动力锂离子电池均衡系统设计与研究

摘要

在纯电动汽车中，电池单体以串并联的方式集成在电池包内部，由于制造过程中存在差异，电池组在使用的时候会产生相互间不一致的现象。这种不一致会影响电池寿命与续航里程。为了解决这个问题，除了提高电池制造水平以外，设计合理的电池均衡系统是提高电池包性能的主要方法。
　　本文依托于湖南省科技厅重点项目:智能高效动力电池管理系统关健技术研究，研究了动力锂离子电池均衡系统。主要的研究工作如下:
　　(1)通过对目标单体电池进行反复充放电实验，求取电池的充放电特性曲线。在此基础上，分别在不同环境温度下进行充放电实验，分析温度对电池工作性能的影响。
　　(2)以6块电池为一个模块，分析电池组不一致性产生的主要机理，分别设计了电池模块内部与模块之间的均衡拓扑电路。并对所设计电路均衡原理进行简要说明。
　　(3)依据主控芯片的引脚与功能特性分别设计了电源电路、SPI通信电路、隔离电路、充放电保护电路、均衡控制电路及其他小型电路。
　　(4)将所设计的硬件电路按模块分类，针对各个模块将要实现的基本功能，编写相应的控制程序。主要包括主程序、数据采集程序、均衡控制算程序及通信程序等。
　　(5)建立电池模型，在Simulink/Simpowersystem系统中搭建能量转移模型及模块内均衡模型，对均衡拓扑结构进行仿真。将所设计的PCB原理图制作成印制电路板，烧写并调试程序，对控制板进行实验验证。结果表明，所设计的均衡系统能够实现电池能量均衡，对电池组一致性有改善。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 电池管理系统概述

1．3 电池均衡系统研究现状

1．3．1 耗散型均衡方式

1．3．2 非耗散型均衡方式

1．4 本文主要研究内容

第2章 动力锂离子电池特性研究

2．1 动力锂离子电池关键参数

2．1．1 电池电压

2．1．2 电池容量

2．1．3 电池SOC

2．1．4 电池SOH

2．2 电池模型建立与仿真

2．3 电池充放电特性

2．3．1 充电特性研究

2．3．2 温度对电池充电的影响

2．3．3 放电特性研究

2．3．4 温度对电池放电的影响

2．4 本章小结

第3章 动力锂离子电池组均衡电路设计

3．1 电池一致性失效机理

3．1．1 生产不一致性

3．1．2 异常充电不一致性

3．1．3 异常放电不一致性

3．1．4 电池老化不一致性

3．2 均衡电路总体设计

3．3 均衡电路拓扑结构

3．3．1 模块内均衡电路

3．3．2 模块间均衡电路

3．4 均衡电路仿真

3．4．1 能量转移方式仿真

3．4．2 模块均衡仿真

3．5 本章小结

第4章 动力锂离子电池组均衡系统硬件设计

4．1 主控芯片简介

4．2 数据采集电路

4．2．1 电压采集电路

4．2．2 温度采集电路

4．2．3 电流采集电路

4．3 电源电路

4．4 通信电路

4．5 隔离电路

4．6 保护电路

4．6．1 电池组过充电保护电路

4．6．2 电池组过放电保护电路

4．7 本章小结

第5章 动力锂离子电池组均衡系统软件设计

5．1 主程序设计

5．2 数据采集程序设计

5．2．1 采集板驱动程序

5．2．2 电压测量程序

5．2．3 温度测量程序

5．3 通信程序设计

5．3．1 SPI初始化程序

5．3．2 数据发送程序

5．3．3 数据接收程序

5．4 均衡程序设计

5．5 实验验证

5．5．1 实验方法

5．5．2 实验结果与分析

5．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题

附录