串联锂离子电池组均衡电路的研究

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浙江大学电气工程学院　硕士学位论文　串联锂离子电池组均衡电路的研究　姓名：陈晶晶　申请学位级别：硕士　专业：电力电子与电力传动　指导教师：钱照明　２００８０５０９ 摘要 随着锂电池技术的发展和节能环保概念的普及，大容量锂离子电池在大功率场 合的应用前景也越来越广阔，比如电动汽车、电动自行车、混合动力汽车、太阳能 发电系统等新能源以及航空航天领域。

但是锂离子电池组串联使用时容量不均衡的问题大大限制其广泛应用，加入均　衡电路是有效的解决方法。

尤其是对于大容量的锂电池组，价格昂贵，更是需要有 效可靠的均衡电路与均衡策略。

可以说，要实现大容量锂离子电池在大功率场合的　广泛应用，电池单体的有效均衡是目前的技术瓶颈之一。

因此深入研究锂离子电池　组均衡电路的关键问题很有意义。

　本文主要研究了以下几个方面的内容：　１．总结和比较了现在均衡电路的研究现状，包括均衡拓扑和控制策略。

　２．结合均衡电路的需要，对锂电池的特性做了详细的测试和深入的研究，得出了　对均衡有指导意义的结论。

３． 介绍了本课题所采用的锂离子电池组均衡电路的工作原理和设计流程，并给出　了具体电路和参数设计的结果。

４．基于锂离子电池的特性，提出了新颖的过均衡加滞环控制的方案。

最后，给出　了实验和仿真结果，验证了方案的可行性。

　５．基于本文的研究工作对串联锂离子电池的均衡做了一些总结和展望。

关键词：锂离子电池组均衡ＳＯＣ开路电压 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｉｔｈ ｃｏｎｃｅｐｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｂｅｅｎ　ｍｏｒｅ ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ ｗｉｌｄｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ ｈｉｇｈ－ｃａｐａｃｉｔｙ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｈａｖｅ ａｓ ｈｉ曲ｐｏｗｅｒ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃａｒｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｉｃｙｃｌｅｓ，ｈｙｂｒｉｄ　ｄｒｉｖｅｎ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ－－－ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｅｎｅｒｇｙ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ｆｉｅｌｄ． Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ ｕｎｂａｌａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ａｎ ｏｃｃｕｒｓ ｗｈｅｎ　ｌｉｔｈｉｕｍ？ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ａ ａｒｅ ｓｅｒｉｅｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ，ｌｉｍｉｔｓ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｄｄｉｎｇ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ ｇｏｏｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ， ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｂｉｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ　ｎｅｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ．Ｉｔ　ｉｓ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｔｏ　ｓａｙ　ｔｈａｔ　ｔｏ　ｍａｋｅ ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ－ｃａｐａｃｉｔｙ　ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｈｉｇｈ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ ａ ｐｏｗｅｒ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｉｎｇｌｅ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｏｎ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｉｔ　ｉｓ　ｍａｇｎｉｆｉｃｅｎｔ　ｔｏ　ｈａｖｅ　ｉｎ？－ｄｅｐｔｈ　ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ？－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ　ｐａｃｋ． Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ ａｌｅ　ａｓ ｆｏｌｌｏｗｅｄ：　ｏｆ　ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ １．Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ ｓｅｒｉｅｓ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ． ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ２．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ谢ｔｔｌ　ｔｈｅ ｏｎ ｎｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｔｅｓｔｓ ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ ｌｉｔｈｉｕｍ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ’ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｏｎｅ　ａｎｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｆｏｒ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｒｅ　ｄｒａｗｎ． ３．Ａｎ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｎｉｎｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｌｏｗ　４．Ａ　ｎｅｗ　ｂａｓｅｄ ｏｖｅｒ ｌｉｔｈｉｕｍ—ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ． ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｄｄｉｎｇ　ｄｅｌａｙ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｏｎ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｑｕａｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒａｍ．　５．Ｓｏｍｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｉｓ　ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ　ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ，ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ＳＯＣ，ｏｐｅｎ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｖｏｌｔａｇｅ Ｉｌ 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－３１。

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３００。

４００Ｖｎ’５１，太阳能系统为３０’４０Ｖ，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９０％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１００％ＳＯＣ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。

２０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　质量比能量／（Ｗｈ．ｋｇ‘１）　体积比能量／（ＷＬ／Ｌ）　能量效率（％）　热效应（范围卜１０） Ｌｉ－ｉｏｎ　１２５　３００　９６　３　０．３ Ｈ２一Ｎｉ　６０　９０　７０　１０　５－７ Ｃｄ—Ｎｉ　３０　１５０　７２　８　１ 自放电（％．ｄ。

１） 记忆效应　能量计量／检测　充电方式　模块化 无　电压　恒流恒压＋均衡　好 轻微　内部气压　恒流　否 有　无　恒流　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 翌囊 翱弘】ｄ（萎勘 隙∞幡舢 ２００１年１１月　单体电法　６Ｓｘ２Ｐ组成 洲法罾） ２００２年　＾ｈ单体电洁　２Ｐｘ　１１Ｓ组成 ‘｜ｓＭ根ｒ（ＥＳＡ） 。

火星快≯ （毯Ａ）火星搽滔　火星辘遭　２００３年６月　＾ｈ单体电漕　６Ｓ’（１６Ｐ维疵 。

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勇≮ （美翟）灭星撂穗嚣 月球绷 月球孰道 ２００３年９月　由１只∞＾ｈ电　池组成 轨道　同步转移轨（（汀０Ｊ　发射日期　２０００年１１月 电弛组结　构　革俸电池　６Ｓ×２Ｐ组成 锄ｌｃｍＳｓ０撇　地球鼢孰道（ＯＥＯ）【 火星轨道 ２００３年６月　２组电褴．每维由８只２５　＾ｈ串联缎成 ｌ组电池．由２７｜＾ｌｌ　１组电池．由１．５＾ｈ　２组毫池．每缌由∞　Ｓ组电泡．每组　３组电灌．每组由Ｉ．ｓ 注：Ｓ代袭串联．Ｐ代表弗联。