电量的流失。从而影响 SOC 的估计精度。电池的老化：锂离子电池的寿命、充放点循环数。虽然已经有较大提高。但是随着充放点次数的增多，电池的电化学特型也会发生变化。目前市场上电动汽车产品。基本采用按时积分法来估计 SOC。

目前国外的均衡研究主要还是以基于 SOC 均衡为主，因为仅仅对于SOC 的估计而不对电池最大容量进行估计的话，要简单得多，也易于实现。并且对于 SOC 的估计的研究已经进行多年，方法也较为成熟，卡尔曼滤波、滑模变结构控制等许多方法都被采用。但是对于电池最大容量的研究就较少，在很大程度上被忽略，因为对于电池最大容量的估计较为困难，要涉及到电池的电化学方面的知识，但是对于电池最大容量的研究已经展现苗头，将成为不久后的研究热点。

总体来说目前均衡方法与均衡电路的设计种类繁多，但是多数的结果并不理想，有些均衡方法和均衡电路过于复杂，因为电动汽车上的电池模组较多，会造成资源的耗费和成本的提高，有些则过于简单，实际均衡结果精度很低误差很大。所以易于实现且精度较高、适合多工况、效率高的均衡方法与均衡电路是电池均衡研究的必然需求。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究内容与目标

本文将通过对锂离子电池组的均衡管理进行研究，设计一种可用于多节串联锂离子电池被动均衡的电路，包括对均衡策略的选择，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。

2.2拟采用的技术方案及措施

图2 锂电池组被动均衡系统总体结构图

本文设计的锂电池组被动均衡系统采用主从式控制架构，锂电池模块内置从控单元对电池模块内的各单体电池运行状态进行实时管理，包括单体电池电压、温度等信息采集，充电均衡控制和故障处理。锂电池组主控单元通过 CAN 总线与从控单元进行通讯，对电池模块运行状态进行监测，同时采集电池组充放电电压、充放电电流、温度等信息，进行故障报警和保护。主从式控制架构能够最大限度的保证电池安全运行，同时延长电池使用寿命。

锂电池组主从式被动均衡系统由电池模块、电池模块从控单元及电池组主控单元构成，如图2所示。锂电池组包含多个串联的电池模块，各电池模块均内置 1 个从控单元，各电池模块从控单元通过 CAN 总线与电池组主控单元通讯，同时主控单元通过 CAN 总线将电池组状态信息上传至上位机。从控单元可不依赖于主控单元，独立地对相应电池模块内的单体电池进行状态监测、均衡控制和故障保护。

3. 研究计划与安排

第1周：下达毕业设计任务书及要求，查阅国内外研究现状等文献；

第2周：查阅文献，讨论毕业设计任务和内容；

第3章：撰写并提交毕业设计开题报告；

4. 参考文献（12篇以上）

4参考文献

[1] 汪 世 国 . 电 动 汽 车 电 池 管 理 系 统 (bms) 现 状 分 析 [j]. 汽 车 实 用 技术,2014(02):65-67.

[2] davide andrea.大规模锂离子电池管理系统[m]. 机械工业出版社, 2016.