（信号与信息处理专业论文）锂动力电池组均衡技术研究.pdf

中文摘要 。 中文摘要 能源危机和环境污染使电动汽车具有取代传统燃油汽车的巨大潜力，但作为 电动汽车动力来源的蓄电池，由于串联使用时的非一致性增加了电池的使用成本， 从而限制电动车的发展。均衡技术作为一种减少电池之间非一致性的有效方法， 可以延长电池的使用寿命，降低其使用成本。因此，蓄电池均衡技术的研究对推 动电动汽车的普及具有重要的实际意义。 本文主要从以下几个方面对均衡技术进行了介绍和研究，基本内容如下： ( 1 ) 分析了均衡方案的现状，并提出了分段式均衡方案 ( 2 ) 分析了锂离子电池的充放电特性，给出电池开路电压与s o c 的关系 ( 3 ) 在理论分析的基础上，结合实际需要设计了反激变换器 ( 4 ) 解决了均衡电路中m o s f e t 的驱动问题 ( 5 ) 进行了硬件电路的设计，通过实验计算出了均衡电路的功率和效率，证明 方案的可行性，并分析了实验过程中存在的不足，针对出现的问题，提出了总结 和展望 文中提出了分组式均衡方案，很好的解决了因电动汽车用蓄电池数目较多造 成的变压器绕制困难问题，对电池组能量均衡具有重要意义。 关键词：充电均衡；锂离子电池；反激变换器；m o s f e t 驱动 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o b l 锄o fe n e r g y 嘶s i s 锄d 朋v 讯) 姗e n t a lp o l l u t i o nm 狄e sm ee l e 嘶c 、厂e m c l e s ( e v s ) h a v i i l gm eh u g ep o t e n t i a l 托p l a c i l l gt b e 缸a d i t i o i l a lv e m c l e s b u t 廿l e 衄i b 2 l l 趾c eo fs 丽e s c 0 如e c t e db 龇嘶e s 他砌t si r ir e d l l 甜o no ft h eb 甜e 巧l i f e ，w i l i c hi s o 舱o f m 萄o r 玛l i i n i t 啦m e 豫a l i z a t i o no f e v s 缸锄e 眠t i v em e 也0 dd e c r e 缌她 t ：h ei i i l b a l a n c eo fb 甜e r i e s ，廿l ee q u a j i z a t i o nt e c m q u ec a np r o l o n gt l l eb a 舵r yl i f ea n d 托n l e i ru 黔- c o s t t h e 他b y ，m e 陀s 砌o ne q 岫l i z a t i o nt e c h l l i q u ei i lp o w e rb a 蜥e s l l a st h eg r e a ts i g n i f i c 锄c ef - 0 rm ep 0 叫a r i 枷0 no fe v s t h em 洳r e s e 舡hi t e 塔锄屯a sf 1 0 u o 、v s ： ( 1 ) d e s c 同) i n 窘t h ec u r 他n ts i t 眦i o no f t l l ee q u m 妇i o nt e c h i l i q u e 觚da c c o r 幽唱t 0 麟i s 恤g 蛐l o 盱a 加we q 砌i 撕0 n s c h e i mw 鹬p r e s e m e d ( 2 ) e x p l a i l l i n gt 1 1 el 池i 啪- i o nb a n 丽e s c b a r g i i l 酣i s c h 鹕i n gc h 嬲c t e r i s t i c s ，t l l e 代l a ：t i o nb i 帆e n 0 p e nc e l lv o l t a g e 趾ds o cw 勰s 咖盯i z e d ( 3 ) d e d u c i i l g 也en e we q 啪l l i z a t i o ns c h e m ep r o p o s e d i i l 也i sp a p 锄dt h ef l y - b k c o n v e r t o rw 嬲d e s i g n e di nl i m 谢t ha 肚u a ln e e d ( 4 ) n em o s f e t “v i n g i ne q u a l i 刎o ns y s t 锄、棚s 0 l v e ds u c c e s s 触l y ( 5 ) a c h j e v m gm ed e s i g no fl l 毒向w a 佗c i r c u 沁a n dm ec 2 l 1 c l i l a t i o no fp o w 盱孤l d e m c i e n c yi ne q 叫i z a t i o nc i r c m t 、懈o b t a i n e dm r o u g h 也ee x p e r i r i l e n t st i l a tc e r f i f i e st 1 1 e 托l i a b i l i 锣o f 也es c h e m ed e s c 舶i n gi n 恤p a 】p e r t h es h o r t a g e s 、懈跚l y z e d i n e x p e r h n e n t a lp r o c e s s ，s o m ec o n c i u s i o n 锄dp r o s p e c ta r ep u tf 0 删旧f o rm ep r o b l 即陷 1 kc o n v e n e r 印u p e d 、 ，i t h 洲i z e dm u l t i 一丽n d i i l gp r e n t e di nn l i sp a p e r w m c hb e t t e r l v e sn l ep r o b l e 瞄o fm 出n gc o n v e r t 盯b e c 肌s eo ft h el a g e r 眦m l 斌0 f b a t t e r i e si l lm ee v s ，h a st 1 1 ei m p o r t 觚ts i 鲥f i c 觚c ef o r 也ee n e 唧b a l 锄c eh lb a n e r i e 3 k e y w o r d s ：c i m g i n ge q u a l i z a t i o 玛l i t h j 帆- i o nb a t t e f l y - b 孔kc o n v e n o r ，m o s f e t d r i v i l l g 682舢0 4洲9川-洲y 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 汽车_ 作为一项伟大的科技发明，给我们的生活带来了诸多方便。随着全球 汽车数量的迅速增长，能源紧缺和环境污染的问题日益被人们所重视，研究和开 发节能环保型汽车是汽车工业可持续发展面临的重大课题。 汽车产业能源动力的转型势在必行，电动汽车成为汽车能源动力转型的必然 选择嘲。电动汽车作为一种新型的交通工具，以其运行时无污染、低噪声、效率 高、能量来源广等优点受到人们的青睐。鉴于目前的技术，在未来几十年内清洁 燃料汽车、混合动力汽车、电动汽车将成为汽车工业的发展趋势。而在未来一二 十年内，新能源汽车将以纯电动汽车为主流。 从上个世纪9 0 年代，日本、美国等国的政府和各大汽车公司投入大量的资金 进行电动汽车的研发，并研制出多种电动车及电动汽车概念车，欧盟也制定电动 汽车及其与能源相关的发展计划。国内在十五规划和“8 6 3 电动汽车重大科研技 术专项的引领推动下，也正在如火如荼的进行电动汽车的研制和开发。 电动汽车取代燃油汽车的关键因素是其要有安全可靠、环保、效率高、价格 低廉的动力来源一蓄电池。蓄电池的发展历史已久，其主要分类为铅酸、镍镉、 镍氢以及近年来发展起来的锂电池，它们各有优缺点，如表卜1 所示，列出了它 们的一些性能比较。从表中我们可以看出锂电池以其较好的性能，在未来的电动 汽车领域将有替代传统蓄电池成为电动车主要动力来源的潜力。但蓄电池自身的 特性限制了其在电动汽车上的使用，下面介绍一下蓄电池在电动车上使用的过程 中存在的问题和本文课题研究的意义 黑龙江大学硕士学位论文 表卜1 各种蓄电池性能比较 t a b l el lc 伽叩a r i s o no fd i 妇衙e mp o w 盯b a 讹r i 骼 蓄电池比能量工作充放电次数优点缺点 的分类 c l l k g )电压 ( 次) ( v ) 铅酸蓄 3 0 4 02 02 0 0 一3 0 0 可靠性好，原料易得，比能量低，质量体 电湛价格便宜，应用成熟，无积大，循环寿命短， 记忆效应有污染 镍镉蓄 4 0 一5 01 24 0 0 一5 0 0 比能量高，循环寿命长，价格较高，有记忆 电池 可耐过充、过放效应，有污染 镍氢蓄 7 5 8 01 2 7 0 0 一8 0 0 比能量高，循环寿命长， 应用不成热，有记 电池无污染，可耐过充、过忆效应 放 锂离子 1 4 0 2 0 03 69 0 0 一1 0 0 0 比能量高，重量轻，无价格高，不耐过冲 电池 记忆效应，循环寿命长，过放，快速充放电性 无污染能差 1 2 均衡的意义 锂离子单体电池电压为2 5 、乙_ 4 2 v ，不能满足电动自行车或者电动汽车工作 电压需求，一般需要将多节电池串联在一起形成电池组嘲，这样电池组在充放电时 的电流是一致的。同一规格型号的单体蓄电池组成电池组后，其电压、荷电量、 容量及其衰退率、内阻及其随时间变化率、寿命、温度影响、自放电率及其随时 间变化率等参数存在一定的差别，这就是电池组的离散现象h 1 。随着电池组的使用， 单体电池间的性能参数就呈现出离散性，电池间的非一致性就会导致电池具有不 同充放电特性，这就增加了电池组充放电过程中单体电池过充过放的可能性嘲，使 得电池组的整体性能下降。对过充电比较敏感的锂离子电池，过充是必须避免的。 2 。 第1 章绪论 为了有效地利用蓄电池，延长电池的寿命，就要防止电池的过充和过放，需 要对电池组的充放屯进行管理，即通过电池管理系统b m s ( b a 讹r ym 觚a g 伽e n t s y s t e m ) 对电池进行监控和管理。b m s 的目的之一就是实现电池组在充放电时能 量的均衡，使电池组所有电池在充放电时能同时充满和放完，提高电池组的容量 和一致性，延长电池组的循环寿命，这就是均衡技术。采用均衡充放电技术来减 少电池间的性能差异是十分必要的n 1 ，蓄电池组整体性能的提高也为蓄电池在电动 汽车上的应用奠定了基础，对于电动汽车取代燃油汽车和节能环保也是有十分深 远的意义，本文中锂动力电池均衡技术研究的意义也在于此。下面介绍国内外对 此的研究状况。 1 3 国内外均衡技术的发展现状 全球电动汽车的迅速发展也带动了蓄电池及其管理技术的发展，电池管理系 统的是电池系统的重要组成部分，对电池的优化使用和延长其寿命起着至关重要 的作用。为此，国内外投入了大量的人力物力对此进行了较为深入的研究。 从1 9 9 7 年至今，日本青森工业研究中心仍继续进行b m s 研究；美国v i l l a n o v a 大学和u sn a n o c o r p 公司已合作多年对各种类型电池s o c 进行基于模糊逻辑的预 测；丰田、本田及通用汽车公司等把酬s 列为技术开发的重点口1 。 我国对电动汽车的发展也较为重视，“八五 期间，电动汽车正式列为国家攻 关项目；“九五一期间列为国家重大科技产业工程项目；“十五 期间列入“8 6 3 计 划 1 2 个重大专项之一。经过几年的努力，在b m s 方面已经和国外水平较为接近。 在国家“8 6 3 技术2 0 0 5 年第一批立项成立的课题中，具体的有北京理工大学承 担的e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块、湖南神州公司承担 的e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交车用大功率镍氢动力电池及其管理模块、苏州星 恒电源有限公司承担的燃料电池轿车用高功率型锂离子动力电池组及其管理系统 等等们。 但电池管理系统技术还不成熟，特别是管理系统中的均衡充放电技术效果不 黑龙江大掌硕士学位论文 是很理想。目前，蓄电池的均衡技术正朝着智能化的方向发展，在车载锂离子电 池的均衡电路中，更注重其在整车中所占的重量和体积，成本和可靠性，均衡的 效率以及均衡的效果。利用微机技术对电池组实现智能化的管理，轻型、智能、 价格低廉、效果好的均衡方案是人们努力的方向。但在工作过程中影响蓄电池因 素的是多变量、非线性和不可预知性等等，以及蓄电池均衡技术缺乏理论上支撑， 使得蓄电池均衡技术发展较为缓慢，目前各国还都处在探索阶段。 1 4 论文所要解决的问题及难点 论文所要解决的问题及难点： 首先，电池电压的测量。在电池组有着较高绝对电压的情况下，要检测出每 个单体电池的相对电压，这对电压测量电路的耐高压性能提出较高要求。 其次，均衡电路中m o s f e t 驱动问题。同样，由于电池组的绝对电压较高及均 衡电路工作时的高频特性，这就要求驱动电路要有较好的隔离性能和抗干扰性。 同时，传统m o s f e t 驱动方案未必适合于均衡电路中的m o s f e t 驱动，因此需要研 究设计新的m 0 s f e l i 驱动方案 最后，在均衡系统既要提高均衡效率，实现快速均衡，又要求减小均衡电路 体积和重量，这就需要对变压器体积和开关驱动频率的选择进行权衡，同时对均 衡控制策略的选择提出较高要求。 1 5 本文的主要内容 第一章绪论 主要介绍了课题研究的背景、电池组均衡的意义，均衡技术方案发展现状 第二章锂离子电池的特性 介绍了锂离子电池发展历史和电化学原理，列举了锂离子几种常见的充电方 式，探讨了电池开路电压与s o c 的关系等。 第三章均衡方案的研究及反激变换器的设计 4 第1 章绪论 首先介绍了均衡方案的分类，通过分析比较引出文中所用均衡方案。然后介 绍反激变换器的基本原理，从理论等效电路和数学方程上推导了均衡电路能量的 传输过程，基于上述推导设计了实验所用反激变换器。 第四章均衡方案硬件电路的实现 介绍了均衡方案各组成单元，着重分析研究了m o s f e t 的驱动方案和m o s f e t 的开关特性。 第五章实验与实验数据分析 一 介绍了实验过程中原边和副边均衡电流的测试方法，对均衡电路的效率和功 率进行了计算，分析了均衡系统中的能量损耗，指出了m o s f e t 驱动方案中存在的 缺陷，并提出了改正方法。 总结与展望 总结了论文所取得的成果，指出了论文存在的不足，并对下一步的工作进行 了展望。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章锂离子电池的特性 2 1 锂离子电池的发展和工作原理 锂电池最早出现在1 9 5 8 年，2 0 世纪7 0 年代进入实用化n 帕，2 0 世纪8 0 年代 趋向于锂离子电池的发展。由于锂离子电池在便携式电子产品中的广泛应用，其 产品种类也不断增多，对锂离子电池的各种正极材料、负极材料及电解质的研究 也有很大发展。目前，锂离子电池正在向动力电源的方向发展1 。 锂电池可分为锂一次电池和锂二次电池。 锂一次电池是一种高能化学原电池，俗称锂电池。以金属锂为负极，固体盐 类或溶于有机溶剂的盐类为电解质，金属氧化物或其他固体及液体氧化剂为正极 活性物，只能放电，不可充电。 锂二次电池可充可放，其又可分为锂离子蓄电池和锂聚合物蓄电池。与锂离 子电池不同的是锂聚合物电池的电解质是多孔性高分子材料，可以把电池做成多 种形状。 锂离子电池和其他普通蓄电池一样是由正极、负极、电解质、隔膜组成n 幻。 锂离子电池的正极材料是锂金属氧化物，主要有锰酸锂、钻酸锂、镍酸锂、磷酸 铁锂、三元材料等。磷酸铁锂作为一种新型的正极材料，其材料来源广，价格低， 低污染，能量密度高，热稳定性、循环性能好，是下一代锂离子电池正极材料的 首选1 蛐帕。从材料的原理上讲，磷酸铁锂电池的化学反应也是锂离子在负极材料 中嵌入和迁出的过程，化学反应过程与锰酸锂、钴酸锂电池完全相同。 下面以三f 凡l p d | 为例说明其化学反应过程，其电极反应式为嘲n 叼： 正极反应式： 型! 三溺妒d 4 工气l 叫) 御d 4 + 以f + + 艘 ( 2 1 ) _ j 矿 6 第2 覃锂焉子电池的特性 负极反应式： 互皇， f + + p 一+ 6 c 三f c 6 ( 2 2 ) 1 百一 总反应式： 壅皇。争 上j 御d 4 + 6 刀c 营f ( h ) 御q + 比f c 6 ( 2 3 ) + _ 菇再一 其工作原理是：电池通过正极产生的锂离子，在负极的嵌入与迁出实现其充 放电，因此锂离子电池又称为“摇椅电池 州埘。充电时，锂离子从正极的锂金 属氧化物中脱出，在电场作用下，经过电解质，在负极与电子结合形成锂原子， 嵌入到负极的层状碳素材料中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高；放电时，锂 离子从负极层状碳素材料中迁出，经电解质到达正极，回到正极的锂离子越多， 放电容量越高，通常所说的电池容量指的是电池的放电容量n 州嘲 2 2 锂离子电池的充电方式 2 2 1 动力电池充放电的基本理论 蓄电池有多种充电方式，在介绍充电方式之前，先介绍一下动力电池充放电 的基本原理。 1 9 7 2 年，美国学者( j a m a s s ) 马斯提出了著名的马斯定律，他认为蓄电池的 充电时可接受电流随时间变化的曲线可以由下式表示乜小嘲 j = 厶p 叫 ( 2 4 ) 式中，为某一时刻蓄电池充电电流，j o 为充电开始时蓄电池可接受的最大充电 电流，口为电池充电电流的可接受比，口= 鲁，c 为蓄电池容量，口值大的话，表 明蓄电池充电时接受电流的能力强，所需充电时间也就越短。 7 黑龙江大学硕士学位论文 图2 1 蓄电池充电时可接受电流曲线 f i g 2 一la c c e l 肺i ec h a 礓m g c u r 他n tf 0 rp a w 盯k i n e 搿 式( 2 1 ) 的曲线方程可以由图2 1 表示。从图上可以看出在充电过程中只要充 电电流高于电池充电可接受电流，就会有气体析出，而不能提高充电速度。下面， 依此理论来介绍蓄电池的充电方式。 2 2 2 动力电池的充电方式 2 2 2 1 恒流充电方式 充电过程中，以一恒定大小的电流对电池组充电。但随着充电的进行，蓄电 池电压逐渐升高，由图2 1 中的充电可接受电流曲线可以知道，蓄电池可接受电 流的能力逐渐下降，恒流充电将不利于充电速度的提高。因此，根据图2 1 所示 的可接受电流曲线采取分阶段恒流充电，如2 2 所示嘲。 2 2 2 2 恒压充电方式 t 图2 2 分阶段恒流充电曲线 f i 吕2 2m i 鹞e dc o l l s t 如ta l r r 蜘tc l l a f g i l 【l g 在充电过程中，以一恒定电压对电池组进行充电。其特点是：充电初期，由 于电池组电动势较低，充电电流较大，随着充电的进行，电池组电动势逐渐升高， 8 。 第2 章锂离子电池的特性 充电电流逐渐减小，如图2 3 所示。 t 图2 3 恒压充电方式 f i g 2 3c o n s t 锄tv o l t a g ec l l a l l g i l 唱 2 2 2 3 先恒流后恒压充电方式 如图2 4 所示枷，恒流一恒压充电方式的特点：在充电初期，先用较小充电 电流将电池充至充电终止电压附近，然后改为恒流充电，当充至充电终止电压时， 改为恒压充电。 图2 - 4 恒流恒压充电方式 f i g 2 - 4c o n s t a 】1 1 tc u n n t - c o n s t a n tv o l t a g 层c h a i 翟j 1 1 9 2 2 2 4 脉冲充电方式 如图2 5 为脉冲充电方式嘲汹儿嘲，与图2 4 所不同的是在充电末期改用脉冲电 流充电。在充电末期，将电池电压充电至稍高于充电终止电压，停止充电一段时 间，当电压降至终止电压时，再以恒流将电池电压充电至稍高于充电终止电压， 再停止充电一段时间，如此反复，当停充间隔所占充电周期比例小于某一值时， 停止充电。这种充电方式在充电末期利用脉冲电流间的停充间隔，很好的消除了 充电过程中电池的极化现象，实际是提高了充电效率，缩短了充电时间。 9 黑龙江大学硕士学位论文 图2 - 5 脉冲充电方式 f i 昏2 5p u l c u i t l m tc h a 蟛n g 以上简单介绍了蓄电池常用的几种充电方式，由于条件的限制，在实验时， 本文采用了恒流恒压的充电方式。 j 2 3 蓄电池开路电压与s o c 的关系 在本节中，首先介绍了s o c 的定义，从s o c 的定义出发探讨电池均衡的实质， 然后介绍说明s o c 和电池开路电压的关系，以及根据电池开路电压对电池组进行 能量均衡的可行性。 2 3 1s o c 的定义 电池荷电状态( s t a t e0 fc h a r g e ) 是表征电池剩余容量的参数，通常把在一定 温度下蓄电池不能再吸收能量的状态定义为s o c = 1 0 0 ，把在一定温度下蓄电池不 能再放出能量的状态定义为s o c = 0 。 对于s o c 可以定义如下嘲： 欢= 鲁1 0 0 或者脱_ ( 1 一争1 0 0 ( 2 _ 5 ) 式中q 为蓄电池剩余容量，c j 为一定温度下以恒流，可放出的总能量，q 为 已放出的电池能量。 s 0 c 作为电池容量的重要标示，它的精确估计，不仅对于电池的能量管理十分 必要，而且对于电池组的能量均衡也至关重要。 电池的均衡包括电压均衡和s o c 均衡，电池均衡的实质是对电池s 0 c 的均衡。 l o 第2 章锂离子电池的特性 但s o c 的精确估计尚很困难，因为影响电池s o c 的因素较多，像充放电电流的大 小，工作时的温度，电池自放电率，循环次数等等因素，且各种因素之间的相互 关系较为复杂。现阶段对于s o c 的估计也有很多的方法，像安时积分法，开路电 压法，神经网络法，阻抗谱法等等，但有些方法还处在实验研究阶段，对s o c 有 效估计的方法还有待于研究探索。因此，目前阶段对电池进行s o c 均衡较为困难。 研究发现表明，在一定条件下，电池s o c 和电池开路电压存在一定的关系，这种 关系在电池均衡中能否被利用还需要探讨，下面就介绍两者之间的关系。 一 2 3 2 电池开路电压与s o c 的关系 在铅酸蓄电池中，电池s 0 c 和开路电压有着密切的关系。在室温条件下，1 9 3 v 至2 1 3 v 的电池开路电压对应着s 0 c 的0 至1 0 0 ，它们之间几乎呈线性关系阱1 ， 这在很大程度上支撑了利用电池开路电压对s o c 进行估计的可能性，这也意味着 电池的s 0 c 均衡有可能通过电压均衡来实现。 许多学者研究表明，锂离子电池的开路电压曲线在对s o c 进行估计时过于平 坦，但也有文章研究指出用开路电压对s o c 的估计是适合的嘲。 图2 6 是对三个不同厂家生产的锂离子电池进行开路电压与s 0 c 的关系测试 曲线嗍。虽然s o c 和开路电压的关系并不是线性的，但是当s o c 在2 0 一1 0 0 之间 时，它与开路电压的关系基本是恒定的。 。 p t ， _ 一 p 曲h2 一 。 、 、k 耶 川 1 柏o 图2 6 开路电压与s o c 的关系 f i g 2 - 6r e l a t i o nb e m e e no p 锄矗r c u i tv o l t a g ea n ds o cf o i l i t h j 啪- i b a n e d ， 让 = ： ” 弘 霎苫zmto 黑龙江大学硕士学位论文 量曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼皇曼曼詈! ! 曼! 曼! ! 曼曼皇! ! 鼍詈曼! 皇苎! ! 量曼曼! 曼! 曼鼍曼曼曼皇曼曼量曼蔓曼皇曼曼鼍曼曼曼量曼量曼曼曼鼍 ， ， j ， 毒 ， ， l ， 图2 7 实验所用电池s o c 和开路电压的关系l 图2 8 实验所用电池s 0 c 和开路电压的关系2 f i g 2 - 7r e l a ：t i 伽1 b 印v e e ns o c a n d f i g 2 8r e l 舐0 n2b e t 、) l ，e e ns o c 锄d 0 1 p e 】i r c l l i tv o l t a g ef o re x p e r i m 锄t a lb a 巧o p e n 埘r c u i tv o l t a g ef o re x p 渤锄t a lb a n e 叮 图2 7 、2 8 是实验所用磷酸铁锂电池s o c 和开路电压的关系曲线，从图中也 可以出在s 0 c 为2 0 9 6 一1 0 0 区间上，s o c 和开路电压基本呈线性关系。 从图2 6 、2 7 、2 8 可以看出，5 0 - 1 0 0 的s o c 对应着4 0 0 m v 开路电压变 化范围，平均每8 m v 对应着1 的s o c 变化。 o 啪c h 酏w 城t 啪 n 灌 图2 - 9s 0 c 以矾递减，0 1 c 放电后，开路电压随时间的变化趋势 f i 辱2 - 9o p 伽- c i f c u i tv o l t a g 口d r i f ta n 盯d i 册n e c t o 1 cd i s c h a r g e ，t e s t i 葩砒5 s o c d e c 锄朋t s 由于电池极化现象和电池内阻的存在，充放电过程中测得的电池电压与实际 静置的测量值相比存在误差。放电时，蓄电池在去掉负载之后，要经过一段时间 电池电压才能达到一个稳定的状态。图2 9 所示的曲线嗍，以5 的s o c 为步长， 0 1 c 放电，在一小时内开路电压的变化情况，同样以0 5 c 和0 2 5 c 放电也会得到 1 2 第2 苹锂离子电池的特性 相同的结果渊。从图2 9 可以看出，在s o c 较大时，电池在放电后，开路半个小 时，开路电压升高了1 0 m v 左右；在s 0 c 较小时，电池在放电后，在超过3 个小时 的时间间隔内，开路电压升高3 0 m v 左右啪】。 图2 9 所示的结果证明，通过开路电压实现对s o c 的测量是可以的。在s o c 为7 5 以上时，蓄电池去掉放电负载后，一个小时内开路电压的改变量小于2 0 m v 。 因此蓄电池在去掉负载很短的时间内所测得s o c 和蓄电池实际s o c 相比只有约2 一的误差。在s 0 c 低于2 0 时，电压的改变量大约有3 0 m v ，s o c 的估计值将会偏离实 际值多个百分点。因此，图2 9 所示的数据表明在蓄电池开路电压较低时，通过 开路电压来估计s o c 将会有很大的误差：开路电压较高时，通过开路电压估计s o c 的误差很小，这对以开路电压为依据进行蓄电池充电均衡大有益处。因为蓄电池 的充电均衡通常是在充电末期进行的，也即在s o c 较大时进行。 2 4 本章小结 本章首先介绍了动力锂电池的发展和工作原理，然后介绍了蓄电池的充放电 理论，列举了几种常用的蓄电池充电方式，最后着重说明了电池开路电压与电池 s o c 的关系。通过研究电池开路电压与电池s o c 的关系，为利用电池开路电压进 行电池能量均衡提供了理论依据，在一定程度上克服电池进行s o c 均衡的困难。 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章均衡方案的研究及反激变换器的设计 3 1 均衡方案的分类 均衡技术作为降低电池组非一致性的有效方法，从能量耗散的角度可以分为 耗散型和非耗散型均衡方案啪1 。耗散型是指将均衡系统中的能量以热的形式消耗 掉，非耗散型是指将能量通过某种方式转移至所需的电池中或加以利用。 3 1 1 耗散型均衡方案 能量耗散型方案的均衡思想是把电压过高的单体电池的能量通过旁路电阻消 耗掉3 1 1 嘲。如图3 1 所示，这种方案简单易行，成本低，但是分流至电阻的电流 变成了热量而损耗掉，因此这种方案的充电效率是比较低的，只适合于小电流充 电均衡的场合。 3 1 2 非耗散型均衡方案 3 1 2 1 电容均衡方案 图3 1 电阻分流均衡 f 追3 - 1 r 船i s t i v ec l t e n ts h u m 如图3 2 所示，电容均衡是利用电容转移能量的均衡方案嘲m 1 。这种均衡方 案无能量消耗，在充电、放电和静置时都可以均衡，且效率较高。但相邻电池电 1 4 第3 章均衡方案的研究及反激变换器的设计 压相差不多时，均衡时间过长，由于电容的引入，均衡的频率受到一定的限制。 同时开关较多，控制较为复杂。 图3 2 电容均衡 f i g 3 - 2s w 血c h e d c a p i t i d re q u a l i z e r 此外，还有一种电容均衡方案， 如图3 3 嘲 图3 3 飞渡电容均衡 f i g 3 - 3f l y i n gc 印i t o rc q u a l i z 盯 称之为“飞渡电容一( f 1 y i n gc a p a c i t o r ) ， 与图3 2 方案不同的是，这种方案可以有选择的充放电，电压高的单体电池 对电容充电，然后电容有选择的向电压低的单体电池放电。这种方案的缺点是开 关较多，控制复杂，开关能量消耗也较高，且单次转移的能量有限，单体电池间 电压压差相差较小时，需要较长的均衡时间。 3 1 2 2 非耗散电流分流器 非耗散电流分流器，利用分流的方法，将充电电流从满电状态的电池中分流 到下一级需要充电的电池，避免了电池过充，图3 4 所示的均衡方案就是一种无 损型电流分流均衡电路咖。 为了使分流器的分流路径更灵活，使用如图3 5 中的双向非耗散电流分流器 。总体来讲，非耗散电流分流器能量传输只能是逐级向下或者是相邻电池间的 传递，因此能量传输的灵活性较差，整体均衡受到很大的限制。 1 5 黑龙江大学硕士学位论文 图3 _ 4 非耗散电流分流器 f 喙3 - 4n 圮n 司i 豁i p a 廿v ec 1 腑md i v e r t c r 3 1 2 3 非耗散电流变换器 图3 5 双向非耗散电流分流器 f i g 3 - 5b w 讹c t i 伽a ln - d i s s i p a t i v e 删 d i v a 栅 非耗散电流变换器分为分散式和集中式两种，下面分别介绍这两种类型。 ( 1 ) 分散式非耗散电流变换器 所谓分散式电流变换器踟；为跨接在单体电池两端的原边绕组各自分别对 应一个副边绕组。 图3 - 6 单向非耗散电流变换器 图3 7 双向非耗散电流变换器 f i g 3 _ 6u r i i d i 似嫡a in 以i s s i p a 虹v e f i g 3 7b i 删伽a l 舯溅i p a l i v e a m 聊tc c 小v e n e rc 1 删t 湖v i ：n e r 如图3 7 所示的非耗散电流变换器只能实现单体电池的放电均衡，将其进行 变形，可以实现单体电压高可放、低可充的目的。如图3 7 所示的双向电流变换 器，电压高的单体电池不仅可以将能量反馈至电池组中，同时电池组的能量也能 1 6 第3 章均衡方案的研究及反激变换器的设计 补偿至电压较低的单体电池，实现了能量的双向传输。 图3 6 、3 7 方案中，每一个原边绕组都分别对应一个副边绕组，当单体电池 数目较多时，方案所涉及的元件过多，均衡的成本可能会很高，因此就出现了集 中式非耗散电流变换器。 ( 2 ) 集中式非耗散电流变换器 集中式非耗散电流分流器汹1 b 蚰，如图3 8 ，它们的原边绕组共用一个副边绕 组，这种方案定义为集中式同轴多绕组非耗散电流变换器。但此方案中的原边对 漏感较为敏感，变压器的漏感在电池组能量的分配上起到了关键性的作用，原边 绕组参数也很难做到较高的一致性，绕制不佳将会出现适得其反的效果。 - i _ ，- h - y - - - ，_ 图3 8 集中式非耗散电流变换器1图3 - 9 集中式非耗散电流变换器2 f i g 3 8n 伽卜d i 豁i p 撕v ea 盯e n tc o n v e r t c r 、7 i r i t l lf i g 3 9n - d i 豁i p 撕v cc u n 弓n tc 鲫v 叭盯、) i r i m c e n 廿a l i z e dm u l t i 匠n d i n glc e n n 翟l i z e dm l l l t i - w i n d i n g2 一般来讲，哪一节单体电池电压较低，就应该对它进行补充能量。对图3 8 进行改进，如图3 9 所示，它克服了图3 8 方案中原边对绕组参数一致性的依赖， 能量的传输具有选择性。特别对锂离子电池，可以获得较高的均衡质量。 图3 9 方案虽然对图3 8 方案进行了改进，但和图3 8 方案的共同特点是： 当单体电池个数增多时，变压器的绕制较为困难。 为了降低原边绕组的数目，可以应用能量双向传输的半桥变换器，半桥变换 器能流的双向传输可以使原边绕组数量减少一半，如图3 一1 0 所示，这种方案定义 为集中式绕组减半正激变换器汹1 “u 。这种方案具有较高的可实施性，但对于充电 终止电压有严格限制锂离子电池来讲，要求原边各绕组的匝数比，或者原边绕组 的各输出电压具有很高的一致性，这在实际中较难做到。 l 黑龙江大学硕士学位论文 钟l i 岫_ b 扪上i fi t 彳 【b 2 i 卡j 2 i 眈 - i b p ，l 上三 彳。 b n l 上土 。t 图3 1 0 集中式非耗散电流变换器3 图3 1 l 了f 关变压器方案 一 f i g 3 - 1 0r e d u c i i l gt h e 肌m b e r o fs l e c d a r yw i n d i n g s f i g 3 11s 疵h e d 蜘s f 0 】舳c rs c h c m e f 0 rc e n 仃a l i z e df 0 九列c o n v e 腑 由于多原边变压器绕制的困难，考虑将变压器方案与电容方案相结合的方法， 结合后的方案思想与飞渡电容的一致，只是将电容换成了反激变换器， 如图3 一l l ，此方案从整组电池中获取能量，通过反激变换器将能量传递至电 压较低的单体电池汹儿蚓。缺点是开关多，开关和电感的能量消耗使效率降低。 3 2 均衡方案的选择 每一种均衡方案都有其优缺点，应用时根据实际的需要来选择均衡方案，选 择均衡方案时要考虑各种因素，综合以上各种均衡方案，可以从以下几种因素来 考虑均衡方案的选择。 ( 1 ) 能量传输效率； ( 2 ) 能量传输灵活性； ( 3 ) 控制的简单性； ( 4 ) 硬件成本； ( 5 ) 可扩展性； ( 6 ) 可靠性。 经过比较分析，文中采用图3 一1 2 方案，这种方案的优点在于： ( 1 ) 实现能量的双向传递 1 8 第3 章均衡方案的研究及反激变换器的设计 单体电池电压较高时，可以放单节，将能量反馈至电池组；单体电池电压较 低时，可以放整组，将能量补充至单节电池。 ( 2 ) 电池组分组均衡 解决变压器绕制困难的问题，当单体电池数目增多给变压器的绕制带来的困 难，将电池组进行分组均衡。 ( 3 ) 原边绕组绕制的非严格性 原边绕组的绕制并不需要严格一致，反激变换器起到的只是能量传递作用。 一 ( 4 ) 可扩展性好 针对电动汽车中电池数目较多的问题，由于采用了分组均衡，方案具有较好 的扩展性 - _ ，- _ _ - 二鲁 1 垃 - 目 二瞢 乙 出 i 起 耽留l 当 图3 1 2 集中分组式非耗散电流变换器 f i g 3 - 1 2n 捌鼹i p 撕v cc o n v e n e r 鲥) u 1 ) e dw 弛c 钮n 锄i z e dm l l l 缸w i i l d i i l g 在图3 1 2 ，选择6 节单体电池为一组来说明分组均衡的优势，实际使用中根 据需要选择不同的分组，这里将该方案定义为集中分组式非耗散电流变换器。 不同方案有各自优缺点，现从以下几个方面对上述方案进行比较，如表3 1 所示。 1 9 黑龙江大学硕士学位论文 表3 1 各种均衡方案的比较 t a b l e3 - lc 伽p a r i s 伽o f d i 彘咖te q u a l 妇吐o ns c h 锄鹤 耗散类应用场控制复杂扩展 均衡方案 厶 度性型口 电阻式见图( 3 一1 )耗散小功率简单易 见图( 3 2 )非耗散 中大功 中等易 电容式 率 中大功 见图( 3 3 )非耗散复杂易 率 ： 非 见图 非耗散 中大功 复杂难 隔 ( 3 4 ) 率 离 见图 中大功 式 非耗散复杂 难 ( 3 5 ) 塞 分 见图( 3 6 )非耗散 中大功 简单较易 散 率 中大功 式 见图( 3 7 )非耗散中等较易 率 见图( 3 8 )非耗散 中大功 简单 难 率 隔 中大功 离见图( 3 9 )非耗散中等难 式 率 集 见图 中大功 中非耗散中等较易 式 ( 3 一l o ) 率 见图 非耗散 中大功 复杂 较易 ( 3 1 1 )率 见图 非耗散 中大功 简单易 ( 3 一1 2 ) 率 3 3 反激变换器的工作原理 n - n i 图3 一1 3 单端反激式变换器 f i 舀3 - l3s 访g l a l dn y b a c kc ( 慨v e n 盱 本节主要介绍最基本的反激变换器，如图3 一1 3 所示，就是一个单端反激式变 第3 覃均衡方粟的研究及反激变换器的设计 换器，图3 一1 3 、图3 1 4 、图3 1 5 中的参数如下； ：原边输入电压：匕：副边输出电压；工p ：原边电感；三，：副边电感；l p ： 原边电感中的电流；j 工。：副边电感中的电流；卢：原边绕组匝数；l ：副边绕 组匝数；q ：开关管；d ：续流二极管：r 。：负载：c ：滤波电容。 反激变换器的工作方式有两种，完全能量模式和不完全能量模式“铂。 所谓完全能量模式：开关管q 导通期间存储在原边电感中的能量，在下一个 周期开关管导通之时，能量全部传输至副边，也即副边电感电流在下一个周期开 关管导通之时已经降为0 ，这种方式对应的是电流断续模式。 不完全能量模式：开关管q 导通期间存储在原边电感中的能量，在下一个周 期开关管导通之时，存储在原边电感中的能量部分传递至副边，原边电感中还有 剩余能量，也即在下一个周期开关管导通之时，副边电感电流还未降为0 ，这种方 式对应的是电流连续模式。 图3 一1 4 开关臂q 团合时的等效电路 f i g 3 - 1 4 e q l l i 刈胁t c i 枷t f o r 舭6 9 3 1 3 w h q i s t 哪e d 下面分析其工作模式。 当开关管q 闭合后，图3 1 3 电路的等效电路如图3 1 4 所示。输入电压加到 原边电感三，两端，由于反激变换器对应的极性，副边绕组极性上负下正，二极管 截止，副边电感中没有电流流过，负载电流由滤波电容提供。原边相当于一个带 有磁芯的电感线圈，由电磁感应定律可知，开关导通期间流过原边电感中的电流 屯，满足下式： = 上，寻 3 1 ) d ll 黑龙江大学硕士学位论文 当，= 时，原边电感电流达到最大五p 眦 矿 懈= o ( 3 2 ) 一p 其中r 埘为开关管在一个开关周期内的导通时间，由式( 3 2 ) 可看出原边电感中 电流呈线性增长。由于在开关管断开时，磁芯磁通不能突变，原边和副边磁势相 同湖，则有屯p m 戤以= 气m 戕以，其中乞一为副边电感电流的初始最大值。 图3 1 5 开夫q 断开时等效电路图 f i g 3 1 5e q u i 砌e n tc h u i tf o r 矗g3 一1 3w h e nqi s t u m e d 呵 当开关管q 断开时，图3 1 3 等效电路如图3 一1 5 。开关管开后，原边电感电流 为0 ，由于变换器对应极性，副边绕组极性上正下负，二极管d 导通，开关管导通 期间存储在磁芯中的能量经续流二极管向负载释放，同时向电容充电。 同样由电磁感应定律，当不考虑二极管压降时，副边的感应电动势圪为： 卜l 鲁 ( 3 3 ) 对式( 3 3 ) 积分，同时由么的初始值为气雌，可得副边电流乞的方程为 气= 气懈一f ( 3 4 ) 在q 的开关周期丁内，当r = r 时，屯方程的值有三种情况：屯 o 、k o 时，说明在下一个周期开关管导通之时，开关管导通期间存储 在磁场中的能量没有释放完毕，这种情形对应了变换器电流连续工作模式。 第3 罩均衡方案的研究及反激变换器的设计 ( 2 ) 当，k 0 时，说明在下一个周期开关管导通之前，开关管导通期间存储 在磁场中的能量已释放完毕。么 o 是不可能的，乞 o 只是说明在f = r 之前，乞 已经变为o ，这种情形对应了变换器电流断续工作模式。 ( 3 ) 当，k = 0 时，说明在下一个周期开关管导通之前，开关管导通期间存储 在磁场中的能量刚好释放完毕，这种情形对应了变换器电流临界工作模式。 图3 1 6 、3 1 7 分别画缸电感电流断续模式连续模式的电流波形。 图3 1 6 电流断续模式 f 弛3 16d i s c o n t h l u o 吣a l 玳础m o d e 图3 1 6 中一、屯雎、f 啊、r ，、0 分别为原边电感电流最大值，副边电感 电流最大值，开关管导通时间，在一个周期内副边电流从最大值降到0 的