电动自行车锂电池充电均衡集成系统研究.pdf

摘要

摘要

随着我国“双碳”政策的实施，新能源技术得到迅速发展，并且消费者的环

保和健康意识也在不断增强。在交通出行领域，以电池为主要能源的电车逐渐成

为全球各国消费者的理想出行选择，其中电动自行车被认为是替代低碳交通的关

键组成部分。随着电动自行车新国标的实施和锂电池市场规模的持续扩大，以锂

电池为动力源的电动自行车因其轻便、使用寿命长等优势发展迅速。在实际应用

中，锂电池组采用串并联结构为电机提供足够的驱动电压和电流。然而，串联结

构会因锂电池在生产工艺、等效容量、自放电率上的差异性导致锂电池单元出现

电压不一致现象，进而降低锂电池的使用寿命，甚至会引发安全事故。因此，在

锂电池充放电过程中，选取合适的充电策略以及加入有效的均衡措施对减小电池

电压不一致性具有重要意义。

首先，本文根据国内外学者对锂电池充电策略以及可重构均衡电路拓扑的研

究现状，进行了系统的总体方案设计。对锂电池充电电路选取同步Buck降压电路，

充电方法采用PI控制的恒流-恒压充电方式；锂电池均衡部分则采用可重构均衡电

路来实现锂电池的充放电均衡，通过控制继电器的通断改变电池组的串并联结构，

最终实现锂电池组的充放电和均衡功能。

其次分析了同步Buck电路在连续模式下的工作原理，对其电路特性公式进行

了推导，并对其主要功率器件的电压电流应力情况和能量损耗进行了分析。此外，

PI

根据充电控制策略，采用了双闭环控制，并通过小信号建模进行稳定性分析。

通过仿真验证得出该锂电池充电电路具有较高的充电效率和良好的稳定性。

然后对可重构均衡电路在理想状态下的不同工作状态进行分析，并且利用锂

RC

电池的一阶模型对锂电池组串并联两种不同的工作状态进行等效电路建模，对

其理想状态下继电器电压和均衡电流进行了详细分析。此外，还对均衡电路的均

衡控制策略对于锂电池组充放电过程中进行了协调设计。最后，经过仿真验证，

所研究的拓扑结构和控制策略能够快速实现充放电过程中的电池电压均衡。

最后，根据对锂电池充电均衡电路的原理分析，对电动自行车锂电池充电均

衡系统进行了硬件电路和软件设计，并以STM32单片机为控制核心，搭建了四节

锂电池充放电均衡实验。根据测得的实验数据对锂电池充电均衡电路的充电效率

和均衡效果进行了相应地验证。得出该锂电池充电均衡集成系统具有抗外部干扰

能力强、充电均衡效率高、电池组重构灵活、容错能力高等优点。

BuckPI

关键词：电动自行车，锂电池，同步电路，控制，可重构均衡电路，

充放电均衡，STM32单片机

I

盐城工学院硕士学位论文

Abstract

WiththeimplementationofChinasdualcarbonpolicy,newenergytechnologies

havedevelopedrapidly,andconsumerawarenessofenvironmentalprotectionand

healthisalsoconstantlyincreasing.Inthefieldoftransportation,electricbicycles,

whicharemainlypoweredbybatteries,havegraduallybecometheidealtravelchoice

forconsumersaroundtheworld,amongwhichelectricbicyclesareconsideredakey

componenttoreplacelow-c