新能源汽车电池管理系统设计

硕士学位论文硕士学位论文 （宋体小 1 号字加粗） 新能源汽车电池管理系统设计 （黑体 2 号字） THE DESIGN OF BATTERY MANAGEMENT SYSTEM FOR NEW ENERGY VEHICLES （Times New Roman 2 号字加粗，题目太长时可用小 2 号字） 傅超傅超 （宋体小 2 号字加粗） 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学（楷体小 2 号字加粗） 2014 年年 6 月月（年、月用阿拉伯数字， 宋体、Times New Roman 小 2 号字加粗） 万方数据 国内图书分类号：TP273 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 ） 工学工学硕硕士学士学位论文位论文 ） 新能源汽车电池管理系统设计 （黑体 2 号字） 硕 士 研 究 生 ： 傅超 导 师 ： 王宏副教授 申 请学位 ： 工学硕士 学科 ： 电气工程 所 在 单 位 ： 深圳研究生院 答 辩 日 期 ： 2014 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 万方数据 Classified Index: TP273（Times New Roman 小 4 字） U.D.C: 621.3（Times New Roman 小 4 字） Dissertation for the Master Degree in Engineering （Times New Roman 小 2 号字） THE DESIGN OF BATTERY MANAGEMENT SYSTEM FOR NEW ENERGY VEHICLES （Times New Roman 2 号字加粗，题目太长时可用小 2 号字） Candidate： Fu Chao Supervisor： Asso. Prof. Wang Hong Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Electrical Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate School Date of Defence： June, 2014 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology （Times New Roman 4 号字） 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘要 社会的进步使得人们对汽车的需求量越来越大，在极大地推动了汽车工业 的发展的同时，化石能源枯竭的矛盾日益凸显。并且随着汽车数量的增长，汽 车向环境中排放的大量尾气对人身健康的影响日益明显，有关新能源汽车的开 发技术就成为关注的热点，电池管理系统（BMS）是新能源汽车尤其是纯电动 汽车最重要的组成部分，它保证了新能源汽车安全、高效率的运行，实现电池 的最大利用率、延长电池使用寿命，因此，电池管理系统的设计对于新能源汽 车至关重要。 本论文针对电池管理系统的具体要求，以电动大巴为对象，对电池管理系 统采用了主从式的模块化设计， 本地模块以飞思卡尔公司的 MC9S08DZ60 为主 控制器，以 LTC6804 为电压监测芯片，实现电池电压高精度采集和状态信息的 监控。主模块主要以英飞凌 XMC4500 为核心负责数据的处理和信息的保存， 并在主模块中，本文针对电池组母线电压电流的采集给出了较为详细的设计方 案。 另外本文根据实际情况，总结分析了电池电量不一致性产生的原因，并针 对电池电量不一致的现象介绍了几种用于电池均衡的拓扑结构，在分析了各种 拓扑结构优缺点的基础上， 论文选用了 “双向反激变换器” 作为电池均衡装置， 并以纯电动大巴为对象设计了可用于箱体均衡的结构。 电池剩余电量（SOC）估算是电池管理系统设计的难点之一，本文采用了 以卡尔曼滤波算法为核心进行 SOC 估计， 将温度对模型参数的影响引入到了戴 维南模型中，对模型进行了改进。为了获得相对精确的模型参数，本文通过对 20Ah 容量电池不断的进行充放电实验， 并利用带有衰减因子的递推最小二乘法 对电池模型进行了参数辨识，最后本文给出了以卡尔曼滤波和最小二乘法为核 心的联合算法。 关键词：电池管理系统；电池 SOC；LTC6804；电池均衡 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Peoples demands for cars are increasing with the progress of society, and the development of automobile industry has been promoted greatly while fossil fuels are depleted.Contaminants in the air increased due to the growth of the number of cars which affects peoples health greatly,Therefore, the development of new energy vehicle technology has become a hot point of research.Battery Management System (BMS) is an important part of new energy vehicles,It ensures new energy vehicles running safely and efficiently,but also can obtain the maximum efficiency and service life of the battery.Therefore, the design of the battery management system is essential for the new energy vehicles. In this thesis, master-slave structure is designed according to the specific requirements of the battery management system, the microcontroller of the local module is MC9S08DZ60 from Freescale,LTC6804 is used to monitor the battery voltage.Battery temperature is detected by the sensor,the microcontroller of the master module is MC9S08DZ60 from Infineon,Master module used to implement data processing and preservation.The paper also describes a detailed scheme about the collection for total battery voltage, current. This paper summarized the reasons for the inconsistency on the battery，and compared several topologies for battery equalization. Papers selected bidirectional flyback converter as the battery equalization scheme which can charge and discharge the battery optionally. One of the difficulties of the BMS is the estimates of the SOC.Firstly ,the paper selected Kalman filter algorithmhis as the primary method , Taking into account the amount of computation and accuracy , The paper selected second-order RC model by comparing the different battery models,and improved the cell model by considering the influence of temperature.Model parameters can be obtained a by using an improved battery least squares method. Finally,SOC can be calculated bycombining EKF and RLS. Keywords:BMS, SOC, LTC6804,Battery balance 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目录 摘要. I Abstract . II 第 1 章绪论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义. 1 1.2 新能源汽车现状 . 1 1.2.1 纯电动汽车. 2 1.2.2 混合动力电动汽车. 2 1.2.3 燃料电池电动汽车. 3 1.3 BMS 的国内外发展现状 . 4 1.4 课题来源和主要研究内容 . 6 第 2 章电池管理系统硬件设计 . 7 2.1 引言 . 7 2.2 BMS 系统结构框图 . 9 2.3 BMS 本地模块设计 . 10 2.3.1 本地模块硬件结构. 10 2.3.2 电池电压监控模块. 11 2.3.3 本地模块热管理. 11 2.3.4 本地模块地址设定. 12 2.3.5 本地模块电源设计. 12 2.4 主模块的硬件设计 . 13 2.4.1 BMS 主模块结构框图 . 13 2.4.2 CPU 主单元硬件设计 . 14 2.4.3 电压电流采样电路. 16 2.4.4 开关量控制单元设计. 17 2.5 本章小结 . 17 第 3 章电池均衡方案研究 . 18 3.1 引言 . 18 3.2 电池均衡的意义 . 18 3.3 电池状态不均衡原因分析 . 19 3.4 电池均衡的意义 . 19 3.5 电池均衡的方案总结 . 20 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 3.5.1 被动均衡方案. 21 3.5.2 主动均衡方案. 21 3.5.3 双向反激式均衡方案. 25 3.6 改进的均衡拓扑结构 . 26 3.7 本章小结 . 28 第 4 章电池模型改进以及 SOC 算法研究 . 29 4.1 引言 . 29 4.2 磷酸铁锂电池的工作原理 . 30 4.2.1 磷酸铁锂电池内阻特性 . 31 4.2.2 磷酸铁锂电池电压特性 . 31 4.2.3 磷酸铁锂电池容量特性 . 33 4.3 电池模型改进与参数辨识 . 34 4.3.1 磷酸铁锂电池电气模型 . 34 4.3.2 改进的电路模型及其参数的辨识 . 35 4.3.3 利用最小二乘法对电池参数进行辨识 . 37 4.3.4 最小二乘法的基本原理 . 38 4.3.5 递推的最小二乘法. 39 4.4 电池的 SOC 估计 . 42 4.4.1 SOC 估计的主要方法 . 42 4.4.2 SOC 估计算法的改进 . 44 4.5 本章小结 . 46 第 5 章 BMS 软件设计及结果分析 . 47 5.1 BMS 本地模块软件设计 . 47 5.2 电池均衡模块结果分析. 49 5.3 电池模型参数辨识程序设计 . 51 5.4 联合卡尔曼滤波的 SOC 算法研究 . 54 5.5 本章小结 . 54 结论. 55 参考文献 . 56 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 60 致谢 . 61 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章绪论 1.1 课题研究的背景和意义 自进入工业社会以来， 汽车作为工业文明的产物所发挥的作用越来越大， 人们对汽车的需求也将随着文明的进步越来越大，以我国为例，截止 2013 年底，我国的汽车保有量已经高达 1.37 亿量。然而汽车数量的急剧增加，给 自然环境以及人类健康也带来了不利的影响，众所周知，传统汽车通过燃耗 化石能源提供驱动力，我国相关部门的调查研究表明，预计到 2020 年，机动 车燃油需求量在 2.56 亿吨1。然而化石燃料的燃烧会产生很多有毒气体，例 如一氧化碳、 二氧化碳、 硫化物、 碳氢化合物以及其它一些微小的固体颗粒。 其中二氧化碳更变暖的主要因素，目前是导致全球全世界二氧化碳的排放量 更是达到了 220 亿吨，而汽车的排放量约占到 10%15%；汽车尾气中的硫化 物与大气中的水相结合形成酸雨腐蚀金属物、汽车、建筑物以及河流。另外 汽车行业促进了石油工业发展的同时也加速了石油资源的消耗速度。除此之 外，汽车的大量普及还给城市带来了烟雾污染，噪声污染等。传统能源汽车 的这些问题，迫使人们找到一种新的方式来解决，这就给新能源汽车提供了 强劲的发展动力。 1.2 新能源汽车现状 新能源汽车的动力来源不是传统的化石能源，比如燃料电池电动车 （FCEV） 、纯电动汽车（BEV） ，油气/油电混合动力汽车等。与传统能源车 相比，在二氧化碳排放方面，每辆车的二氧化碳排放量将减少 52%，对环境 保护有重要的意义。另外与传统汽车相比，电动汽车还有其他优点，比如电 动汽车能够更加平稳、安静的运行等。电动汽车的主要特点有2： （1）电动汽车的运行效率较高，比较适合在城市中运行，在城市中运行 时汽车需要频繁的启停，行驶速度也不是太高，电动汽车在停车时消耗很少 电量，在制动过程中又可以将动能转化为电能存储在电池中，可以实现能量 的再利用。 （2）结构简单，使用维修比较方便。作为汽车的动力来源，电动机的结 构要比内燃机的结构简单的多，维修和保养工作量要小。 （3）动力电池使用成本高，续航里程较短。目前在技术上电动汽车技术 还没有内燃机车技术完善，尤其是电动汽车的电池电量存储容量小，再加上 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 电池的成本较高，给电动车的推广带来了一定限制3。 总体来说，新能源汽车，尤其是纯电动汽车将是汽车行业的发展方向。 1.2.1 纯电动汽车 第一代纯电动汽车以美国通用公司的 EV-1 为代表，一个纯电动汽车主 要由电力驱动系统、动力电源系统和辅助系统 3 个主要部分组成，其电动汽 车的组成框图如图所示4： 电子控制器功率转换器三相感应电 机 变速器和差速器 能量管理系统 电池辅助动力源动力转向系统 充电器 车轮 制动 加速 图 1-1 纯电动汽车结构框图 一般来讲，纯电动汽车关键技术如下面 4 点所述5： （1）电动机及控制技术 （2）电池及管理技术 （3）整车控制技术 （4）整车轻量化技术 其中电池以及管理技术仍然很不成熟，是目前亟待解决的问题。 1.2.2 混合动力电动汽车 混合动力汽车在结构上分为串联式、并联式、混联式混合动力汽车6。 （1）串联式混合动力汽车 串联式混合动力车的核心组成结构为：发动机、发电机和驱动电机，发 动机产生的电能一部分给电池组充电，另一部分给电动机提供动能，这种结 构有较好的燃油经济效益。 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - （2）并联式混合动力汽车 并联式混合动力汽车有多种结构可以选择，发动机和电动机都可以作为 动力源并且两大动力总成的功率可以叠加。因此，在总功率一定的情况下， 电动机和发动机的重量和尺寸都可以做的相对小一些，还有利于降低成本， 与串联式结构比，并联混合动力的行程也比较长。 对于混合动力电动车，其关键技术包括驱动电机以及控制技术，动力传 动与系统匹配技术，再生制动能量回馈技术等。 发动机发电机电动机 电池组 发动机 电动机 变速器 电池组 串联式混合动力结构 并联式混合动力结构 1.2.3 燃料电池电动汽车 燃料电池电动车是利用燃料电池作为动力源的电动汽车，纯燃料电池电 动车只需要燃料电池作为动力源。燃料电池电动车与传统汽车以及纯电动车 相比具有以下优点： （1）与传统汽车相比，燃料电池车的效率较高，可达 30%以上，传统 汽车的效率大概在 20%左右。 （2）续航里程较长：与电动车相比，燃料电池车的克服了纯电动汽车续 航能力不足的缺点，燃料电池车的续航能力已经接近于传统汽车。 （3）较强的过载能力，能应对负载突然的增加。 （4）设计方便灵活，噪声低。 但是燃料电池车的制作成本很高，另外由于燃料电池在使用过程中需要 加入催化剂，在电池内部化学反应过程中产生了有害气体，因此需要加净化 装置来进行后期处理，这就增加了汽车的使用成本。另外燃料电池车的启动 时间也比较长，系统的抗震能力不足。 图 1-2 混合动力结构框图 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 从上面可以看出，新能源汽车与传统汽车相比虽然仍有不足之处，但是 也存在着很大优势， 新能源汽车尤其是电动汽车将成为一个发展趋势。 但是， 所有新能源车都有一个共同的问题： 新能源汽车的能量需要由电池组来提供， 考虑到电池的安全性以及使用寿命、效率，为了高效、安全的使用电池，就 需要电池管理系统（BMS）来对能量进行管理。 在不同的应用场合，电池管理系统的功能定位有所区别。纯电动汽车要 考虑在使用过程中电池的过充、过放情况，要能够时刻监测电池状态，为危 险情况提供报警功能，能对电池进行有效地保护，以便能够提高这个电池组 的安全性和使用寿命7。另外还要能够提供准确的剩余电量值给驾驶人员参 考。 1.3 BMS 的国内外发展现状 自 1991 年美国能源部与美国的三大汽车公司合作共同成立了名为 USABC（先进电池联合体）机构，建立了专业的电池管理系统系统研究和测 试实验室。随着电动车技术的进步和大范围的推广，电动车行业的呈现出广 阔的应用前景，各大厂商开始合作或者独立的研究汽车的动力电池。根据电 池在使用过程中出现的问题，以及这些问题的解决，电池管理系统也有了较 大进步。日本的青森工业研究中心以及美国的 Villanova 大学、US Nanocorp 公司利用模糊控制原理在电池管理系统的 SOC 估计领域做了大量工作。 而掌 握先进技术的公司主要集中在欧美，比如美国的通用公司，把微控制器嵌入 到每个电池模块当中，这些模块通过主控制器相连，实现对单体电池的状态 监测以及电池均衡功能。法国和德国西门子等开发的电池管理系统能够根据 电池特性对电池进行充放电保护，日本的本田、丰田等公司在基本的电池管 理系统上增加了安全高压监测系统以保证电池的安全。 国外的 BMS 系统比较典型的有以下几类 （1） “EV1”BMS：EV1 型电池管理系统是由美国通用汽车公司研发， 通过对电池的单体电压进行监测；用分流的方法测量整个电池组的电流；能 够对电池的过放电进行保护和报警；能够对剩余电荷量进行 SOC 预测，并且 还加入了热管理系统。 （2） “SmartGuard”BMS：SmartGuard 系统为分布式结构，能够测量电 池的电压和温度，实现过充电监测控制功能，并且增加了数据记录功能，能 够记录电池的使用状况8。 （3）德国柏林大学研制的 BMS：德国柏林大学对 BMS 进行了模块化设 计，将电池均衡装置引入到了电动汽车，并配合其它各模块一起，利用 CAN 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 总线进行通信，在功能上比以往的系统更加完善了些，主要包括：电池过充 过放的保护功能，电量进行均衡、热管理功能，SOC 估计功能，电池历史记 录功能，电池的故障诊断功能，数据的记录存储功能。 我国对电动汽车的发展极为重视，在 1992 年，我国把电动汽车的科技攻 关项目列入到了国家“八五计划” ，各大高校和科研院所以及电动汽车生产厂 家都开始对电池管理系统进行了深入的研究，与国外相比，电池管理系统技 术上的差距也在不断缩小9。上海交通大学和北京交通大学在国内对电池管 理系统的研究较早， 分别在电池管理系统的 SOC 估计算法研究上提出了不同 的设计。国内的一些电池生产商也开发出了较为成功的产品，深圳欣旺达电 子生产的电池管理系统，在完善电池管理基本功能的同时，在 SOH 评估和单 体电压数据处理问题上提出了较好的方案。拓邦股份以生产锂电池为主，在 生产锂电池的同时开发了自己的电池管理系统，该电池管理系统具有较高的 电池单体检测精度。其它的一些新兴公司诸如科列公司，在电池管理系统的 均衡方案上，采用了主动均衡的方式，减少了能量的损失，并且在均衡过程 中，效率提高到了接近 90%。近年来，通信技术的进步，也使得电池管理系 统的功能更加完善，并且出现了带有无线数据传输和定位的功能。 目前在国内，主要通过高校依托自身技术优势联合汽车制造商在以下方 面进行了深入研究： （1）如何提高电池状态参数采集的精度。 （2）如何提高 SOC 的估计精度。 （3）如何提高电池均衡的效率。 （4）BMS 与充电机的配合机制的优化。 （5）如何优化电池箱的散热控制和电池报警处理。 （6）采用新的均衡拓扑结构。研究新的均衡拓扑结构，包括考虑应用软 开关和磁损耗优化等方法，研究出体积小、损耗小、更加智能的均衡电路模 块。未来串联电池组均衡应向高效可靠、易模块化、可级联性和实用性强的 方向发展，要解决好大电流下的动态均衡问题，还要注意因电力转换器件的 传导干扰和电路外部的高频干扰，防止错误动作发生。 目前进行电动汽车研究的公司主要有一汽、上海大众、长安汽车、奇瑞 汽车、比亚迪汽车等，但是国内的汽车厂商所申请的 BMS 专利不是太多。 在电池管理系统领域， “电池状态监控”和“驱动电池充放电技术”是最 受关注的两个方向，这两个方向将成为 BMS 系统的热点。 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 1.4 课题来源和主要研究内容 本论文来源于高校和某新能源汽车公司的科研项目。该电池管理系统 （BMS）主要分为两大模块，分别是负责电池状态监测的本地模块（Salve module） 和负责数据处理的主模块。 本地模块主要用来采集单体电池的电压、 温度等参数，根据要求对电池单体进行电量的均衡以及热管理，主模块主要 用来对数据进行处理如电池荷电状态（SOC）估算等功能。本论文的主要研 究内容如下： （1）设计具有较高的电压检测精度的本地模块。 （2）根据 BMS 的主要功能，完成主模块的硬件设计，并对电池均衡的 拓扑结构进行研究，设计一种相对较好的均衡拓扑结构，并对均衡拓扑进行 实验验证。 （3）对电池进行充放电实验，根据实验所得数据，对电池进行建模，并 对电池模型参数估计的算法进行研究和改进。 （4）对比分析目前 SOC 估计算法的优缺点，并以卡尔曼滤波算法为基 础提出改进方案。 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 第 2 章电池管理系统硬件设计 2.1 引言 动力电池在使用过程中，要工作在合理的电压、电流、温度范围内，并 且出于安全以及运行经济效益等需要，要时刻关注电池的状态参数。电池的 过充电或者过放不仅会给电池的使用寿命带来影响，而且也存在安全隐患。 对于锂电池系统，由于其能量密度较大，而且价格比较昂贵，对如何安全高 效的使用电池进行研究有重大的实际意义。 电动汽车上对电池的使用 进行管理的具体设备就是电池管理系统 （BMS） ，针对不同的场合，电池管理系统应具备不同的功能10。但是无论 应用于那种场合，以下基本的功能都应该是具备的。 状态估计 数据显示 热管理数据采集 安全管理 故障诊断 能量管理 数据通信 温度控制电流电压温度负载充电机 上位机 整车控制器 电池管理系统的主要功能包括 （1）数据采集功能：采集电池单体的电压、温度，整个电池组的电压、 电流。保证电池工作在安全边界范围内，要注意电池的最大充放电电流以及 单体最高、最低电压、温度等11。 （2）数据显示功能：能将电池的状态信息传递到屏幕上供驾驶人员查看 电池数据。 （3）热管理功能：磷酸铁锂电池的容量对温度比较敏感，电池温度会对 电池的内阻产生影响12，为了高效的利用电池以及安全温度范围，有必要增 加热管理功能。 图 2-1 电池管理系统的功能框图 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - （4）状态估计：这是电池管理系统比较重要的功能，电池的状态估计包 括 SOC(剩余电荷量)、SOH（State of Health）估计。SOC 代表着电池还有多 少电量，SOH 代表着电池健康状态信息，反映了电池的老化状态，该值受到 充放电循环次数以及工作温度、放电电流大小等因素的影响。但是目前 SOH 估计技术还很不完善。 电池管理系统 电池状态监测电池状态分析电池安全保护电池信息管理 电 池 电 压 检 测 电 池 电 流 检 测 电 池 温 度 采 集 电 池 剩 余 电 量 估 计 过 流 保 护 过 温 保 护 电 池 状 态 信 息 交 换 电 池 历 史 信 息 存 储 电 池 信 息 无 线 传 输 功 能 电 池 均 衡 （5）安全管理功能：安全管理功能要求能够根据电池的电压、电流、温 度参数提供报警功能，并在电池出现危险情况时能够及时处理保护，比如断 路等。常见的电池安全保护有过流保护、过充过放保护以及过温保护13。 （6）能量管理功能：能量管理是指对电池组充放电过程的控制。电池的 充电控制管理，是指电池管理系统在电池充电时，对充电电压、充电电流的 控制。电池的放电管理功能也很重要，电池的电量较低（ N Y 发送电压数据 Y N Y I2C? 超过安全阈 值？ 压差1 返回 N N Y 采集电池单体电压，计算单体电压的最大值和最小值，记“压差 1”= m axm in |-|UU时作为启动均衡的阈值判断条件， 记 “压差 2” 为|-| ia v g UU为 均衡的截止判断条件。检测的电池组最大压差超过阈值时开启均衡，当检测 的电压与均值相比较小于第二个阈值时停止均衡。采用这样的控制策略可以 克服只对电池单体进行均衡速度慢的缺点，同时设置了第二个阈值，也克服 了均衡装置在平均电压值附近频繁启动的缺点。 图 5-4 本地模块实物图 图 5-3 电压采集处理程序 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 49 - 本地模块的电压采集结果如下： 表 5-1 本地模块电压监测结果 序号 电池电压 1 C1: 32603 C2: 33234 C3: 33481 C4: 33417 C5: 33482 C6: 33477 C7: 33416 C8: 33482 2 C1: 32602 C2: 33232 C3: 33480 C4: 33416 C5: 33479 C6: 33474 C7: 33415 C8: 33478 3 C1: 32603 C2: 33233 C3: 33482 C4: 33415 C5: 33482 C6: 33478 C7: 33417 C8: 33480 4 C1: 32603 C2: 33235 C3: 33481 C4: 33417 C5: 33482 C6: 33475 C7: 33418 C8: 33481 5 C1: 32603 C2: 33235 C3: 33482 C4: 33415 C5: 33482 C6: 33476 C7: 33415 C8: 33480 6 C1: 32603 C2: 33234 C3: 33481 C4: 33416 C5: 33482 C6: 33477 C7: 33417 C8: 33480 7 C1: 32603 C2: 33235 C3: 33481 C4: 33417 C5: 33483 C6: 33476 C7: 33417 C8: 33481 8 C1: 32603 C2: 33234 C3: 33481 C4: 33416 C5: 33483 C6: 33477 C7: 33416 C8: 33481 根据以上数据可以看出，在连续的测量电池组电压时，电压数值可以精 确到最后一位 0.1mV，满足单体电压采集精度要求。 5.2 电池均衡模块结果分析 在本设计中电池的均衡模块没有集成在本地电池监控板上，单独取出作 为实验验证用，为了验证均衡板的均衡能力，在实验中开关管驱动脉冲周期 图 5-5 本地模块测试 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 50 - G 1V/格 I 1V 格 设定为 12.5us，占空比设定为 10% 。该实验中现将一节单体电池进行充电至 一个相对较高的电压水平，让其具有较高的电荷量，然后串入与 3 节电池进 行串联来模拟电池的放电试验。其等效为利用一节电池向整个电池组放电， 副边变压器输出波形如图 5-6 所示： G ：开关信号波形 I：电流脉冲波形 I G 在副边接 4.7的测试电阻来测量充电电流，可测得在本实验平台下电 池的均衡电流峰值可以达到 1.7A。 对搭建的模型利 LT 公司的 LTspice 软件进 行仿真，电流波形如图 5-7 所示： 在图 5-7 中 0A 线上方三角脉冲波为变压器副边的波形此时电池单体放 电，0A 线下方的三角脉冲波部分为电池的放电电流波形，此时反激的能量为 整个电池组进行充电。 如同第三章进行的理论分析，以为电池放电为例，在变压器原边开关闭 合期间，原边电流以近似固定斜率上升，在整个开关管的开通期间电池单体 在进行放电，开关断开，变压器反激为整个电池组充电，当反激变换器的次 图 5-7 基于 LTspice 软件的均衡电路仿真 图 5-6 均衡模块均衡电流波形 时间（S）1us/格 电压（V） 时间（S）1us/格 万方数据 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 51 - 级端改动连接至本串电池组时也可以实现本串内电池的均衡，并且整个周期 内，电池单体侧的平均电流值为： () / 22 eoneon avgonoff U TU T ITTT LL (5-1) 式中： o f f T开关管周期内关断时间； e U放电电池的单体电压； on T开关管周期内开通时间； T开关周期。 带入参数进行计算可得，在此电路参数结构下，进行放电均衡时，均衡 平均电流值约为 0.8A。该平均电流值大小可以通过开关占空比来调节，由上 可看出该结构的灵活性。 5.3 电池模型参数辨识程序设计 根据第四章介