基于能量规划的电池组均衡系统设计.pdfVIP

摘要

摘要

近年来，化石能源日益匮乏，环境污染日趋严重，大力发展新能源汽车产业

势在必行。锂电池作为新能源汽车的动力来源，通常将单体电池串并联成组以满

足新能源汽车对功率、电压和容量的需求。但是由于生产制造工艺中的不可控因

素，单体电池间会出现不一致性，且在后续循环使用环境下，不一致性将进一步

加剧，缩短新能源汽车续航里程，甚至引发安全问题。因此，开发一种高效的电

池均衡系统对减小单体电池间的不一致性具有重要意义。主要工作包括：

(1)针对当前均衡系统在大规模电池组应用中存在均衡路径长、能量损耗高的

问题，本文采用有向图的方式对能量转移路径与均衡效率间的关联进行研究；分

析了模块化的均衡重叠机理，量化计算了均衡重叠现象产生的额外能量损耗。分

析表明：均衡重叠现象使能量在电池间反复转移，并因此产生额外的能量损耗，

而均衡系统在能量转移路径、开关时序及均衡电流方面的规划则会直接影响能量

损耗的大小。

(2)在上述分析的基础上，采用层式结构相叠加的模块化均衡拓扑，以反激变

换器作为模块内和模块间的储能元件，通过双向开关构建模块内和模块间均衡阵

列，从而实现任意单体电池在模块内、模块间的单步反激式直接均衡。详细阐述

了均衡主电路的工作原理，分析了主电路工作特性，并结合均衡方案设计了主电

路相关参数。

(3)为提高均衡速度、减少能量损耗，本文采用模糊逻辑算法对均衡电流进行

模糊控制，搭建均衡路径和均衡速度的数学模型，确定相应的约束条件，并通过

粒子群算法求解目标函数的最小适应度值，得到能量转移的最优路径与开关时序，

从而实现对均衡能量的合理规划。仿真实验表明：在同样的均衡电流控制机制下，

所提控制策略相较于解耦式模块化均衡策略，均衡时间缩短了20.83%，均衡能量

损耗减少了5.99%；相较于典型直接模块化均衡策略，均衡时间缩短了14.97%，

均衡能量损耗减少了33.54%。

(4)10

对均衡控制系统的硬件、软件进行设计，搭建了一套以节锂电池串联

的实验样机并进行实验验证。实验结果表明：各单体电池SOC均以单调形式趋于

一致，验证了所提均衡系统能够有效改善单体电池间不一致性，避免均衡重叠现

象的发生，减少能量的反复转移。

关键词：新能源汽车，电池均衡，有向图，均衡重叠，能量规划

I

盐城工学院硕士学位论文

Abstract

Inrecentyears,fossilenergyisbecomingincreasinglyscarce,environmental

pollutionisbecomingincreasinglyserious,anditisimperativetovigorouslydevelop

thenewenergyautomobileindustry.Asthepowersourceofnewenergyvehicles,

lithiumbatteriesareusuallysetinseriesandparalleltomeettheneedsofnewenergy

vehiclesforpower,voltageandcapacity.However,duetouncontrollablefactorsinthe

productionandmanufacturingprocess,therewillbeinconsistenciesbetweensingle

batteries,andinthesubsequentrecyclingenvironment,theinconsistencywill