0909101123杨家骏电子信息工程车用锂电池管理系统均衡方案的研究.docx

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0909101123杨家骏电子信息工程车用锂电池管理系统均衡方案的研究

CENTRALSOUTHUNIVERSITY

本科生毕业论文（设计）

题目：

车用锂电池管理系统

均衡方案的研究

学生姓名：

杨家骏

指导老师：

刘波

学院：

信息科学与工程学院

专业班级：

电子信息1002班

完成时间：

2014年6月1日

摘要

汽车作为一种常见的交通工具，推动了社会经济的发展。

而它对石油的需求量大，石油资源有限，而且汽车排出的尾气会污染环境。

所以，研发和制造对环境无污染的电动汽车是首选，其主要部件是锂电池，而最重要的就是如何对锂电池进行最优化的管理。

本论文设计了一套带均衡方案的车用锂电池管理系统。

首先介绍了其研究的背景意义以及国内外的研究现状，研究了电池管理系统的整体功能和结构。

在将多个电池串联成组放在一个系统中时，因为每个电池的特性不完全一致，通过不断循环以后，这些误差会造成电池电压的偏差，大大减少了电池的使用寿命。

针对这个问题，研究了多个均衡充电的方案，可以有效减小这种误差，延长电池组寿命，并设计了一种简单可行的开关电感电容均衡法。

根据系统设计需要，实现了电流、电压、温度的采集以及对电池组充电过程进行均衡的功能。

使用AltiumDesigner软件设计了电路图，在Proteus环境下，搭建了电池管理系统的仿真电路，并应用该电路对电池仿真模型的充电过程进行仿真，得到了理想均衡效果。

最后，依据仿真结果，对均衡充电方案的特点和应用情况进行了进一步地介绍。

关键词：

电动汽车锂电池电池管理系统均衡充电

ABSTRACT

Asacommonmeansoftransport,thecarwaspromotedsocialeconomicdevelopment.Itneedsalotofoil,theoilresourcesarenotonlylimited,butalsowillpollutetheenvironmentafterusingbythecarbecauseoftheexhaustgas.Therefore,thedevelopmentandmanufactureofnon-pollutingelectriccarsontheenvironmentispreferred,anditsmaincomponentsisthelithiumbattery,andthemostimportantthingishowtooptimizethemanagementoflithiumbatteries.

Thispaperhasdesignedaprogramwithabalancedlithiumbatterymanagementsystemusedincar.Thebackgroundandsignificanceofresearchstatusoftheirresearchathomeandabroadwasintroduced,theoverallfunctionandstructureofthebatterymanagementsystemwasalsoresearched.Whenthepluralityofbatteriesconnectedinseriesinasystemgroup,becauseoftheInconsistencyofeachcell,aftercontinuouscyclethroughtheseerrorswillresultindeviationofthebatteryvoltage,greatlyreducingthebatterylife.Toaddressthisproblem,amultipleequilibriumchargingsolutionhasnoticedthatcaneffectivelyreducethiserrortoextendbatterylife,anddesignedasimpleandfeasibleswitchinductanceandcapacitanceequalization.Andalsohasachievedcurrent,voltage,temperaturecollectionandbalancingfunctionofchargingthebatterypackaccordingtothesystemdesignneeds.SchematicsdesignedbyAltiumDesignersoftware,builtacircuitsimulationbatterymanagementsysteminProteusenvironment,andappliedthecircuitsimulationtheprocessofchargingthebatterysimulationmodel,gottheidealbalanceeffect.Finally,basedonthesimulationresults,thecharacteristicsandapplicationsofbalancedchargingschemewasfurtherintroduced.

KEYWORDS:

electriccarlithiumbatterybatterymanagementsystemchargingequalization

第一章绪论

1.1研究背景与意义

在当前，全球温室气体二氧化碳排放总量持续上升，在如今这个经济发展极其迅速的时代里，对于我们接触众多的一类体现科学技术的物品无疑就是汽车了，它是一种非常常见的交通工具，推动了社会经济的发展。

但是在日益增多的汽车时代里，石油对于汽车的重要性不亚于汽车对于一个国家经济发展的重要性，现在汽车对石油的需求量越来越大，可是石油资源终究是有限的，而且石油在经汽车内部设备处理后排出的气体为碳氢化合物，会污染环境[1]。

于是减少汽车尾气的排放量或者使用清洁能源的汽车已经成为一种趋势。

我国的汽车尾气排放污染是影响城市环境的重要因素，必须要发展新技术来减少二氧化碳的排放量，压力很大，任务也很艰巨。

据此，汽车行业的多位分析师认为，锂电池汽车本身可以做到污染的零排放，发展电动汽车无疑可以大大减少污染气体的排放。

锂离子电池电动汽车可以实现用电代替石油，还减少了污染气体的排放量，对社会的益处非常之大。

车用锂电池是混合动力汽车及电动汽车的主要动力电池，由于镍氢电池的一些技术性能如能量密度、充放电速度等已经接近到理论极限值[2]，锂电池具有能量密度高、容量大、无记忆性等众多优点，得到汽车厂商与电池生产厂商的广泛一致认可，目前世界各国正在重点研发生产锂离子电池。

我国发展锂电池汽车有能够与发达国家相竞争的技术优势，在市场和资源方面，优势是更加的大。

我国小功率锂离子电池早已产业化，形成上下游结合的完整产业链，电池产品超过世界市场的1/3。

我国比亚迪公司生产的锂离子动力电池已经达到国际先进的技术水平，产业化条件也已基本成熟，充分具备参与国际竞争的实力。

锂电池汽车的关键设备是锂离子动力电池和永磁同步电机。

我国设计发展锂电池汽车具有独特、有利的资源优势。

锂离子电池的原材料在我国来源非常广泛。

我国是世界锂矿资源大国，特别是青海和西藏的盐湖有大量锂资源，锂资源的开发不仅为低成本锂离子电池提供了丰富的原材料，也加速提高了西部地区的发展。

锰矿、铁矿、钒、磷等在我国也都是富产资源[3]。

永磁同步电机体积小、重量轻、效率高，而我国是稀土永磁材料大国，为锂电汽车提供了材料保证[4]。

这是一次百年难得的机遇，也是汽车产业的革新，中国一定要在以锂离子电池为动力的纯电动汽车的激烈的国际竞争中取得一席之地。

有权威机构表明：

在发展电动汽车的过程中，中国极有可能在全球汽车产业的第三次技术革命中名列世界前矛[4]。

而近年来在锂离子电池上取得的新突破已经使大大降低了电动汽车的成本，提高了很多很大的性能，市场化近在眼前。

基于中国国情，快速推动锂电池汽车的产业化是符合我国国情的战略选择。

毫无疑问锂电池汽车将会带来一场资源革命，也会是一次技术革命。

面对日渐减少的石油资源，寻找新能源成为各国产业人士的共识，相信有一天传统内燃机在一夜之间就会被电池动力技术取代。

发展高效率的电动汽车对国家社会发展具有非常重要的意义。

现在汽车的产量和需求量逐年增大，随之而来的汽车尾气排放问题也开始显现，给环境带来了很大的破坏。

而电动汽车采用电力系统控制，可以减少汽车尾气的排放量，在优化的控制策略下还可大大控制污染。

同时发展电动汽车可以带动相关产业的发展，推动社会经济的进步，进而体现一个国家在世界上的地位。

对于大容量的锂电池组，电路设计复杂，价格比较昂贵，所以需要可靠性和有效性都高的均衡系统。

高效率的均衡充电可以使电池的荷电状态保持一致，充放电的时间合适，能够最大程度的体现电池组的总体性能，还可以延长电池的寿命。

所以，当一个高效的、低成本的车用锂电池实现产业化生产的时候，对一个国家，社会具有很高的工程价值和社会意义。

1.2国内外研究现状

锂电池研究现状：

在发达国家锂电池在生活中已经得到了广泛应用。

美国在电动车的研发上做了大量的投入，USABC（UnitedStatesAdvancedBatteryConsortium，美国先进电池联盟）一共投资2.6亿美元来进行电动车锂电池的研发。

向美国SAFT公司、加拿大魁北克公司、Duracell还有德国Varta公司分别投资1180万美元、8500万美元、1450万美元，从经济上支持锂离子电池的开发[5]。

日本也投入1亿美元来加快车用锂电池的研发工作。

富士康和NEC合作开发的单体锂离子电池的安全性高，成本低，使用寿命长。

东芝开发的可急速充电锂电池组体积小、容量大，其采用的纳米级微粒均一化固定技术，可以使锂离子均匀地吸附在蓄电池负极上，在很短的时间内就能充满电。

美国的JohnsonControls已经开发大规模的生产高功率的锂离子电池。

近日，西班牙电网运营商REE将1MW锂离子电池储能项目与位于西班牙塞维利亚的输电网并网，该储能系统将吸纳可再生能源发电的多余电力，并在用电高峰期释放[6]。

这个Almacena项目是欧洲同类项目中首个与输电网并网的项目。

德国KaiserseLautern大学采用的结构是主从模块的分布式管理结构，从模块像一个独立式的均衡器，主模块主要实现系统的管理，均衡能力很强。

1990年成立的“城市电动车”协会协助各个城市进行电动汽车的研究和设备安装。

因为世界各国对电动车锂电池的重视和大力投入，锂电池电动车得到了快速发展，发明了很多种性能的电动车。

日本公司首先在1995年推出的一款重量为1.7吨的电动车，可以载4个人，当电充满以后可以行驶200km的路程，最高时速可达120km/h，0到80km/h只需要12s。

由96个锂电池组成的动力源为这一款电动车供电，其中有一套非常高效的电池管理系统，它的比能量和能量密度分别达到了110Wh/kg和250Wh/L[7]。

不久后，日本三菱公司在1996年推出了一款可行驶250km的电动车。

随后三菱、本田、尼桑等电动车相继面世，日本在1997年正式开始以锂电池组为动力的电动车销售。

几年后，美国和欧洲通过加紧研制也推出了自己的锂电池电动车[8]。

我国也非常重视锂电池的研发。

在80年代初期，国家开始发展锂电池技术，近年来通过国家和各企业的努力，已经取得了很好的研究成果。

雷天绿色电动源深圳有限公司是我国第一家实现锂电池产业化生产的公司，该公司研发的大功率铬氟锂动力电池有多种型号，而且性价比非常高，市面上已经有售。

1997年开始产业化经营的苏州星作为国家锂离子动力电池产业化示范工程项目基地，其研发的动力电池组已通过美国UL和欧盟独立组织ExtraEnergy的测试认证，并在苏州建成第一条动力锂离子电池的生产线并顺利试产，目前已实现量产[9]。

现在中国的比亚迪汽车公司已经成长为一个冲击力十足的大公司，它所研制的电动车已经为广大群众提供了便利，锂电池技术也非常先进。

在我国，已经实现量产的电动汽车有奇瑞Q3、江淮同悦、比亚迪E6、奇瑞麒麟M1、荣威E50等[10]，这标志着我国也已经踏入电动车时代。

电池管理系统研究现状：

美国的通用汽车集团设计的电池管理系统领先于世界，它推出的Voltec动力管理系统是纯电动模式，装备的锂电池功率有16kW•h驱动电机有110kW，福特公司的focus汽车就是采用这种设计[11]。

总线CAN是德国BOSCH（博世）集团在1980年初为实现汽车中众多的控制与处理模块之间数据指令交换而研究开发的一种通信协议[12]。

现在的BMS（BatteryManagementSystem，电池管理系统）大多都采用这种通信协议。

由德国西门子公司开发的电池管理系统，在电动车进行充电的时候，电池管理系统能跟踪电池充电特性，控制充电器对电池进行优化充电[13]。

法国的电动汽车公司设计的电池管理系统是管理电池组，有记录电池寿命、监控充电过程、行驶过程中的电池组管理和剩余电量的显示等功能。

日本本田公司所开发的BMS（BatteryManagementSystem，电池管理系统）有管理模块、车载的充电器、故障检测与排除等强大功能[14]。

我国对于电池管理系统的研发也有了明显的进步，清华大学研究设计的系统由六个子电路组成，包括信号输入电路、电压/频率变化器、光耦隔离电路、MCU、输入输出电路、RS-232串行口通信电路。

北京航空航天大学、哈尔冰工业大学、北京交通大学、北京理工大学和上海交通大学以及同济大学等学校都深入研究了电池管理系统，研究成果非常明显。

要更好的实现电动车的产业化，那么对于电池系统的管理就必须要做好。

国内外已经开始着手锂电池管理系统的均衡研究，要设计出效率高、成本低的电动车。

1.3研究内容

本文研究的主要内容是电池管理系统的均衡方案，要对锂电池组进行有效地监控和管理，确保电池组高效的运作。

当多个单体电池串联成组后，因为每个电池组之间的差异，在多次的循环使用后，电池中各参数的偏差会越来越大，必将导致电池的使用周期减少，从而降低了电池的使用寿命，而均衡充电可以在很大程度上减小这种误差，所以一种好的均衡策略可以延长电池组的使用寿命。

在设计好均衡电路后，通过研究锂电池的特点和对电池组电压、电流、温度采集的思路分析，结合均衡设计出电流、电压、温度采集的硬件电路。

系统中单片机负责整体的控制，包括信号输出与采样，其他模块完成对电池组单体电池各参数测量。

同时，建立管理系统内部CAN通讯网络，实现电池管理系统内部数据传输。

在进行电路设计的过程中，重点研究各模块中电路的工作原理和元器件的选取，不同的需求就需要有不同的设计思路。

比如电池管理系统要实现自动控制，手动切换的开关就不能应用到设计中来，要用其他可以实现自控的器件，例如MOSFET管，然后就要研究MOSFET管的通断设计，进而引发更多设计思想。

最终设计出一套车用锂电池管理系统，用PROTEUS进行软件仿真，研究得到的均衡结果，并对电池组均衡充电的方案进行比较、总结。

第二章均衡方案研究与设计

2.1均衡充电的背景

车用锂电池大多是由多个动力锂电池串联组成的电池组，提供汽车运行时所需的电流、电压以及功率。

单体电池的制造伴随有一定能量容量的误差，将多个电池串联起来后，容量大一些的单体电池常会处于浅充浅放状态，电池容量缓慢衰减，使用寿命变长；相反，充电时，容量小点的单体电池容易过充，放电时，容量小的单体电池又容易过放，故容量小的电池容易受损，电池容量衰减加快，使用寿命变短，然后再经过反复的充放电后这种差异愈演愈烈，进入恶性循环，电池组的效率会急剧下降，整个电池组的寿命也会随之下降。

现在已经提出了一些方法来使电池系统得到恰当的均衡。

电池均衡主要包括两种：

一种是有损均衡，即被动均衡；另一种是低损均衡，有时也称无损均衡，即主动均衡。

在众多研究后发现主动方法的效率要比被动方法更高，尽管它们会需要更大，更重和更复杂的电路。

2.1.1被动均衡

被动均衡出现得比较早，实现起来比较容易，当使用被动均衡的方法时，该电压是通过电阻由具有相对较高的电压放电的电池均衡。

使用时将其并联在需要进行均衡的电池两端，当电池电压因充电上升到某一设定值时，启动开关管接通放电电阻，将多余电量以热能的形式损耗掉，存在一定的不安全因素，不利于节能和环保，不适合大功率电池组使用，并且只适用于充电均衡。

被动均衡采用耗能方式，在单体电池并联一个电阻和一个开关来进行分流，释放掉电池组中电压高的单体电池多余的能量，以此来实现电池组的电压均衡，这种均衡方法很简单，也比较稳定，但是存在浪费能量、均衡时间长和散热不佳等问题，不符合节约的要求，所以只会用于充电状态下的均衡。

但是因为它简单可靠以及易于实现操作的原因，现如今被动均衡方案还是锂离子电池组使用最多的方法。

2.1.2主动均衡

主动均衡最近几年发展迅速，主要原理简单来说就是将高电压部分电池的电荷转送到电池电路或低电压部分的电池中，当使用主动均衡的方法的时候，电荷从一个电池转移到另一个，直到它们都被平衡。

主要使用电感和电容等元器件，利用电感储能、电容续流的功能，通过电容和电感的反复充放电实现电池组内各电池电压的基本平衡。

2.2常用的均衡方案分析

2.2.1开关电容法

为了合适的均衡电池，主动均衡方案的能量从一个电池转移到另一个中。

现在已经有不同的均衡技术来进行能量转移。

它们都可以分为开关电容和电感的方法。

开关电容均衡方法是使用一个在电池链中用高压电池充电，然后低压电池放电的电容。

开关通常通常由一些阵列MOSFET晶体管构成。

设计由8个单体电池组成，所以需要很多的高漏源电阻的高压MOSFET。

（2.1）

2.2.2开关电感法

使用电感器或变压器把能量从一个电池转移到另一个电池。

有一种方法叫PWM控制分流方法。

它采用了串联电感和MOSFET开关作为升压或降压转换器，从邻近电池转移电荷，形成图2.1所示的电路。

图2.1PWM分流方案

该方法可以容易地实现与库存元件的连接，因此开发和制造很便宜、迅速。

该电路只能在邻近的电池之间转移电荷。

因此，超过N个电池的电荷转移所产生的效率用一个简单的指数表达式（2.2）表示：

（2.2）

估算第一次电荷转移的效率大约是90%，转移电荷从电池链的一端到另一端的效率约为0.01%。

2.2.3多绕组变压器法

为了制造一个高效的主动型BMS，电荷在电池中的转移次数要尽可能少。

这可以通过使用多绕组变压器的方法来完成，该能量是从整个电池组中获得，然后转移到在次级绕组上的单独电池，如图2.2所示。

图2.2多绕组变压器方案

在采用这种方法时最关键的部件就是变压器。

对于大型的电池管理系统，需要多个次级绕组。

制造多级的变压器是非常困难的，主要是因为它需要极低的漏极电感来实现高频率的切换。

此外，这个方法要将上百条条线路从电池连接到变压器，这相当不实用。

这种方案只能在一个中小型的电池组上开发测试，不适合大功率的电池组。

2.2.4两阶段主动均衡方案

为了让均衡速度更快，效率更高，并且重量合适，开发了一种新型的电池均衡电路。

要求在短时间内均衡大量的锂聚合物电池，这无形中推动了两级有源均衡电路的发展，为了让电池组的电压得到均衡，电荷必须用下列四种方式中的一种来转移：

（A）从一个电池到任意一个邻近电池，

（B）从一个电池到随机一个电池，

（C）从一个电池到整个电池组（隔离升压转换器），

（D）从整个电池组到单个电池（隔离降压转换器）。

要找到最佳效率的方法，均衡速度、尺寸、重量、复杂性和成本都需要考虑到。

在处理稍大点的电池组的时候，将电荷从一个电池转移到邻近电池时的效率是比较低的，这是因为要转移大量的电荷。

直接从一个电池转移电荷到非相邻电池肯定会得到很快的均衡。

然而，它需要一个复杂而且庞大的电路。

因此，去掉A和B，剩下C和D进一步进行评估。

做一个关于基于半桥式拓扑结构（图2.3）的升压转换器和降压转换器的一个理论性和经验性的评价是为了让它具有更高的效率，这是采用此种方案最主要的设计目标。

图2.3用作效率评估的半桥式转换器（升降）

两个转换器的设计参数为：

输出功率为10W，输入/输出电压为3.7V和325V，转换频率为200KHZ。

两个原型升降压转换器是为了测量效率而设计和制造的。

在一个半桥式的转换器中，损耗发生在MOSFET开关，变压器和输出整流器中（2.3）。

（2.3）

MOSFET的损耗包括传输损耗和开关损耗（2.4）（2.5）：

（2.4）

（2.5）

对于升降压转换器，MOSFET损耗大致相同，升压转换器稍少一点，为0.38W，降压转换器为0.41W；因为测量单个的损耗比较困难，所以只能测量出总损耗。

变压器核心内损耗主要包括铜传输损耗，磁滞损耗和涡流损耗。

如方程（2.6）-（2.8），在一个绕组高频变压器里的铜传输损耗约为：

（2.6）

其中MLT是绕组每匝的平均长度，N是线圈数，ρ是铜的电阻率，D是线的直径，δ是趋肤深度，即电流密度下降到1/e的深度。

变压器中滞后和涡流损失估计方程如（2.7）和（2.8）所示：

（2.7）

（2.8）

其中的Kh是滞后常数，f为变压器的工作频率，Bm为磁通密度的峰值，Ke是涡电流常数，Kf是变压器的磁芯常数。

为了降低损耗，需要设计测量两个变压器。

因为变压器的设计是对称的，所以两个转换器的损失几乎相同，在转换器中的损耗主要区别发生在输出整流阶段。

变压器的损耗主要包括传输和磁芯磁滞损耗，它们是相同类型的转换器，因为它们变压器的设计是对称的。

在转换器中的区别出现在输出整流器当中（2.9）：

（2.9）

其中UF是二极管的（整流的）正向电压,IOUT为转换器的平均输出电流。

对于相同的输出功率，降压转换器的输出电流基本上比升压转换器的要高，因此也就有更高的输出整流损耗。

综上所述，显然升压转化器比降压转换器具有更高的转化效率。

为了减少转换器的尺寸，操作的频率必须要增加到500HZ。

在这个频率上，会出现与变压器的结构有关的一些严重问题。

为了转换器能在这么高的频率下运转，变压器需要大约1:

88的匝比和非常低的漏感。

被建议的最基本的漏电感可以大约如下：

（2.10）

很明显，设定一个变压器中有如此高的匝比和低的漏电感是非常困难的。

因为为了填充变压器的窗口，第二绕组线的直径应该要很大，b2相对较大，漏电感也同样如此。

用更细的线和同等地通过窗口长度分配匝比只会稍微得到更小的漏电感。

在研发阶段，变压器被设计成交错的线圈，尽管它的漏电感只在3uH以上。

由于构造半桥式转换器的变压器的难度，需要采用一种稍微不太一样的方法。

用两步转换器，并用一个中间电容器来传递两阶段间的能量：

一阶段将能量从单个电池传到普通电势，二阶段将能量从普通电势传到整个电池组。

用这个方法，每一个电池仍然具备它自己原有的半桥式升压转换器，传递能量到铝电池。

第二个升压转换器然后就顺势将能量从电容器传递到整个电池组，正如在图2.4中所展现的。

图2.4两阶段的电池平衡方案