基于混合型DC-DC的主动均衡电路研究开题报告

1设计的目的及意义随着化石能源的不断消耗，全球资源日渐消耗，环境愈发恶劣，气候变暖不断加剧，在这样的背景下，发展新型能源迫在眉睫。

目前，已经有大量太阳能、风能、核能等新型能源替代化石燃料，电动汽车也随之发展起来。

我国的“可再生能源规划”也指出要大力发展并完善可再生能源的研究技术、生产规模等，改变我国的能源结构分布，并推进新能源汽车的应用[1]。

2. 研究的基本内容与方案

3．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

3.1设计基本内容内容

在全球资源与环境日趋紧张，全球变暖不断加剧的情况下，发展电动汽车势在必行。由于锂离子电池能量密度大、功率密度大、循环寿命长等优点，使得锂离子电池在电动汽车上应用非常广泛。电动汽车中的锂离子电池由许多电池单体串并联组成，电池单体由于制作工艺差异及使用状态不同导致参数不一致，由此导致在使用过程中出现不一致充放电，电池的过充或过放会降低电池容量，影响电池的充分使用，甚至降低电池使用寿命，同时还会增强电池的不平衡，形成恶性循环。另外，为提高电动汽车动力电池的利用率而发展的汽车电池的梯次利用，因此，用于均衡电池充放电的均衡电路对于锂离子电池很有必要。目前，电池的主动均衡电路较多。本研究将结合开关电容型与DC-DC变换器型电路的优点，设计新的混合型均衡电路，并对其特性开展研究。

具体研究内容包括：

1.了解电池均衡的目的及意义；

2.了解锂离子电池均衡方法及其原理；

3. 了解锂离子电池的电路模型及参数对电池的影响并比较各电路模型；

4. 掌握基于SOC的锂离子电池主动均衡电路原理；

5. 设计开关电容型与DC-DC变换器型混合均衡电路，使用仿真软件完成整个电路的仿真验证；

6. 分析电路均衡效果及可改进方向。

3.2研究目标

本设计的研究目标为在现有的锂离子电池主动均衡策略的基础上，提出一种新型主动均衡电路——混合型DC-DC的主动均衡电路，即将电容型主动均衡与DC-DC变换器型主动均衡相结合，通过参数计算和建模仿真，验证这种电路拓扑均衡的均衡效果，讨论其可行性。

3.3拟采用的技术方案及措施

通过比较分析电容型均衡与DC-DC变换器型主动均衡的优缺点，确定电路拓扑结构。电容型均衡电路由于将电容器直接并在单体电池两端，电压越高，能量传输越快。然而单纯使用电容器的均衡电路，由于需将所有单体电池与电容器并联，单个单体之间差异可能较小，均衡效率较低，在单体电池数量较多时均衡效率低的情况尤为严重。DC-DC变换器型电路通过控制充电电流使相邻单体电池间实现快速均衡，由于在每两个相邻单体电池间就需要设置一个DC-DC变换器，能量逐级传输，均衡效率较低。由此，提出将电容器与DC-DC变换器相结合的方式。在单体电池数量较多的情况下，为节省成本和提高均衡效率，将单体电池一分为二成为两组单体电池组，各组中的单体电池仍采用DC-DC变换电路进行均衡；而在两组电池间，采用电容器型均衡电路，此时由于两组电池由各单体电池串并联组成，电压较高，采用电容器可以使两组电池快速实现均衡。

3.3.1拟采用的均衡电路拓扑

本设计是在单体电池数量较多的情况下，研究电池充放电过程的混合型主动均衡。DC-DC变换器在单体电池数量较多的场合，一般通过级联形成新的拓扑结构。以8个单体电池串联形成的电池组为例，将其均分为两组电池，组内采用DC-DC变换器级联型Buck-Boost升降压电路进行相邻单体电池的均衡。电路拓扑如

图3.1所示。则每组电池将使用3个DC-DC变换器型均衡电路，总共需要6个DC-DC变换器。

图3.1Buck-Boost均衡电路拓扑

组间使用电容器型均衡电路，使两组电池总电压达到均衡。电路拓扑如图3.2所示。

图3.2 组间电容型均衡拓扑

设左右两组电池分别为1组和2组，，，，分别为PWM控制的开关器件。电路工作原理如下：

若1组电池SOC明显高于2组电池的SOC，则控制开关和闭合，将1组电池多余能量传给电容器C。当电容C与1组电压相等时，断开和，闭合与，能量则从电容C流向2组电池。此时，若两组电池SOC均等，则电容器均衡电路停止工作；若不等，则重复上述工作，直到两组电池SOC检测结果一致或误差不大时，停止电容均衡。同理，若2组电池SOC高于1组电池，电路工作原理相同。

总电路原理 示意图如图3.3所示。

图3.3 总电路原理示意图

3.3.2 均衡策略

暂定采用Thevenin等效电路模型作为SOC测量的电池模型。图3.4为Thevenin等效电路模型示意图。

图3.4Thevenin等效电路模型原理图

将等效为电池的开路电压，等效为电池内阻，极化电容与极化电阻构成的并联回路引起极化过程时造成电池电压下降。

采用SOC均衡判据，均衡策略流程图如图3.5所示。当出现个别单体电池SOC过高或过低时，DC-DC变换器均衡电路开始均衡，直到所有单体电池SOC趋于一致时，停止均衡。同时，电容器均衡电路开始均衡工作，将能量从SOC总体较高的一组电池转移至SOC较低的一组，实现两组电池的SOC均衡。

图3.5SOC均衡控制流程图

3.3.4 均衡效果研究

由于多个单体电池可有多种不同分组方案，为研究不同分组方案的均衡效果，拟采用：1）两个单体电池为一组使用DC-DC均衡；2）三个单体电池为一组（如图3.6），组内使用DC-DC均衡，并与上文中

四个单体为一组的分组方式均衡效果相比较，分析各方案的电路均衡性能。

图3.6 一种三电池为一组的DC-DC均衡电路

3. 研究计划与安排

3月01日-3月15日撰写并完成开题报告；

3月16日-3月20日修改、完善、提交开题报告，进行开题答辩；

3月21日-3月27日撰写毕业设计论文目录；

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1]. 李世泽, 新型锂离子电池系统供电与均衡技术的研究, 2018, 哈尔滨工业大学. 第 67页.

[2]. 孙冬, 锂离子电池梯次利用关键技术研究,2016, 上海大学. 第165页.