（电力电子与电力传动专业论文）串联锂离子电池组均衡电路的研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i t h i u m i o nb a t t e r y t e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h e c o n c e p t o f e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , t h eh i g h - c a p a c i t y l i t h i u m - i o nb a t t e r i e sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ew i l d l yu s e di nh i 曲p o w e rs i t u a t i o n s ，s u c h a se l e c t r i cc a r s ，e l e c t r i cb i c y c l e s ，h y b r i dd r i v e nv e h i c l e s ，p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m s - - - t h en e we n e r g yf i e l da n dt h ea e r o s p a c ef i e l d t h ep r o b l e mo fc a p a c i t yu n b a l a n c e ，w h i c ho c c u r sw h e nl i t h i u m i o nb a t t e r i e sa r e s e r i e sc o n n e c t e d ，l i m i t si t sa p p l i c a t i o n a d d i n ga ne q u a l i z a t i o nc i r c u i ti sag o o ds o l u t i o n , e s p e c i a l l yf o rt h ee x p e n s i v eb i gc a p a c i t yl i t h i u m - i o nb a t t e r i e s ，w h i c hn e e de f f e c t i v ea n d r e l i a b l ee q u a l i z a t i o nc i r c u i t sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s i ti sr e a s o n a b l et os a yt h a tt om a k e t h el a r g e - c a p a c i t yl i t h i u m i o nb a t t e r i e sw i d e l yu s e di nh i g hp o w e rs i t u a t i o n ，e f f e c t i v e l y e q u a l i z a t i o ni nas i n g l eb a t t e r yi so n eo ft h ec u r r e n tt e c h n o l o g i c a lb o t t l e n e c k s t h e r e f o r e ， i ti sm a g n i f i c e n tt oh a v ei n - d e p t hs t u d yo nt h ee q u a l i z a t i o nc i r c u i t so ft h el i t h i u m - i o n b a t t e r yp a c k t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra l ea sf o l l o w e d ： 1 s u m m a r i z a t i o na n dc o m p a r i s o no ft h ec u r r e n te q u a l i z a t i o n t e c h n i q u e f o r s e r i e s c o n n e c t e dl i t h i u m i o nb a t t e r i e s ，i n c l u d i n gt h ee q u a l i z a t i o nt o p o l o g ya n d c o n t r o ls t r a t e g y 2 c o m b i n i n g 谢t t lt h en e e do ft h ee q u a l i z a t i o nc i r c u i t s ，d e t a i l e dt e s t sa n dr e s e a r c h o nl i t h i u mb a t t e r i e s c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e nd o n ea n ds i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n s f o re q u a l i z a t i o nc i r c u i t sa r ed r a w n 3 a ne q u a l i z a t i o nc i r c u i tf o rn i n el i t h i u m i o nb a t t e r i e si si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e d e t a i l e dd e s i g nf l o wa n dt h ep a r a m e t e r s 4 an e wo v e re q u a l i z a t i o na d d i n gd e l a yl o o pc o n t r o lp r o g r a mi sp u tf o r w a r d ， b a s e do nl i t h i u m - i o ne l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt oq u a l i f yt h ep r o g r a m 5 s o m ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c ti sp u tf o r w a r db a s e do nt h er e s e a r c ho ft h i sp a p e r k e yw o r d s ：l i t h i u m - i o nb a t t e r y , e q u a l i z a t i o n ，s o c ，o p e n - c i r c u i tv o l t a g e i l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章分析了锂离子电池组的应用前景和均衡充电的意义，列举了国内外在锂离 子电池组均衡充电方面的研究现状，并对各种均衡实现方法给予简要的评价和总 结，然后在此基础上提出了本文的主要研究内容。 1 1 研究锂离子电池组均衡电路的意义 锂离子电池与现有的铅酸电池、镍氢电池等电池相比有诸多优点，如无记忆效 应、高工作电压、低自放电率、无环境污染性、高能量密度等，在电子消费品领域 应用十分普遍n u 。 随着锂电池技术的发展，大容量锂离子电池的应用前景也越来越广阔。当今国 际油价居高不下，节能环保r 趋重要，以锂离子电池组为储能设备的电动汽车、电 动自行车、混合动力汽车日渐受到欢迎n _ 1 。在太阳能锂离子发电系统等新能源领域， 锂离子电池组也是储能器的最佳选择之一n - 3 1 。航空航天方面，锂离子电池也广泛应 用叫。 电动汽车电源工作电压等级为3 0 0 。4 0 0 v n 5 1 ，太阳能系统为3 0 4 0 v ，因此为了满 足设计指标，必然要求多节电池单体串联使用。但是由于电池内部特性差异、工作 温度和循环使用次数的差别，所表现出来的电池行为也会有所区别，具体体现为荷 电状态的不平衡。 镍氢和镍镉蓄电池一般被设计成正限制，有一定的耐过充能力。而且，当电池 充满电之后，电池的库伦充电效率开始降低，大部分充进的电能都转化为热耗散掉。 因此，可以利用适当的过充来达到电池单体的均衡。 但是，锂离子电池的库伦效率非常高，在9 0 以上。如果由于电池内部差异或者 外界环境不同使一个单体电池的性能比其它电池稍有下降，那么，经过多次充放循 环后，这个电池的荷电状态就与其它电池严重不平衡，表现为单体电池之间的电压 发散越来越大。锂离子电池没有像镍氢和镍镉蓄电池那样的耐过充机理。当电池处 于1 0 0 s o c 后，如果继续充电，电池电压仍继续上升n _ 1 。如图1 1 所示。 浙江大学硕十学位论文 可以说，要实现大容量锂离子电池的广泛应用，电池单体的有效均衡是目前的 关键技术之一。因此，深入研究锂离子均衡电路的具有较强的科学指导意义和工程 实用价值。 1 2 锂离子电池在空间电源系统的应用【1 6 】 本课题项目背景是：小卫星一体化电源系统中的锂电池均衡管理模块。故在此 有必要介绍一下锂离子电池在空间电源领域的应用情况。 在太空中，飞行器绕地球飞行的周期分为两部分：光照期和阴影期。在光照期 时，太阳能板打开，为负载供电的同时给蓄电池充电。当飞行器位于阴影期时，太 阳能电池也就不能正常工作了，需要储能的蓄电池供电。2 0 世纪九十年代研制开发 的锂离子蓄电池具有比能量高、热效应小、无记忆效应等突出优点，其比能量是镍 氢蓄电池的两倍，是镍镉蓄电池的四倍，非常适合空间储能电源的发展需要。三种 空间储能电源的性能对比如表1 1 所示。现在，锂离子电池作为空间飞行器储能电 源的发展势头非常强劲，正逐步成为继镉镍蓄电池，氢镍蓄电池之后的第三代空间 储能电源。表1 2 是在某些航天器中锂离子电池的应用情况。 表1 1 空间储能电池的性能参数比较 项目 l i - i o n h 2 一n ic d n i 质量比能量( w h k g 1 ) 1 2 56 03 0 体积比能量( w l l ) 3 0 09 01 5 0 能量效率( ) 9 67 07 2 热效应( 范围卜1 0 ) 31 08 自放电( d 。1 ) 0 35 - 71 记忆效应无轻微有 能量计量检测电压内部气压无 充电方式 恒流恒压+ 均衡恒流恒流 模块化好否否 4 浙江大学硕士学位论文 表1 2 锂离子蓄电池的空间应用情况 | s m 根r ( e s a )。火星快。机遇”、。勇 翌囊翱弘】d ( 萎勘隙幡舢洲法罾) 月球绷( 毯a ) 火星搽滔( 美翟) 灭星撂穗嚣 轨道同步转移轨( ( 汀0 j锄l c m s s 0 撇地球鼢孰道( o e o ) 【 月球孰道火星辘遭 火星轨道 发射日期2 0 0 0 年1 1 月2 0 0 1 年1 1 月 2 0 0 2 年2 0 0 3 年9 月 2 0 0 3 年6 月2 0 0 3 年6 月 电弛组结 l 组电池由2 7 | l l1 组电池由1 5 h2 组毫池每缌由s 组电泡每组3 组电灌每组由i s 2 组电褴每维由8 只2 5 革俸电池单体电法 h 单体电洁由1 只 h 电 h 单体电漕 构 h 串联缎成 6 s 2 p 组成6 s x 2 p 组成 2 p x1 1 s 组成 池组成6 s ( 1 6 p 维疵 注：s 代袭串联p 代表弗联。 采用锂离子电池的空间电源系统与采用其他电池的系统相比，有显著的特点： ( 1 )减小质量和体积 电源系统是航天器最重的分系统，约占整个航天器质量的2 5 3 5 以上。电池 组的质量在电源系统中又占到5 0 6 0 左右。因此，提高电池组的质量比能量( w h g ) ， 在负载相同的情况下，就可以极大地减轻电源系统的质量。锂离子电池的质量比能 量大约是氢镍电池的2 倍，体积比能量是氢镍电池的4 倍。并且，锂离子电池的标 称电压比较高，大约为镍蓄电池系统的3 倍。输出同样的功率，采用锂离子电池组 的质量为氢镍电池组的4 0 ，体积可减少到氢镍电池组的3 0 左右。用锂离子电池 储能，可以使电源系统从占整星质量份额从现在的2 5 3 5 降到1 5 2 0 ，大大增 加有效载荷的质量份额并降低发射成本。 ( 2 )高能量效率，节省太阳能电池阵列输出功率 镍氢和镍镉蓄电池的能量效率一般为8 0 左右，而锂离子蓄电池的能量效率可 以达到9 0 、9 5 ( 高s o c 水平下) 。由此可见，锂离子电池可以节省1 0 1 5 太阳能 电池阵列输出功率。这不仅可以减少太阳能电池阵列的面积，而且可以减轻展开机 构和姿态控制系统的负担。 ( 3 )可以并联使用，模块化强 镍氢和镍镉蓄电池不加保护地并联使用是非常危险的。因为电池电压严重受到 电池温度的影响，而电池电压又主要取决于电池的荷电状态( s o c ) 。两个单体电池 ( 或两组电池组) 任何热不平衡都会产生一个电池( 或电池组) 向另一个电池( 或 电池组) 电流的倒灌，导致电池工作的不稳定。锂离子电池的工作机理不同，温度 对开路电压的影响比较小。所以可以把两个或者多个锂离子电池并联起来组成电池 5 浙江大学硕士学位论文 模块以满足容量的需要，再将一定数量的电池模块串联以满足对电池组电压的要 求。模块内的各单体电池将保持相同的荷电状态而不管温度差别如何。锂离子电池 的这一特性给电池的研制和电池组的构成带来了极大的灵活性。只需研制少数几种 容量规格的电池，再将不同数量的单体电池并联就可以满足不同卫星功率的需求， 有利于电池组的模块化，表1 2 可以明显地看到模块化使用的情况。 ( 4 )不含磁性材料，满足磁净化要求很高的科学探测卫星需要 某些科学探测卫星，尤其是磁探测卫星对卫星本身的磁净化要求很高。对镍氢 和镍镉蓄电池都含有磁性元素镍。原来不得不用a g - c d 电池代替。锂离子蓄电池不 含有磁性材料，电池性能远远优于h g - c d 电池，是科学探测和实验卫星理想的储能 电池。 ( 5 )具有良好的储存寿命和循环寿命 深空和星际探测卫星巡航的时间比较长，一般要经过几个月甚至几年的飞行才 会到达预定轨道例如，火星探测器要飞行9 个多月的时间才能到达火星轨道，而 要到达彗星则需要8 年多的巡航时间一蓄电池经过这么长时的旅途搁置，性能严重 衰减。到达目的地时，储存的能量已消耗殆尽，不能正常工作。a g z n 电池干储存 的寿命很长，但一旦注入电解质后其储存寿命受到了严格的限制。锂离子电池具有 良好的搁置性能和低温工作性能，有试验数据表明只要选择合适的搁置条件和搁 置方式，1 0 年搁置时间的能量损失小于1 0 ，是外层空间探测卫星最理想的储能 电池。因此，e s a 和n a s a 深空和星际探测卫星几乎1 0 0 的选用锂离子电池。 另外，锂离子电池循环寿命优异，完全可以满足空间飞行器对电源的长寿命要 求。需要注意的是，与镉镍蓄电池和氢镍蓄电池一样，随着放电深度降低，锂离子 蓄电池的循环寿命性能大大增加，电池的循环寿命随着放电深度的降低呈指数关 系的增长。其增长趋势符合下列方程式n 8 1 ： n = 8 9x10 5e x p ( 一0 0 5 4 7 d d d ) 式中：n 为循环次数，d o d 为放电深度。 因此，在太空中使用时，考虑到电池组的寿命，锂离子电池的放电深度一般不 会很高，深度放电是需要避免的。 充电控制方式较复杂 由图1 1 可以看到。涓流充电方法不适用于锂离子蓄电池。针对锂离子蓄电池 6 浙江大学硕士学位论文 这一特点，一种有效充电方式是采用多环路充电控制，一般才采用先恒流再恒压的 办法，恒压时，充电电流呈指数形式衰减，小到一定值( 0 1 c 以下) 时停止充电， 可保证电池安全可靠地充满电。可以像镍氢蓄电池和镍镉蓄电池那样，设置多种 充电率。并且根据电池组在轨的实际情况，地面指令选取合适的充电电流。但充电 终止控制却比镍氢蓄电池和镍镉蓄电池简单多，不必采用电压温度补偿、电量或压 力等控制方法，只需设置几个限制电压，由地面指令选取即可。 ( 7 )没有耐过充机理，单体电池需均衡 如上所述，锂离子电池不能耐过充，所以不能用适当过充的方法达到单体电池 间的性能一致，只能采用附加均衡充电控制电路来保证单体电池间的均衡。因此， 对长寿命的卫星来说，应当把均衡控制看作是电池组不可分割的一部分。 7 浙江大学硕士学位论文 1 2 国内外锂离子电池组均衡电路的研究现状 均衡电路的研究随着电池的广泛使用就已经起步，早期的均衡主要是用分流电 阻来进行的，效率较低，但因为简单可靠，至今仍是工业界常用的均衡方法。很多 公司也为此开发了专用芯片，美国i n t e r s i l 公司最近研发的一系列芯片 i s l 9 2 0 8 1 6 1 7 可以做到最多1 2 节串联的小容量锂离子电池均衡。 近年，无损式均衡的研究十分活跃，尤其是美国、日本、中国台湾，提出了很 多拓扑和控制方案。哈尔滨工业大学等对电池均衡工作也作了较深入的研究。 1 2 1 锂离子电池组均衡电路拓扑的研究现状 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 效地减小电池组的损耗。基于这一思想用继电器网络配合输助充电电路或者传递能 量的电容实现的均衡电路n 9 1 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。 对于非损耗型均衡电路方案，目前国内外的研究主要集中在两个方面：开关电 容法和d c d c 变流器法。 ( 1 ) 开关电容法n 。9 1 利用开关与电容的组合实现能量在相邻电池中的传递( 如图1 5 ) ，直到所有电 池达到统一的电压。这种方法损耗很小，但是却存在下面几个问题： 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s o c 均衡； 3 均衡的效率较低，不适合于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。 8 浙江大学硕士学位论文 三e i ； l 吕n t丁一 图1 6 ( a ) 反澈式( b ) 正激式 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者其余某些电池放电。其特点是易于模块化，不足 之处在于器件较多。分布式均衡方案从拓扑结构上来讲可以分为隔离型( 带变压器) 和非隔离型两类。( 如图1 7 ( a ，b ) ) 。 9 浙江大学硕士学位论文 黯 掺 图1 7 ( a ) 隔离型( b ) 非隔离型 隔离型拓扑n j 3 1 在隔离型拓扑中，反激式结构最为常用。其优点是均衡效率高、开关元件的电 压等级与串联级数无关，适合于电动汽车等串联电池单体数量多的电池组均衡。主 要缺点是变压器效率不高，有漏感问题，多个副边参数一致性困难。主拓扑可分为 双向和单向结构，如图1 8 ( a ，b ) 。 图1 9 ( a ) b u c k b o o s t( b ) c u k 由于它是相邻两节电池单体间的均衡，所以当需要均衡的电池单体相隔较远时， 效率较低。而且，其控制策略是：若均衡电路在相邻单元间压差达到允许范围内时 即可停止工作。 l o 浙江大学硕士学位论文 但容易引起组内单元电压的梯度差，即存在“l 甜2 “或者相反 确 “2 图2 5 电池端电压、开路电压、阻抗与s o c 的关系图( 1 2 0 0 m a ，0 7 1 a 放电) ( 4 ) k a l m a nf i l t e r s 法阻屹1 k a l m a nf i l t e r s 是一种可以估计任何动态系统内部状态的算法。对于锂电池 来说，这种状态就是s o c 。但是这种方法必须基于锂电池的模型。目前，也有很多 学者对锂电池的模型做了详细的研究，但基本还停留在理论研究阶段。 ( 5 ) 神经网络法位阳 1 r 浙江大学硕士学位论文 理论上，只要有适合的训练数据和训练方法，神经网络可以得到任何输入和输 出之间的关系。该方法必须获得锂电池的性能参数，以上提到的其他方法也可以用 于给神经网络提供数据。对于不同的电池，都需要有不同的训练方法，训练方法的 设计则需要很强的专业经验。除非未来的电池形成统一的标准，否则很难广泛使用。 以上所提的在线估计s o c 的方法几乎都需要实时测量电流，而对于均衡电路来 说，由于均衡电流的存在，每节电池的电流都是不同的。给每节电池加精确电流检 测在大多数应用场合都是不切实际的。 理想的s o c 表征量应具备如下特征： 容易测量 不依赖于其他参数，如充放电电流、电池型号 测量误差较小 2 3 3 锂离子电池s o c 和开路电压的关系 对于铅酸电池，荷电状态s o c 可以和开路电压很好的关联起来扭川。在室温下接 近线性，当电压从1 9 3 v 变化到2 1 3 v 时，s o c 从o 变到1 0 0 。这意味着只要能实 时检测开路电压，铅酸电池的均衡可以用电压均衡来实现。 锂离子电池的开路电压与s o c 关联度没有铅酸电池那么好。但是实验证明，在 一定的电压范围内，开路电压与s o c 仍有很好的相关性乜h 1 。 。 p a c k t y坶，_ _ o p a c k t yi e2 一 飞 k 、 m 川 1 u u8 06 040：z0u s o c 譬 图2 6 开路电压与s o c 关系他1 0 1 图2 6 是用o 1 c 的电流以5 步进给电池放电后，等待一个小时后测得的三组 不同公司生产的锂电池数据。以c 4 或c 2 放电也可以得到一样的实验结果。由此 实验数据可知，不同电池的开路电压与s o c 的关系曲线基本吻和，即不同电池可以 用同一个电压表征s o c 。 1 9 2 4 口 毋 7 惰 惦 4 4 ； ， 3 3 3 开路电压 浙江大学硕十学位论文 s o c 在3 0 1 0 0 的范围内，与开路电压的非线性关系可以用以下的式( 2 5 ) 拟合 图2 6 的曲线，该式是由二次方程式近似而来暇1 4 1 ： 螂( ) = 1 0 0 ( 0 1 9 6 6 + n 0 0 3 8 7 二1 4 5 2 3 ( 3 7 8 3 5 - v c e l l ) ) ( 2 5 ) s o c 在5 0 1 0 0 的范围与开路电压的关系可以认为是线性的，在此区间，开路电 压变化了4 0 0 m v ，即8 m y 的开路电压变化对应1 的s o c 变化。 小结： ( 1 ) 开路电压不依赖于电池充放电电流和内阻，可以很好地表征锂电池的s o c 。 ( 2 ) s o c 在3 0 1 0 0 ( 开路电压：3 7 5 4 2 v ) 范围内，不同电池单体的开路电压一s o c 曲线一致性较好。即在此范围内，开路电压可以表征不同电池单体的s o c 。 ( 3 ) s o c 在5 0 1 0 0 的范围，与开路电压( 3 8 4 2 v ) 的关系可以认为是线性的。在 此范围内，可以由电压差异度直接得到s o c 差异度，实现简单的均衡控制。 可见，由于开路电压与锂电池变化多端的内阻无关，是个天然的锂电池荷电状 态( s 0 c ) 表征量。现在的问题就是如何快速地测得近似的开路电压? 并使其与等 待数小时后测得的开路电压误差小于一定容限。下节将用实际测量的大量数据证 明，在一定条件下，迅速测得非常近似的开路电压是可能的。 2 3 4 开路电压的测量 当充放电回路断路时，锂电池的开路电压需要一定的时间才能恢复到一个稳定 的值。这个时间与荷电状态和充放电电流有关。图2 7 显示了以o 1 c 放电，每次放 5 s o c ，断开负载后，电池电压的变化情况【2 l3 1 。注：这里的电压变化( 或恢复) 都是指断开充放电回路后的变化，而不是断开前后的变化。 浙江大学硕士学位论文 图2 7 停止放电后，电压恢复图( 放电电流0 1 c ) 由图2 7 可见，在高s o c ( 7 5 ) 时，断开负载后，在一小时内，电压变化不 大于2 0 m v ，故数秒后就可以采集的值就很接近于开路电压。在低s o c ( 2 0 ) 时， 电压变化较大，恢复到开路电压需要很长的时间。 本课题采用的是2 0 a h 锂钴氧系锂离子电池。为得到开路电压的快速测量条件， 进行了大量的测试。 实际测试时，对2 0 a h 锂离子电池用电子负载( c h r o m a6 3 1 4 ) 以c 1 0 ( 2 a ) 恒流 放电，断开后，利用n a t i o n a li n s t r u m e n t s 的数采卡p c i6 1 5 4 实时采集电压，再用 l a b v i e w8 2 集成测试平台的前面板中，可以看到更具体的电压恢复情况。图2 8 ( a ) ，( b ) 是电池在高s o c 下的电压恢复图。可见，在高s o c 下，断电后，电池电压变化很 d ( 3 8 v ) 下，可以 很快得到非常近似的开路电压( 断开后马上测量，误差小于2 0 m v ) 。甚至在大电流 充放电后，仍然适用。 ( 3 ) 等待5 m i n ( 3 0 0 s ) 后，误差小于l o m v 。 浙江大学硕上学位论文 2 4 均衡控制的时间参数 对2 0 a h 的锂离子电池，用o 1 c ( 2 a ) 对其放电( 设计均衡电流) 。为获得均衡控 制的时间参数，必须测量锂离子电池充放电的v - t 曲线。实测数据如图2 1 2 。 图2 1 22 0 a h 锂离子电池以0 i c ( 2 a ) 放电时的放电曲线 可见，在电压大于3 8 v 以上是，v - t 曲线也基本是呈线性。从4 0 4 3 8 v 用了 3 1 0 m i n ，2 0 m v 2 5 m i n 。 为了做对比实验，5 a b 的锂离子电池，同样用0 1 c ( o 5 a ) 对其放电。实测数据 如图2 1 3 。 图2 1 32 0 a h 锂离子电池以0 i c ( 2 a ) 放电时的放电曲线 对比图可见，5 a h 与2 0 a h 电池的放电曲线基本一致，在线性区别，电压( m v ) 浙江大学硕士学位论文 时间( r a i n ) 增益为2 0 n l v 2 2 5 m i n 。可以看到，为以归一化的放电率来考量时，电池 放电的电压一时间曲线基本一致。 由于实验条件有限，本文只研究了来自同一厂商的两组不同容量的电池，样本 数有限。对于不同厂商，不同材料的电池想必电池的性能会有区别。但是为了最优 化控制参数，设计前最好先参考数据手册或者做实际测试。 2 4 本章小结 锂电池的均衡本质上是s o c 的均衡，现有的s o c 的在线估计方法都非常复杂， 基本都处于学术研究阶段，不适于实际应用场合。 本节首先介绍了锂电池的模型、s o c 的定义和现有的估计方法。然后通过大量 测试，验证了用开路电压表征s o c 的优点，提出了快速测量开路电压的方法和对应 的测量条件。最后测试了均衡控制所需的锂电池放电的时间参数。 总之，本章研究的锂离子电池的关键性能，对后续的均衡控制策略设计和优化 有重要的指导作用。主要有两点： ( 1 ) 均衡开始前，只有在高s o c 下，串联电池组单体的初始s o c 差异才可以用 电压差表征，即常说的电压均衡只在高s o c 下才有意义。门限电压：3 7 5 v 。 ( 2 ) 开始均衡后，可以通过测量开路电压来表征s o c 。在高s o c 下，可以快速测 得非常近似的开路电压。门限电压3 8 v 。 综合( 1 ) ( 2 ) ，当电压大于3 8 v 以上再开启均衡比较合理。 浙江人学硕士学位论文 参考文献 【2 1 】b e r g v e l dhj ，k r n i j tw sa n dn o t t e nph b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m sd e s i g nb ym o d e l l i n g n o r w e l l ，m a ：k l u w e r , 2 0 0 2 【2 2 】b u l l e rs ，k a r d e nea n dk o kd m o d e l i n gt h ed y n a m i cb e h a v i o ro f s u p e r e a p a c i t o r su s i n g i m p e d a n c e - s p e c t r o s k o p y i e e et r a n s o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s 2 0 0 2 ，3 8 ( 6 ) ：1 6 2 2 一1 6 2 6 【2 3 】b u l l e rs i m p e d a n c e b a s e ds i m u l a t i o nm o d e l sf o re n e r g ys t o r a g ed e v i c e si na d v a n c e d a u t o m o t i v ep o w e rs y s t e m s d i s s e r t a t i o na a c h e n ：s h a k e rv e r l a g ，2 0 0 3 【2 4 】b u l l e rs i m p e d a n c e b a s e ds i m u l a t i o nm o d e l so fs u p e r c a p a c i t o r sa n dl i i o nb a t t e r i e sf o rp o w e r e l e c t r o n i ca p p l i c a t i o n s i e e et r a n s o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s 2 0 0 5 ，3 2 ( 5 ) ：612 - - 6 2 6 【2 5 】z h ucb ，c o l e m a nm a n dh u r l e ywg s t a t eo fc h a r g ed e t e r m i n a t i o nal e a d - a c i db a t t e r y ： c o m b i n e de m fe s t i m a t i o na n da h - b a l a n c ea p p r o a c h i n ：p r o c e e d i n g so fi e e e p e s c ，a a c h e n , g e r m a n y ，2 0 0 4 ，v 0 1 2 ：1 9 0 8 - 1 9 1 4 【2 6 】p i i l e rs ，p e r r i nma n dj o s s e na am e t h o df o rs t a t eo fc h a r g ed e t e r m i n a t i o na n dt h e i r a p p l i c a t i o n s j p o w e rs o u r c e s 2 0 0 1 ，9 6 ( 1 ) ：l1 3 - 1 2 0 【2 7 】c o l e m a nm ，l e eca n dz h uc ，e ta 1 s t a t e - o f - c h a r g ed e t e r m i n a t i o nf r o me m fv o l t a g e e s t i m a t i o n ：u s i n gi m p e d a n c e ，t e r m i n a lv o l t a g e ，a n dc u r r e n tf o rl e a d - a c i da n dl i t h i u m i o n b a t t e r i e s i e e et r a n s o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s 2 0 0 6 ，5 4 ( 5 ) ：2 5 5 0 2 5 5 7 【2 8 】潘靖锂电池智能管理系统浙江人学硕士学位论文，2 0 0 4 【2 9 】刘均动力电源管理系统设计与实现哈尔滨工业大海硕士学位论文2 0 0 4 【2 10 】k u h nbt ，p i t e lge ，k r e i npt e l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n de q u a l i z a t i o no fl i t h i u m - i o nc e l l si n a u t o m o t i v ea p p l i c a t i o n s 1 n ：p r o c e e d i n so f i e e ev e h i c l ep o w e ra n dp r o p u l s i o n 2 0 0 5 ，v 0 1 2 ：5 - 1 0 【2 1 l 】r o d r i g u e ss ，m u n i c h a n d r a i a hna n ds h u k l aak ar e v i e wo fs t a t eo fc h a r g ei n d i c a t i o no f b a t t e r i e sb ym e a n so f a c i m p e d a n c em e a s u r e m e n t s j p o w e rs o u r c e s 2 0 0 0 8 7 ( 1 2 ) ：1 2 - 2 0 【2 12 】a b u - s h a r k hsa n dd o e r f f e ld r a p i dt e s ta n dn o n l i n e a rm o d e lc h a r a c t e r i z a t i o no fs o l i d - s t a t e l i t h i u m - i o nb a t t e r i e s j p o w e rs o u r c e s 2 0 0 4 3 0 ( 1 2 ) ：2 6 6 2 7 4 f 2 13 h a m m e l mro ，s a l k i n daja n dl i n d e nd s e a l e dl e a d a c i db a t t e r i e s i n ：h a n d b o o ko f b a t t e r i e s 2 n de d n e wy o r k ：m c g r a w h i l l ，l9 9 5 ：10 - - 2 5 【2 14 】b r o u s s e l ym ，p e r e l l em a n dm c d o w e l lj ，e ta 1 l i t h i u mi o n ：t h en e x tg e n e r a t i o no fl o n gl i f e b a t t e r i e s c h a r a c t e r i s t i c s ，l i f ep r e d i c t i o n s ，a n di n t e g r a t i o ni n t ot e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i n ： p r o c e e d i n so f i e e eh a t 1 t e l e c o m m u n i c a t i o n se n e r g y , 2 0 0 0 v 0 1 2 ：1 9 4 - - 2 0 1 浙江大学硕士学位论文 第三章均衡电路分析与系统设计 如本文第一章所述，现在国内外均衡电路的拓扑和控制方法很多，各种均衡均 有各自的优缺点，适合于不同的应用场合。本课题要求的高性能均衡电路应具备以 下特征： 1 效率高 2 体积小 3 连线简单 4 模块化强 5 成本低 基于这些要求，选择了如图3 1 所示的新型拓扑。本章开始将具体分析本课题 所采用的均衡电路，详细介绍硬件电路的设计。 3 i 1 均衡拓扑分析p - 1 】 本方案采用的主拓扑如右图3 1 所示。除了顶部和底部，每个电池的均衡模块 都集合了两个电感和一个开关以及反向两极管( 非体二极管) ，相邻的两个电池模块 共用一个电感。结构简单，模块化强，而且属于单体电池与其余电池的均衡，效率较 高，故采用这种方案】。 模式1 ：当第x ( 1 ( n + 1 ) 2 时，d 1 最先关断，】【 ( n + 1 ) 2 时，d n 最先关断，x = ( n + i ) 2 时，电路 对称，两者同时关断。 下： i 假设d 1 先关断，设屯，屯2 ，0 为状态变量，上半部分电路的状态方程如 ( 令k = 匕= = = ，由式3 6 可计算d 1 关断的时间为，0 = i 竺吾) 一d i l ! 一盟：一生 c l ld t l d i l 一盟：一丘 d td ll 1 一d i l x _ 一盟：一生 li l x _ l + 生：一堡 i 讲 讲l 【。= i 。l l + t 2 + ”2 褊鲁= 学小抖她 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 等= 孚小争 i i 更普通的情况：d p 关断后( p = x 一1 ，t p 代表d p 关断后，电感l p 上的是电 流归零的时间) ，上半部分电路的状态方程如下： 浙江大学硕士学位论文 三冬一l班lp+i+=0dt d t 三_ = l 一+ 圪= _ 三盟d t + 墼d t + 圪= 。 u 屯。2t + t 州+ ”一2 解得： 生d t = 型2 ( - 争 _ _ = 一x 一一- 、 三7 冬：堡掣尘( - 刍 西 2、三 d 丁 ，o2 丽丽 2 d 丁 f l 2 x ( x - 1 ) ( x - 2 ) 2 d 丁 t 2 2 ( x 1 ) ( x 一2 ) ( x 一3 ) ” ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ，。：毒罂一 ( 3 1 4 ) ， ( 石一p 1 ) ( x p ) ( x p + 1 ) 、。 由( 3 1 2 ) ，( 3 1 3 ) ，( 3 1 4 ) i 七，i dl ，i 口。的表达式：k _ 1 x 2 =tkvs丽dt可x-2k罴他)+掣里二丝一(x-p-1)(x-p)(x-p+1)fk上l)x(x 1 x x - 2 ) i , l 2k # 型2 睦y 三弼( x d 。 2一 三。 ”耠扣孚x - i ，一孚 k 2 l 。d i + t l + + l t - i 结论1 ： ( t q o ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 每节电池上的充电电流和电感、二极管上的电流均只与均衡电流和电路的拓 扑有关 浙江大学硕士学位论文 均衡电流一定时，离第x 节电池越远的电池获得的均衡能量越少 能量传递持续时间与d t 有关 为了电感磁复位，减少开关损耗，电路必须工作在断续模式( d c m ) ，故有： t k ( 1 - d ) t 薹卅峨：= 而d t + 而2 d t + + 罴= 等 ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) f l j ( 3 1 8 ) ，( 3 1 9 ) 口- i 得到，d 鲁 若第一节或者最后一节开通，那么： n - 2 ，i + ，l + + ，柚：型生+ 生+ + 堕：d r d ) t ( 3 2 0 ) 荟气+ ，lt + 乙- 2 - n ( n - 1 ) + 而丽1 , t j a t t + 聂丽却r ( 1 - d 2 0 ) 由( 3 1 8 ) ，( 3 2 0 ) 可得到，d 去 如果有几个电池同时开始均衡，根据叠加原理，此规则同样适用。